CN113726458A - 一种低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法，属于水声通信侦察技术领域。本发明针对水声信道环境噪声干扰严重，信号接收信噪比往往较低，导致水声通信信号检测提取困难的问题，提出一种低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法，该方法借鉴语音信号增强思想，利用改进谱减算法将接收的水声通信信号进行谱减降噪处理，提高信号接收信噪比，结合平均周期图时间累积、形态滤波、宽带信号检测、双滑窗提取等技术，有效实现低信噪比下水声通信信号的实时检测提取。

Description

一种低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法
技术领域
本发明涉及水声通信侦察技术领域，特别是指一种低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法。
背景技术
水声通信作为目前水下远距离通信的唯一有效手段，技术发展已较为成熟。潜艇、无人潜航器、鱼雷、水下信息网之间，以及水下装备与水面舰船之间均是以水声通信为基础，对水声通信信号的侦察有助于了解敌方作战能力和意图，为战场态势掌控和指挥决策提供强有力的支持。因此，针对非合作水下通信信号的侦察已成为通信侦察领域的研究热点。
水声通信信号检测提取作为水声通信信号侦察的基础，受水声信道环境噪声影响，第三方接收的信号信噪比往往较低，导致信号检测概率低。如何实现低信噪比下水声通信信号的高概率检测提取，是目前研究的重点。当前，针对水声通信信号检测，多是采用频域检测方法，通过固定门限判断是否存在信号，存在虚警率过高的问题；通信信号提取方面，多是采用双滑窗提取方法，该方法要实现较低的提取误差，需要较高的接收信噪比要求。在低信噪比条件下，尚没有一种能够实现水声通信信号实时检测提取的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法，该方法借鉴语音信号增强思想，利用改进谱减算法将接收的水声通信信号进行谱减降噪处理，提高信号接收信噪比，结合平均周期图时间累积、形态滤波、宽带信号检测、双滑窗提取等技术，有效实现低信噪比下水声通信信号的实时检测提取。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法，包括以下步骤：
(1)变量初始化，包括平均周期图积分时间长度、滑动窗长、滑动窗步距、第一帧信号检测标志、上一帧信号有无标志、信号提取标志的初始化；
(2)根据第一帧信号检测标志的值，采用不同方式从原始采样信号缓存中读取信号生成待检测信号；
(3)对生成的待检测信号进行平均周期图时间累积，获取信号周期谱；
(4)对信号周期谱进行形态滤波，精确估计信号频谱的噪声基底；利用获取的噪声基底对信号进行白化处理，消除信号的杂散点和毛刺；
(5)对白化处理后的信号进行宽带信号检测，检测当前帧信号有无通信信号，若检测到通信信号，则估计信号的载频、带宽、信噪比；
(6)若当前帧信号未检测到通信信号，且上一帧信号也未检测到通信信号，则执行步骤(7)；若当前帧信号检测到通信信号，而上一帧信号未检测到通信信号，则执行步骤(8)；若当前帧信号检测到通信信号，且上一帧信号也检测到通信信号，则执行步骤(9)；若当前帧信号未检测到通信信号，而上一帧信号检测到通信信号，则执行步骤(10)；
(7)更新第一帧信号检测标志的值，保存当前帧信号头部滑动窗步距时长的信号，返回执行步骤(2)；
(8)更新第一帧信号检测标志、上一帧信号有无标志的值，信号捕获开始，保存当前帧信号，记录信号开始时间和起止频率，返回执行步骤(2)；
(9)更新第一帧信号检测标志的值，保存当前帧尾部滑动窗步距时长的信号，记录信号起止频率，返回执行步骤(2)；
(10)更新第一帧信号检测标志、上一帧信号有无标志、信号提取标志的值，信号捕获完成，保存当前帧尾部滑动窗步距时长的信号，记录信号截止时间和起止频率，执行步骤(11)；
(11)根据信号宽带检测估计的信号起止频率，对完整捕获的通信信号进行带通滤波，滤除带外噪声；
(12)对带通滤波后的通信信号进行谱减降噪处理，提高信号信噪比；
(13)对降噪处理后的通信信号进行提取，获取通信信号的精确起止时间，更新信号提取标志的值，返回执行步骤(2)。
进一步的，步骤(2)的具体方式为：
(201)若第一帧信号检测标志的值为1，则直接从原始采样信号缓存中读取平均周期图积分时间t_ap长度的信号作为待检测信号；
(202)若第一帧信号检测标志的值为0，则更新滑动窗步距dt长度信号，即舍去上一帧待检测信号头部滑动窗步距dt长度的信号，尾部添加从原始采样信号缓存中读取的新的滑动窗步距dt长度的信号。
进一步的，步骤(3)的具体方式为：
(301)若第一帧信号检测标志的值为1，则对待检测信号直接进行滑动窗FFT，即取滑动窗长t_sw长度信号进行FFT计算，完成后滑动dt长度，继续取t_sw长度信号进行FFT计算，直至完成平均周期图积分时间t_ap长度信号的FFT计算，获得Nwap个滑动窗FFT结果；对滑动窗FFT结果取模平方求平均，获得待检测信号的周期谱；
(302)若第一帧信号检测标志的值为0，则只对待检测信号尾部t_sw长度信号进行FFT计算，将该FFT计算结果添加至上一帧待检测信号的Nwap个滑动窗FFT结果尾部，并移除头部的1个滑动窗FFT结果，获得当前帧待检测信号的Nwap个滑动窗FFT结果；对滑动窗FFT结果取模平方求平均，获得待检测信号的周期谱。
进一步的，步骤(5)中对白化处理后的信号进行宽带信号检测的具体方式为：
(501)初始化信号频谱搜索窗长nLocalSpan、合并标识tagMerge、搜索频谱起始位置ii；
(502)如果ii≤n，则执行步骤(503)，否则结束；其中，n为信号频谱个数；
(503)如果tagMerge＝0，则在[st ed]范围内搜索局部峰值及其位置，其中，st＝ii-nLocalSpan，ed＝ii+nLocalSpan；若局部峰值未超过门限，则ii＝ed+1，返回执行步骤(502)，若超过门限，则执行步骤(504)；如果tagMerge≠0，则执行步骤(504)；
(504)如果局部最大值的位置localMaxp＝ii，则确定搜索信号左右边界的门限为局部峰值localMaxv*0.3，搜索左边界和右边界，如果在搜索右边界的过程中遇到更高的峰值，则令tagMerge＝1，更新局部峰值及其位置，如果在搜索右边界的过程中没有遇到更高的峰值，则确定信号频谱的左右边界；如果localMaxp≠ii，则执行步骤(506)；
(505)如果tagMerge＝0，则更新ii＝redge，其中，redge为信号频谱右边界；若当前信号左边界ledge与前一信号右边界curPos不交叠，则更新前一信号右边界，并计算当前信号信噪比，若满足信噪比门限minSnrThd，则记录信号的频率、带宽、信噪比；
(506)更新ii，即ii＝ii+1，然后返回执行步骤(502)。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、本发明利用形态滤波对信号进行白化处理，消除信号的杂散点和毛刺，对信号频谱进行谱拉平处理，降低了宽带信号检测时易导致高虚警的问题。
2、本发明利用多窗谱估计的改进谱减算法，实现对通信信号的降噪处理，提高了信号接收信噪比，降低了双滑窗提取算法对信号高信噪比的需求。
3、本发明借鉴语音信号增强的思想，设计了一种通信信号实时检测提取方法，实现了低信噪比条件下水声通信信号的实时检测提取。
附图说明
图1是本发明实施例中低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法的一种工作流程图；
图2是图1中通信信号谱减降噪步骤一种具体的流程图；
图3是图1中通信信号提取步骤的一种具体的流程图；
图4是利用实采数据进行水声通信信号实时检测提取的结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
一种低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法，其包括以下步骤：
(1)变量初始化，包括平均周期图积分时间长度(单次检测信号长度)、滑动窗长、滑动窗步距、第一帧信号检测标志、上一帧信号有无标志、信号提取标志等参数；
(2)根据第一帧信号检测标志的值，采用不同方式从原始采样信号缓存中读取信号生成待检测信号；
(3)对生成的待检测信号进行平均周期图时间累积，获取信号周期谱；
(4)对信号周期谱进行形态滤波，精确估计信号频谱的噪声基底；利用获取的噪声基底对信号进行白化处理，消除信号的杂散点和毛刺；
(5)对白化处理后的信号进行宽带信号检测，检测当前帧信号有无通信信号，若检测到通信信号，则估计信号的载频、带宽、信噪比；
(6)若当前帧信号未检测到通信信号，且上一帧信号也未检测到通信信号，则执行步骤(7)；若当前帧信号检测到通信信号，而上一帧信号未检测到通信信号，则执行步骤(8)；若当前帧信号检测到通信信号，且上一帧信号也检测到通信信号，则执行步骤(9)；若当前帧信号未检测到通信信号，而上一帧信号检测到通信信号，则执行步骤(10)；
(7)更新第一帧信号检测标志的值，保存当前帧信号头部滑动窗步距时长的信号，返回执行步骤(2)；
(8)更新第一帧信号检测标志、上一帧信号有无标志的值，信号捕获开始，保存当前帧信号，记录信号开始时间和起止频率，返回执行步骤(2)；
(9)更新第一帧信号检测标志的值，保存当前帧尾部滑动窗步距时长的信号，记录信号起止频率，返回执行步骤(2)；
(10)更新第一帧信号检测标志、上一帧信号有无标志、信号提取标志的值，信号捕获完成，保存当前帧尾部滑动窗步距时长的信号，记录信号截止时间和起止频率，执行步骤(11)；
(11)根据信号宽带检测估计的信号起止频率，对完整捕获的通信信号进行带通滤波，滤除带外噪声；
(12)对带通滤波后的通信信号进行谱减降噪处理，提高信号信噪比；
(13)对降噪处理后的通信信号进行提取，获取通信信号的精确起止时间，更新信号提取标志的值，返回执行步骤(2)。
具体来说，如图1所示，一种低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法，其包括以下步骤：
步骤1：
(101)变量初始化，平均周期图积分时间长度(即单次检测信号长度t_ap＝0.512s)、滑动窗长(t_sw＝0.032s)、滑动窗步距(dt＝0.016s)、第一帧信号检测标志(FirstFlag＝1)、上一帧信号有无标志(lastHasFlag＝0)、信号提取标志(getSigFlag＝0)。
步骤2：
(201)若第一帧信号检测标志的值为1(FirstFlag＝1)，则直接从原始采样信号缓存中读取平均周期图积分时间t_ap长度的信号作为待检测信号；
(202)若第一帧信号检测标志的值为0(FirstFlag＝0)，则更新滑动窗步距dt长度信号，即舍去上一帧待检测信号头部滑动窗步距dt长度的信号，尾部添加从原始采样信号缓存中读取的新的滑动窗步距dt长度的信号。
步骤3：
(301)若第一帧信号检测标志的值为1(FirstFlag＝1)，则对待检测信号直接进行滑动窗FFT，即取滑动窗长t_sw长度信号进行FFT计算，完成后滑动dt长度，继续取t_sw长度信号进行FFT计算，直至完成平均周期图积分时间t_ap长度信号的FFT计算，获得Nwap(Nwap＝(tap_n-tsw_n)/dt_n+1)个滑动窗FFT结果。对滑动窗FFT结果取模平方求平均，获得待检测信号的周期谱；
(302)若第一帧信号检测标志的值为0(FirstFlag＝0)，则只对待检测信号尾部t_sw长度信号进行FFT计算，将该FFT计算结果添加至上一帧待检测信号的Nwap个滑动窗FFT结果尾部，并移除头部的1个滑动窗FFT结果，获得当前帧待检测信号的Nwap个滑动窗FFT结果。对滑动窗FFT结果取模平方求平均，获得待检测信号的周期谱。
步骤4：
(401)利用形态滤波精确估计信号频谱的噪声基底，通过公式(1)对信号周期谱进行谱拉平、白化处理，消除信号的杂散点和毛刺。
SigxSpecL＝X_fft-noiseFloorL (1)
式中，X_ff为信号周期谱，noiseFloorL为估计的噪声基底，SigxSpecL为白化处理后的信号周期谱。
步骤5：
(501)初始化信号频谱搜索窗长nLocalSpan、合并标识tagMerge、搜索频谱起始位置ii等参数；
(502)如果ii≤n，则执行步骤(503)，否则结束。其中，n为信号频谱个数；
(503)如果tagMerge＝0，则在[st ed]范围内搜索局部峰值及其位置(其中，st＝ii-nLocalSpan；ed＝ii+nLocalSpan)，局部峰值未超过门限的话，ii＝ed+1，返回执行步骤(502)，超过门限的话执行步骤(504)；如果tagMerge≠0，则执行步骤(504)；
(504)如果局部最大值的位置localMaxp＝ii，则确定搜索信号左右边界的门限(局部峰值localMaxv*0.3)，搜索左边界和右边界，如果在搜索右边界的过程中遇到更高的峰值，则令tagMerge＝1，更新局部峰值及其位置，如果在搜索右边界的过程中没有遇到更高的峰值，则确定信号频谱的左右边界。如果localMaxp≠ii，则执行步骤(506)；
(505)如果tagMerge＝0，则更新ii＝redge。其中，redge为信号频谱右边界。若当前信号左边界ledge与前一信号右边界curPos不交叠，则更新前一信号右边界，并计算当前信号信噪比，满足信噪比门限minSnrThd的话，记录信号的频率、带宽、信噪比等参数；
(506)更新ii，ii＝ii+1，返回执行步骤(502)。
步骤6：
(601)若当前帧信号未检测到通信信号，且上一帧信号也未检测到通信信号(即lastHasFlag＝0)，则执行步骤(7)；若当前帧信号检测到通信信号，而上一帧信号未检测到通信信号(即lastHasFlag＝0)，则执行步骤(8)；若当前帧信号检测到通信信号，且上一帧信号也检测到通信信号(即lastHasFlag＝1)，则执行步骤(9)；若当前帧信号未检测到通信信号，而上一帧信号检测到通信信号(即lastHasFlag＝1)，则执行步骤(10)。
步骤7：
(701)更新第一帧信号检测标志的值(FirstFlag＝0)，保存当前帧信号头部滑动窗步距dt时长的信号，返回执行步骤(2)。
步骤8：
(801)更新第一帧信号检测标志、上一帧信号有无标志的值(FirstFlag＝0，lastHasFlag＝1)，信号捕获开始，保存当前帧信号，记录信号开始时间和起止频率，返回执行步骤(2)。
步骤9：
(901)更新第一帧信号检测标志的值(FirstFlag＝0)，保存当前帧尾部滑动窗步距时长的信号，记录信号起止频率，返回执行步骤(2)。
步骤10：
(1001)更新第一帧信号检测标志、上一帧信号有无标志、信号提取标志的值(FirstFlag＝1，lastHasFlag＝0，getSigFlag＝1)，信号捕获完成，保存当前帧尾部滑动窗步距时长的信号，记录信号截止时间和起止频率，执行步骤(11)。
步骤11：
(1101)根据信号宽带检测估计的信号起止频率，对完整捕获的通信信号进行带通滤波，滤除带外噪声。
步骤12：
(1201)利用多窗谱估计的改进谱减算法对带通滤波后的通信信号进行谱减降噪处理，提高信号信噪比。
步骤13：
(1301)利用双滑窗提取算法对降噪处理后的通信信号进行提取，获取通信信号的精确起止时间，更新信号提取标志的值(getSigFlag＝0)，返回执行步骤(2)。
总之，本发明设计了一套完整的低信噪比下水声通信信号实时检测提取流程，不仅降低了信号频谱检测时高虚警的问题，还通过谱减降噪处理，降低了双滑窗提取算法对信号高信噪比的需求，实现了低信噪比下水声通信信号的实时检测提取能力，是对现有技术的一种重要改进。

Claims (4)

1.一种低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)变量初始化，包括平均周期图积分时间长度、滑动窗长、滑动窗步距、第一帧信号检测标志、上一帧信号有无标志、信号提取标志的初始化；
(2)根据第一帧信号检测标志的值，采用不同方式从原始采样信号缓存中读取信号生成待检测信号；
(3)对生成的待检测信号进行平均周期图时间累积，获取信号周期谱；
(4)对信号周期谱进行形态滤波，精确估计信号频谱的噪声基底；利用获取的噪声基底对信号进行白化处理，消除信号的杂散点和毛刺；
(5)对白化处理后的信号进行宽带信号检测，检测当前帧信号有无通信信号，若检测到通信信号，则估计信号的载频、带宽、信噪比；
(6)若当前帧信号未检测到通信信号，且上一帧信号也未检测到通信信号，则执行步骤(7)；若当前帧信号检测到通信信号，而上一帧信号未检测到通信信号，则执行步骤(8)；若当前帧信号检测到通信信号，且上一帧信号也检测到通信信号，则执行步骤(9)；若当前帧信号未检测到通信信号，而上一帧信号检测到通信信号，则执行步骤(10)；
(7)更新第一帧信号检测标志的值，保存当前帧信号头部滑动窗步距时长的信号，返回执行步骤(2)；
(8)更新第一帧信号检测标志、上一帧信号有无标志的值，信号捕获开始，保存当前帧信号，记录信号开始时间和起止频率，返回执行步骤(2)；
(9)更新第一帧信号检测标志的值，保存当前帧尾部滑动窗步距时长的信号，记录信号起止频率，返回执行步骤(2)；
(10)更新第一帧信号检测标志、上一帧信号有无标志、信号提取标志的值，信号捕获完成，保存当前帧尾部滑动窗步距时长的信号，记录信号截止时间和起止频率，执行步骤(11)；
(11)根据信号宽带检测估计的信号起止频率，对完整捕获的通信信号进行带通滤波，滤除带外噪声；
(12)对带通滤波后的通信信号进行谱减降噪处理，提高信号信噪比；
(13)对降噪处理后的通信信号进行提取，获取通信信号的精确起止时间，更新信号提取标志的值，返回执行步骤(2)。
2.根据权利要求1所述的一种低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法，其特征在于，步骤(2)的具体方式为：
(201)若第一帧信号检测标志的值为1，则直接从原始采样信号缓存中读取平均周期图积分时间t_ap长度的信号作为待检测信号；
(202)若第一帧信号检测标志的值为0，则更新滑动窗步距dt长度信号，即舍去上一帧待检测信号头部滑动窗步距dt长度的信号，尾部添加从原始采样信号缓存中读取的新的滑动窗步距dt长度的信号。
3.根据权利要求2所述的一种低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法，其特征在于，步骤(3)的具体方式为：
(301)若第一帧信号检测标志的值为1，则对待检测信号直接进行滑动窗FFT，即取滑动窗长t_sw长度信号进行FFT计算，完成后滑动dt长度，继续取t_sw长度信号进行FFT计算，直至完成平均周期图积分时间t_ap长度信号的FFT计算，获得Nwap个滑动窗FFT结果；对滑动窗FFT结果取模平方求平均，获得待检测信号的周期谱；
(302)若第一帧信号检测标志的值为0，则只对待检测信号尾部t_sw长度信号进行FFT计算，将该FFT计算结果添加至上一帧待检测信号的Nwap个滑动窗FFT结果尾部，并移除头部的1个滑动窗FFT结果，获得当前帧待检测信号的Nwap个滑动窗FFT结果；对滑动窗FFT结果取模平方求平均，获得待检测信号的周期谱。
4.根据权利要求3所述的一种低信噪比下水声通信信号实时检测提取方法，其特征在于，步骤(5)中对白化处理后的信号进行宽带信号检测的具体方式为：
(501)初始化信号频谱搜索窗长nLocalSpan、合并标识tagMerge、搜索频谱起始位置ii；
(502)如果ii≤n，则执行步骤(503)，否则结束；其中，n为信号频谱个数；
(503)如果tagMerge＝0，则在[st ed]范围内搜索局部峰值及其位置，其中，st＝ii-nLocalSpan，ed＝ii+nLocalSpan；若局部峰值未超过门限，则ii＝ed+1，返回执行步骤(502)，若超过门限，则执行步骤(504)；如果tagMerge≠0，则执行步骤(504)；
(504)如果局部最大值的位置localMaxp＝ii，则确定搜索信号左右边界的门限为局部峰值localMaxv*0.3，搜索左边界和右边界，如果在搜索右边界的过程中遇到更高的峰值，则令tagMerge＝1，更新局部峰值及其位置，如果在搜索右边界的过程中没有遇到更高的峰值，则确定信号频谱的左右边界；如果localMaxp≠ii，则执行步骤(506)；
(505)如果tagMerge＝0，则更新ii＝redge，其中，redge为信号频谱右边界；若当前信号左边界ledge与前一信号右边界curPos不交叠，则更新前一信号右边界，并计算当前信号信噪比，若满足信噪比门限minSnrThd，则记录信号的频率、带宽、信噪比；
(506)更新ii，即ii＝ii+1，然后返回执行步骤(502)。
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