CN114812790B - 一种声信号处理抗干扰的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种声信号处理抗干扰的方法,方法包括以下步骤:通过声学换能器采集目标辐射声信号,并对声信号进行去直流、前置放大处理;利用电路系统将声信号同时分为两个通道进行处理,每个通道进行不同频段分析处理;利用信号处理系统的计算核心对两个通道的数据进行实时分析,并根据算法及时识别、剔除干扰分量;利用最小二乘原理进行数据拟合,并根据拟合结果计算出插值,补齐剔除的能量值,实现对信号的抗干扰处理。本发明能够快速有效地对声信号进行捕捉,高动态地对干扰信号进行实时监测、计算,并将其剔除,同时利用数据分析对目标信号特征进行拟合,几乎无损地模拟出原信号,实现高动态、高还原的抗干扰信号处理。
Description
技术领域
本发明涉及声学信号采集与信号处理技术领域,尤其是一种声信号处理抗干扰的方法及装置。
背景技术
声学信号采集一般利用换能器作为传感器件,将声信号的振动能量转换为电能量,后端利用嵌入式电路系统对转换后的电能量进行放大,滤波,数字化等处理,经过数字化后的声信号可方便提取所携带的信息,从而实现对目标的探测与识别功能。
上述采集及信号处理过程中,不可避免地受到各种干扰的影响。干扰信号以能量的形式混入采集信号中,使得原信号发生变形,甚至淹没在背景噪声中。如何在信号采集与处理过程中有效识别出干扰能量并将其剔除的抗干扰技术,是当前声学信号处理领域的研究热门。
实际应用中,根据具体需求选取特定的频率段作为研究对象,上述抗干扰问题演变成了在特定频率段内对噪声信号的识别与剔除。这往往带来新的困难,其一是特定频率段带宽有限,难以对干扰信号进行捕捉,其二是大量干扰信号集中在低频段,这些干扰信号通过倍频分量对我们的工作频段造成污染。
发明内容
为了解决现有技术中的问题,本发明提供了一种声信号处理抗干扰的方法及装置。
本发明的技术方案为:一种声信号处理抗干扰的方法,包括以下步骤:
Step1、通过声学换能器采集目标辐射声信号,并对声信号进行去直流及前置放大处理,并传输至信号处理电路系统;
Step2、利用信号处理电路系统将声信号同时分为两个不同频段的通道进行处理,每个通道均对声信号进行滤波、放大、AD转换、FFT变换及能量值计算;
Step3、利用信号处理电路系统的计算核心对两个不同频段的通道的数据进行实时分析,并根据算法及时识别、剔除干扰分量;
Step4、信号处理电路系统的计算核心利用最小二乘原理进行数据拟合,并根据拟合结果计算出插值,补齐Step3中剔除的能量值,实现对信号的抗干扰处理。
作为上述技术方案的进一步改进:
优选地,所述声学换能器包括但不仅限于空气声学换能器与水声声学换能器。
优选地,所述声学换能器具备宽频带接收特性,并且接收灵敏度-12dB衰减对应的频带宽度大于100kHz,使得声学换能器可覆盖高、低两个工作频带。
优选地,采用两个不同频率特性的所述声学换能器进行采集,在两个所述声学换能器后端增加模拟信号叠加模块,使得两路信号合成一路,保证信号处理的同步性。
优选地,两个所述不同频段的通道为高频信息处理通道与低频信息处理通道,所述高频信息处理通道为主工作频带,所述低频信息处理通道为辅助频带,所述高频信息处理通道内的高频带核心频率为低频信息处理通道内的低频带核心频率倍频。
优选地,两个所述不同频段的通道内的频带根据声学换能器的频率特性,进行增益补偿,使得两个所述不同频段的通道内采集的信号幅值在硬件电路的处理范围内。
优选地,所述Step3中对两个不同频段的通道的数据进行实时分析的具体步骤为:
Step31、为两个所述不同频段的通道数字信号标记同步时间戳;
Step32、为低频段的通道数据建立稳定值门限,该门限计算公式为:
Kgate=(K1+K2+K3+K4+....+KN)/N
其中,Kgate为稳定值门限,KN为一个计算周期内的数据平滑值,N的大小根据计算周期大小、系统实时性要求取值;
Step33、实时监测低频段的通道数据,当低频段的通道数据超过门限,则根据相应时间戳把高频段的通道数据进行剔除。
一种用于声信号处理抗干扰的装置,包括:
宽频带声采集传感器,所述宽频带声采集传感器具有较宽工作频段,可同时覆盖高、低两个频率段;
传输电缆,用于将所述宽频带声采集传感器采集到的声信号传输给声处理电路系统;
声处理电路系统,所述声处理电路系统具有两个信号处理通路,分别处理高、低两个频率段的信号,完成滤波、放大、数模转换、FFT运算工作;
电源系统,所述电源系统为整个装置提供电能。
作为上述技术方案的进一步改进:
优选地,还包括模拟信号叠加模块与增益控制模块,所述模拟信号叠加模块设于声处理电路系统前端,当所述宽频带声采集传感器采用双传感器进行数据采集,所述模拟信号叠加模块将两路采集器的信号合成一路,所述声处理电路系统内设有增益控制模块,调节接收信号的幅度。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1.本发明与现有技术相比,能够快速有效地对声信号进行捕捉,高动态地对干扰信号进行实时监测、计算,并将其剔除,同时利用数据分析对目标信号特征进行拟合,几乎无损地模拟出原信号,实现高动态、高还原的抗干扰信号处理
2.本发明提供的方法及装置能够根据主工作频段对可能产生干扰的低频段进行主动监测,通过在低频段捕捉到的干扰能量,有效剔除工作频段的能量值,达到抗干扰的目的。
3.本发明能够根据剔除信号的历史数据,利用最小二乘原理,进行数据的二阶拟合,最大程度地还原目标信号。
4.本发明提供的装置能够快速捕捉干扰信号,能在干扰背景下有效提取目标特征信号,提高了信号处理的信噪比。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图;
图2是本发明的宽频带声采集传感器特性坐标示意图;
图3是本发明的实施例1结构示意图;
图4是本发明的实施例1方法流程示意图;
图5是本发明的实施例2结构示意图;
图6是本发明的实施例2方法流程示意图;
图7是本发明的高频信息处理通道与低频信息处理通道倍频坐标示意图。
图8是本发明的为不同频段的通道数字信号标记同步时间戳示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的描述中,需要理解的是,术语中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了方便描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位,以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制,本发明中各实施例的技术方案可进行组合,实施例中的技术特征亦可进行组合形成新的技术方案。
实施例1
请参阅图1所示,本发明提供如下技术方案:一种用于声信号处理抗干扰的装置,包括宽频带声采集传感器1、传输电缆2、声处理电路系统3、电源系统4。
宽频带声采集传感器1具有较宽工作频段,可同时覆盖高、低两个频率段,其通过传输电缆2将采集到的声信号(模拟信号)传输给声处理电路系统3,宽频带声采集传感器1应具备宽频带接收特性,其接收灵敏度12dB衰减对应的频带宽度应大于100kHz,使得其可覆盖高、低两个工作频带,如附图2所示。
声处理电路系统3应具有两个信号处理通路,分别处理高、低两个频率段的信号,完成滤波、放大、数模转换、FFT运算等工作。如宽频带声采集传感器1采用双传感器进行数据采集时,声处理电路系统3前端需增加模拟信号叠加模块,将两路采集器的信号合成一路。声处理电路系统3也可增加增益控制模块,调节接收信号的幅度。
电源系统4为整个装置提供电能。
实施例2
请参阅图3与图4所示,本发明提供如下技术方案:一种水下信号处理抗干扰的方法包括以下步骤:
S1:通过水声换能器采集目标辐射声信号,并对声信号进行去直流、前置放大处理,该系统主工作频率段45kHz~55kHz,辅助低频率段选为20kHz~30kHz,水声换能器-12dB灵敏度波动范围为10kHz~80kHz;
S2:利用信号处理电路将声信号同时分为两个不同频段的通道进行处理,每个通道进行滤波、放大,AD转换、FFT变换、能量值计算等,其中主工作频段滤波频率45kHz~55kHz,带外抑制比6dB,辅助低频段滤波频率20kHz~30kHz,带外抑制比6dB。两个通道放大增益50dB,AD转换采样率200kHz,数据精度16位;
S3:利用信号处理电路的计算核心对两个通道的数据进行实时分析,并根据算法及时识别、剔除干扰分量;
S4:利用最小二乘原理进行数据拟合,并根据拟合结果计算出插值,补齐S3中剔除的能量值,实现对信号的抗干扰处理。
实施例3
请参阅图5与图6所示,本发明提供如下技术方案:为本发明提供的一种空气声信号抗干扰方法,包括以下步骤:
S1:通过两个空气声换能器采集目标辐射声信号,并对声信号进行去直流、前置放大处理,该系统主工作频率段190kHz~210kHz,辅助低频率段选为5kHz~15kHz,由于两个频段跨度过大,无法用一个空气声换能器覆盖,故采用两个换能器进行同时采集。
S2:利用信号处理电路需先将两路采集信号叠加成一路,然后同时分为两个不同频段的通道进行处理,每个通道进行滤波、放大,AD转换、FFT变换、能量值计算等;其中信号叠加相位差应小于10°,主工作频段滤波频率190kHz~210kHz,带外抑制比6dB,辅助低频段滤波频率5kHz~15kHz,带外抑制比6dB。两个通道放大增益50dB,AD转换采样率500kHz,数据精度8位;
S3:利用信号处理电路的计算核心对两个通道的数据进行实时分析,并根据算法及时识别、剔除干扰分量;
S4:利用最小二乘原理进行数据拟合,并根据拟合结果计算出插值,补齐S3中剔除的能量值,实现对信号的抗干扰处理。
本发明的工作原理:
1、根据最小二乘原理进行二阶拟合,取剔除数据前的N个数据,计算出如下公式中的系数a,b,c;
根据最小二乘原理进行二阶拟合,取剔除数据前的N个数据,计算出如下公式中的系数a,b,c;
其中xi为时间戳,yi为数据值。
系数a,b,c计算公式如下:
其中
最后算出剔除点的拟合值,替换剔除值。
2、如附图7所示,高频信息处理通道内的高频带核心频率为低频信息处理通道内的低频带核心频率倍频。
3、实施例1与实施例2中S3步骤的详细步骤为:
S31:为两路数字信号标记同步时间戳,如附图8所示,
S32:为低频段数据建立稳定值门限,该门限计算公式为:
Kgate=(K1+K2+K3+K4+....+KN)/N
其中,Kgate为稳定值门限,KN为一个计算周期内的数据平滑值,N的大小根据计算周期大小、系统实时性要求取值,一般考虑N取值范围50~100,或门限建立总时间≤1s。
S33:实时监测低频段数据,当低频段数据超过门限,则根据相应时间戳把高频段数据进行剔除。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种声信号处理抗干扰的方法,其特征在于,包括以下步骤:
Step1、通过声学换能器采集目标辐射声信号,并对声信号进行去直流及前置放大处理,并传输至信号处理电路系统;
Step2、利用信号处理电路系统将声信号同时分为两个不同频段的通道进行处理,每个通道均对声信号进行滤波、放大、AD转换、FFT变换及能量值计算;
Step3、利用信号处理电路系统的计算核心对两个不同频段的通道的数据进行实时分析,并根据算法及时识别、剔除干扰分量;
Step4、信号处理电路系统的计算核心利用最小二乘原理进行数据拟合,并根据拟合结果计算出插值,补齐Step3中剔除的能量值,实现对信号的抗干扰处理;
所述Step3中对两个不同频段的通道的数据进行实时分析的具体步骤为:
Step31、为两个所述不同频段的通道数字信号标记同步时间戳;
Step32、为低频段的通道数据建立稳定值门限,该门限计算公式为:
Kgate=(K1+K2+K3+K4+....+KN)/N
其中,Kgate为稳定值门限,KN为一个计算周期内的数据平滑值,N的大小根据计算周期大小、系统实时性要求取值;
Step33、实时监测低频段的通道数据,当低频段的通道数据超过门限,则根据相应时间戳把高频段的通道数据进行剔除。
2.根据权利要求1所述的声信号处理抗干扰的方法,其特征在于,所述声学换能器包括但不仅限于空气声学换能器与水声声学换能器。
3.根据权利要求1或2所述的声信号处理抗干扰的方法,其特征在于,所述声学换能器具备宽频带接收特性,并且接收灵敏度-12dB衰减对应的频带宽度大于100kHz,使得声学换能器可覆盖高、低两个工作频带。
4.根据权利要求3所述的声信号处理抗干扰的方法,其特征在于,采用两个不同频率特性的所述声学换能器进行采集,在两个所述声学换能器后端增加模拟信号叠加模块,使得两路信号合成一路,保证信号处理的同步性。
5.根据权利要求1所述的声信号处理抗干扰的方法,其特征在于,两个所述不同频段的通道为高频信息处理通道与低频信息处理通道,所述高频信息处理通道为主工作频带,所述低频信息处理通道为辅助频带,所述高频信息处理通道内的高频带核心频率为低频信息处理通道内的低频带核心频率倍频。
6.根据权利要求5所述的声信号处理抗干扰的方法,其特征在于,两个所述不同频段的通道内的频带根据声学换能器的频率特性,进行增益补偿,使得两个所述不同频段的通道内采集的信号幅值在硬件电路的处理范围内。
7.根据权利要求1所述的声信号处理抗干扰的方法,其特征在于,还包括用于声信号处理抗干扰的装置,所述用于声信号处理抗干扰的装置包括:
宽频带声采集传感器,所述宽频带声采集传感器具有较宽工作频段,可同时覆盖高、低两个频率段;
传输电缆,用于将所述宽频带声采集传感器采集到的声信号传输给声处理电路系统;
声处理电路系统,所述声处理电路系统具有两个信号处理通路,分别处理高、低两个频率段的信号,完成滤波、放大、数模转换、FFT运算工作;
电源系统,所述电源系统为整个装置提供电能。
8.根据权利要求7所述的声信号处理抗干扰的方法,其特征在于,还包括模拟信号叠加模块与增益控制模块,所述模拟信号叠加模块设于声处理电路系统前端,当所述宽频带声采集传感器采用双传感器进行数据采集,所述模拟信号叠加模块将两路采集器的信号合成一路,所述声处理电路系统内设有增益控制模块,调节接收信号的幅度。
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