CN114584433B - 一种脉冲噪声环境下多途信道中的同步信号检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种脉冲噪声环境下多途信道中的同步信号检测方法，包括：输入接收信号序列；利用鲁棒正交匹配追踪ROMP估计多途信道及重构接收信号，构造非参数化的伪相关检测器PCD进行检测；判断检测统计量是否大于阈值。若检测统计量大于阈值，则同步信号存在，检测结束；若检测统计量小于阈值，则不存在同步信号，此时返回步骤一更新接收信号序列继续检测。本发明克服脉冲噪声和多途信道对信号检测的影响，可以抑制脉冲噪声的影响同时利用多途信息提高检测概率。

Description

一种脉冲噪声环境下多途信道中的同步信号检测方法
技术领域
本发明涉及一种信号检测方法，属于水声信号处理领域。更确切地说是在脉冲噪声环境下，检测受多途信道影响的同步信号的方法。
背景技术
水声通信中，接收端数据处理的前提条件是准确判定有用信号是否到达及何时到达，信号检测成为一个重要环节。传统的信号检测方法往往假设背景噪声服从高斯分布，但水声信号在传播过程中经常会受到脉冲噪声的干扰。典型的脉冲声源包括极区冰层破裂或撞击产生的噪声和浅海海域鼓虾产生的生物噪声等，脉冲的存在使得这类噪声的概率密度函数不再服从高斯分布。此时，传统的基于二阶矩的检测算法性能严重下降。
受海底海面反射的影响，水声信号在传播过程中的时延可达几十甚至数百毫秒，多途严重。传统检测方法并未考虑多途带来的影响，这在一定程度上造成检测性能损失。因此，为了抑制脉冲噪声的影响，同时充分利用信道多途信息，本发明提出脉冲噪声环境下受多途信道影响的同步信号检测方法。
发明内容
本发明的目的是为克服脉冲噪声和多途信道对信号检测的影响而提供的一种信号检测方法，可以抑制脉冲噪声的影响同时利用多途信息提高检测概率。
本发明的目的是这样实现的：步骤如下：
步骤一：输入接收信号序列；
步骤二：利用鲁棒正交匹配追踪ROMP估计多途信道及重构接收信号，
步骤三：构造非参数化的伪相关检测器PCD进行检测；
步骤四：判断检测统计量是否大于阈值。若检测统计量大于阈值，则同步信号存在，检测结束；若检测统计量小于阈值，则不存在同步信号，此时返回步骤一更新接收信号序列继续检测。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.步骤二的具体流程如下：
(a)输入接收信号、字典矩阵、稀疏度，初始化迭代次数、残差、原子索引集合及信道估计值；
(b)计算残差尺度估计值；
(c)将残差尺度化，得到伪残差值；
(d)计算伪残差与各原子的内积并选择内积最大的原子，将它放入原子索引集合中；
(e)计算信道的估计值，更新残差；
(f)若迭代次数未达到预设稀疏度，返回(b)继续迭代；否则，返回重构信号。
2.PCD的具体实现如下：
NP准则下，二元假设检验模型为：
H0:y[n]＝w[n]
H1:y[n]＝Ah[n]+w[n]
其中，y[n]＝[y[n-N+1],...y[n]]T为接收信号，N为当前处理块长度；w[n]＝[w[n-N+1],...w[n]]T为脉冲噪声，为发送信号矩阵，D＝N-NT为最大时延，A的第i(0≤i≤D-1)列由发送信号s的延时构成，即/>h[n]是长度为D的信道冲激响应；H1表示存在同步信号，H0表示不存在同步信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)二元假设检验模型中综合考虑了脉冲噪声和多途信道的影响；(2)与正交匹配追踪(OMP)相比，ROMP能抑制脉冲噪声的影响，准确地重构接收信号；(3)PCD利用了信道的多途信息，带来检测性能的提升，同时它操作简单，计算量低；(4)本发明适用于极区通信，能抵抗由冰层破裂或撞击产生的脉冲噪声，在复杂的极区环境中保持鲁棒性。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为ROMP和OMP对比图；
图3为特征指数α＝1.5的SαS噪声中不同检测器性能对比图；
图4为特征指数α＝1.9的SαS噪声中不同检测器性能对比图；
图5为实测鼓虾噪声中不同检测器性能对比图；
图6为ROMP流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的目的是这样实现的：
步骤一：输入接收信号序列；
步骤二：利用鲁棒正交匹配追踪(ROMP)估计多途信道及重构接收信号，具体流程如下：
(a)输入接收信号、字典矩阵、稀疏度，初始化迭代次数、残差、原子索引集合及信道估计值；
(b)计算残差尺度估计值；
(c)将残差尺度化，得到伪残差值；
(d)计算伪残差与各原子的内积并选择内积最大的原子，将它放入原子索引集合中；
(e)计算信道的估计值，更新残差；
(f)若迭代次数未达到预设稀疏度，返回步骤(b)继续迭代；否则，返回重构信号。
步骤三：构造非参数化的伪相关检测器(PCD)进行检测；
步骤四：判断检测统计量是否大于阈值。若检测统计量大于阈值，则同步信号存在，检测结束；若检测统计量小于阈值，则不存在同步信号，此时返回步骤(1)更新接收信号序列继续检测。
本发明的PCD的具体实现如下：
NP准则下，二元假设检验模型为：
H0:y[n]＝w[n]
H1:y[n]＝Ah[n]+w[n]
其中，y[n]＝[y[n-N+1],...y[n]]T为接收信号，N为当前处理块长度。w[n]＝[w[n-N+1],...w[n]]T为脉冲噪声，这里假设服从对称α稳定分布(SαS)。为发送信号矩阵，D＝N-NT为最大时延，A的第i(0≤i≤D-1)列由发送信号s的延时构成，即h[n]是长度为D的信道冲激响应。H1表示存在同步信号，H0表示不存在同步信号。
为充分考虑多途传播对检测性能的影响，有必要先估计出信道结构。利用水声信道的稀疏特性，采用基于压缩感知的鲁棒信道估计方法，图6的表为ROMP流程。
输入：接收信号y，字典矩阵A，稀疏度L；
初始化：迭代次数i＝0，残差ei＝y，原子索引集合信道估计值/>
步骤1：计算尺度估计值
步骤2：将残差尺度化，得到伪残差值
步骤3：计算伪残差与各原子的内积并选择最大的原子，即将i放入集合S中，即S＝S∪{i}，i＝i+1；
步骤4：计算信道M估计更新残差/>
步骤5：若i≤L，返回步骤1；否则，返回重构信号
其中，步骤2中的φ(·)是代价函数f(·)的导数，步骤4中的MFIT(·)表示通过迭代最小二乘方法求信道估计值，w(x)＝φ(x)/x为权重函数。ROMP和OMP对比如图2所示，可以看到ROMP的代价函数根据残差的大小变化。对于大残差，f(·)是有界的常函数，对于小误差，f(·)类似于平方函数。这样，与OMP相比，它在保持算法性能的同时有效降低了脉冲噪声的影响。
本发明提出非参数化PCD检测，检测统计量为：
可以看到，与SCD的检测统计量T(y)＝sTsign(y)相比，PCD的不同主要体现在(1)将符号函数sign(·)用φ(·)代替以保留更多原始接收信号的信息；(2)考虑了信道多途对检测的影响。实际上，当代价函数f(e)＝|e|，ROMP迭代次数为1时，PCD退化为SCD。将检测统计量T(y)与预设阈值γ比较，若T(y)＞γ，H1成立，存在同步信号；否则，接收信号中只存在噪声。
结合具体参数给出本发明的仿真研究：
仿真条件：稀疏水声信道的多途个数为20，相邻路径时延差服从均值为1ms的指数分布，平均时延为20ms。每条路径的幅度是独立的瑞利分布，平均能量随时延的增加指数衰减，从第0到第20ms的能量差是15dB。同步信号为线性调频(LFM)信号，频带范围2-6kHz，持续时间100ms。利用能量噪声比ENR＝10log(ES/2δ2)dB表征信号和噪声之间的相对关系，其中ES为LFM的能量，2δ2为SαS噪声方差。接收端N＝200ms，信道延时长度D＝100ms。
设SαS噪声特征指数为α＝1.5和α＝1.9，虚警概率PFA＝1e-4，检测概率随能量噪声比的变化分别如图3和图4所示。其中，“L＝1”表示迭代次数为1，此时未利用多途信息；“L＝3”表示信道估计迭代次数为3；“LLR”是NP准则下的最优检测，需要已知噪声的概率密度函数，可以作为检测性能的基准；“ACC”表示利用OMP估计信道后构造的累计相关检测。从结果可以看到(1)基于OMP的方法在脉冲噪声中不鲁棒，尤其是α＝1.5这种强脉冲环境中。在α＝1.9这类弱脉冲噪声中，它的检测性能有所提升，但是仍然逊于ROMP下的检测性能。ROMP能抑制脉冲噪声的干扰，具有强鲁棒性。(2)PCD性能稍逊于LLR最优检测，但它不需要利用噪声分布的先验信息，计算量小。(3)利用信道多途信息后的检测性能(L＝3)优于未利用多途信息的性能(L＝1)。
在实测鼓虾噪声中比较各检测器的性能。鼓虾噪声的持续时间为1300s，选择前900s数据作为H0假设下的噪声，计算阈值；后400s数据作为H1假设下的噪声，计算检测概率。其中，虚警概率设为PFA＝2e-3，检测结果如图5。该结果与仿真SαS中结果类似，证实了传统OMP算法性能的退化，基于ROMP的PCD检测器的鲁棒性以及利用信道多途信息后性能的提升。

Claims (2)

1.一种脉冲噪声环境下多途信道中的同步信号检测方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：输入接收信号序列；
步骤二：利用鲁棒正交匹配追踪ROMP估计多途信道及重构接收信号，
步骤三：构造非参数化的伪相关检测器PCD进行检测；
输入：接收信号y，字典矩阵A，稀疏度L；
初始化：迭代次数i＝0，残差ei＝y，原子索引集合信道估计值/>
步骤3.1：计算尺度估计值
步骤3.2：将残差尺度化，得到伪残差值φ(·)是代价函数f(·)的导数；
步骤3.3：计算伪残差与各原子的内积并选择最大的原子，即将i放入集合S中，即S＝S∪{i}，i＝i+1；
步骤3.4：计算信道M估计更新残差/>MFIT(·)表示通过迭代最小二乘方法求信道估计值，w(x)＝φ(x)/x为权重函数；
步骤3.5：若i≤L，返回步骤3.1；否则，返回重构信号
步骤3.6：非参数化PCD检测，检测统计量为：
将检测统计量T(y)与预设阈值γ比较，若T(y)>γ，存在同步信号；否则，接收信号中只存在噪声；
步骤四：判断检测统计量是否大于阈值；若检测统计量大于阈值，则同步信号存在，检测结束；若检测统计量小于阈值，则不存在同步信号，此时返回步骤一更新接收信号序列继续检测。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲噪声环境下多途信道中的同步信号检测方法，其特征在于，步骤二的具体流程如下：
(a)输入接收信号、字典矩阵、稀疏度，初始化迭代次数、残差、原子索引集合及信道估计值；
(b)计算残差尺度估计值；
(c)将残差尺度化，得到伪残差值；
(d)计算伪残差与各原子的内积并选择内积最大的原子，将它放入原子索引集合中；
(e)计算信道的估计值，更新残差；
(f)若迭代次数未达到预设稀疏度，返回(b)继续迭代；否则，返回重构信号。
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