CN115941084A - 基于时频图模板匹配的水声通信前导信号检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提出了一种基于时频图模板匹配的水声通信前导信号检测方法及装置，涉及水声通信领域，包括：获取接收信号，基于带通滤波器对接收信号进行滤波处理，确定中间信号；根据双滑动窗法对中间信号进行时域双滑动窗检测，确定突发信号；基于时频分析技术，对突发信号进行时域和频域的联合观测，得到时频谱图；根据前导信号的时频特征设计预设模板，将预设模板在时频谱图内滑动，根据时频谱图与预设模板的匹配情况，确定是否存在前导信号。本申请基于前导信号的频率特征设计带通滤波器，通过双滑动窗算法与时频图模板匹配方法实现复杂水声信道环境下的水声通信前导信号检测，检测性能优异，具有很强的应用价值。
Description
技术领域
本申请涉及水声通信领域，尤其涉及一种基于时频图预设模板匹配的水声通信前导信号检测方法及装置。
背景技术
海洋是孕育生命的摇篮，更是巨大的资源宝库。海洋资源的开发和利用，对缓解资源紧缺现状、促进国民经济发展具有重要意义。近些年随着水下应用设备的不断增加，海洋信息传输需求大幅增长。水声通信是水下远距离信息传输的主要方式，在海底资源探测、海洋环境开发及军事、国防等领域都发挥了重要作用。
前导信号检测是水声通信的关键环节，只有成功检测到前导信号，接收机才能进行后续的通信数据处理。前导信号检测性能对通信质量具有重要影响，信号虚警会导致数据量上升，增加非必要的功耗，造成通信资源的浪费；信号漏检则会导致有效数据丢失，造成通信失败。因此，如何提升前导信号检测的有效性和准确性，是水声通信中的一个关键问题。
发明内容
针对上述问题，提出了一种基于时频图模板匹配的水声通信前导信号检测方法及装置。
本申请第一方面提出基于时频图模板匹配的水声通信前导信号检测方法，包括：
获取接收信号，基于带通滤波器对所述接收信号进行滤波处理，确定中间信号；
根据双滑动窗法对所述中间信号进行时域双滑动窗检测，确定突发信号；
基于时频分析技术，对所述突发信号进行时域和频域的联合观测，得到时频谱图；
根据前导信号的时频特征设计预设模板，将所述预设模板在所述时频谱图内滑动，根据所述时频谱图与所述预设模板的匹配情况，确定是否存在前导信号。
可选的，所述根据双滑动窗法对所述中间信号进行时域双滑动窗检测，确定突发信号，包括：
对于所述中间信号内相邻的窗1与窗2，当两个窗都处于噪声段时，前后两个窗的能量相等，当窗1滑动到信号段时，窗1的能量高于窗2，基于窗1与窗2能量比值的变化，确定所述突发信号。
可选的，所述根据所述时频谱图与所述预设模板的匹配情况，确定是否存在前导信号，包括：
计算所述时频谱图与所述预设模板重叠部分矩阵的归一化相关系数；
对所述归一化相关系数的最大值进行门限判决，确定是否存在前导信号。
可选的，根据以下公式计算所述归一化相关系数，包括：
，
其中，是矩阵第i行第j列的元素，是矩阵第i行第j列的元素。
所述对所述归一化相关系数的最大值进行门限判决，确定是否存在前导信号，包括：
若所述归一化相关系数的最大值不小于预设值，则存在前导信号；
若所述归一化相关系数的最大值小于预设值，则不存在前导信号。
本申请第二方面提出一种基于时频图模板匹配的水声通信前导信号检测装置，包括：
预处理模块，获取接收信号，基于带通滤波器对所述接收信号进行滤波处理，确定中间信号；
第一处理模块，根据双滑动窗法对所述中间信号进行时域双滑动窗检测，确定突发信号；
第二处理模块，基于时频分析技术，对所述突发信号进行时域和频域的联合观测，得到时频谱图；
判断模块，根据前导信号的时频特征设计预设模板，将所述预设模板在所述时频谱图内滑动，根据所述时频谱图与所述预设模板的匹配情况，确定是否存在前导信号。
本申请第三方面提出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述第一方面中任一所述的方法。
本申请第四方面提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面中任一所述的方法。
本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
首先通过双滑动窗算法，检测出接收信号中带内能量增加的片段，剔除大部分背景噪声，大幅降低数据量，然后利用时频图模板匹配方法，根据信号的时域和频域特征进行筛选与识别，有效降低其他信号和干扰对检测性能的影响，实现复杂水声信道环境下的水声通信前导信号检测，检测性能优异，并有效解决算法应用中面临的计算量高、功耗浪费问题，具有很强的应用价值。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本申请实施例示出的一种基于时频图模板匹配的水声通信前导信号检测方法的流程图；
图2是根据本申请实施例示出的双滑动窗结构示意图；
图3是根据本申请实施例示出的前导信号频率随时间变化示意图；
图4是根据本申请实施例示出的预设模板的示意图；
图5是根据本申请实施例示出的滑动匹配过程示意图；
图6是根据本申请实施例示出的确定是否存在前导信号方法的流程图
图7是根据本申请实施例示出的两种方法的ROC曲线图；
图8是根据本申请实施例示出的一种基于时频图模板匹配的水声通信前导信号检测装置的框图；
图9是一种电子设备的框图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
目前水声通信前导信号检测通常采用归一化匹配滤波和能量检测两种方法，其中，归一化匹配滤波方法将接收信号与本地信号的相关系数作为判决量，实现信号检测，该方法抗噪声性能好，但无法有效对抗多径效应，在信道结构比较复杂的情况下，检测性能会明显降低；能量检测方法通过接收数据的能量变化情况进行检测，受多径影响较小，但易被其他信号和干扰影响，导致虚警率增加。
图1是根据本申请实施例示出的一种基于时频图模板匹配的水声通信前导信号检测方法的流程图，包括：
步骤101，获取接收信号，基于带通滤波器对接收信号进行滤波处理，确定中间信号。
本申请实施例中，根据前导信号的频率特征设计带通滤波器，对接收信号进行滤波处理，滤除通信频带外的能量，确定中间信号。
步骤102，根据双滑动窗法对中间信号进行时域双滑动窗检测，确定突发信号。
本申请实施例中，如图2所示，对于中间信号内相邻的窗1与窗2，当两个窗都处于噪声段时，前后两个窗的能量相等，当窗1滑动到信号段时，窗1的能量高于窗2，基于窗1与窗2能量比值的变化，确定突发信号。
步骤103，基于时频分析技术，对突发信号进行时域和频域的联合观测，得到时频谱图。
本申请实施例中，常用的时频分析技术包括短时傅里叶变换（STFT）、Gabor变换、Wigner-Ville分布、小波变换等。
一种可能的实施例中，本申请采用的时频分析技术为STFT。
步骤104，根据前导信号的时频特征设计预设模板，将预设模板在时频谱图内滑动，根据时频谱图与预设模板的匹配情况，确定是否存在前导信号。
本申请实施例中，基于向上扫频的双曲调频信号作为前导信号来设计预设模板，其中，前导信号频率随时间变化示意图如图3所示，设计后的预设模板如图4所示，滑动匹配的过程示意图如图5所示。
如图6所示，步骤104还包括：
步骤601，计算时频谱图与预设模板重叠部分矩阵的归一化相关系数。
本申请实施例中，对于两个同型矩阵与，归一化相关系数的计算公式如下：
，
其中，是矩阵第i行第j列的元素，是矩阵第i行第j列的元素。
步骤602，对归一化相关系数的最大值进行门限判决，确定是否存在前导信号。
本申请实施例中，选取归一化相关系数中的最大值与预设值进行门限判决，判决逻辑如下：
若归一化相关系数的最大值不小于预设值，则存在前导信号；
若归一化相关系数的最大值小于预设值，则不存在前导信号。
一种可能的实施例中，如图7所示，在通信机布放深度只有5米的情况下，根据本申请提出的检测方法与归一化匹配滤波法处理数据，通过调整预设值得到两种方法的ROC曲线，其中，横轴为虚警概率，纵轴为检测概率。
可以看出，与归一化匹配滤波方法相比，本申请所提出的检测方法能够实现更好的检测概率和更低的虚警概率，检测性能更优。
本申请实施例首先通过双滑动窗算法，检测出接收信号中带内能量增加的片段，剔除大部分背景噪声，大幅降低数据量，然后利用时频图模板匹配方法，根据信号的时域和频域特征进行筛选与识别，有效降低其他信号和干扰对检测性能的影响，实现复杂水声信道环境下的水声通信前导信号检测，检测性能优异，并有效解决算法应用中面临的计算量高、功耗浪费问题，具有很强的应用价值。
图8是根据本申请实施例示出的一种基于时频图模板匹配的水声通信前导信号检测装置800的框图，包括预处理模块810、第一处理模块820、第二处理模块830与判断模块840。
预处理模块，获取接收信号，基于带通滤波器对接收信号进行滤波处理，确定中间信号；
第一处理模块，根据双滑动窗法对中间信号进行时域双滑动窗检测，确定突发信号；
第二处理模块，基于时频分析技术，对突发信号进行时域和频域的联合观测，得到时频谱图；
判断模块，根据前导信号的时频特征设计预设模板，将预设模板在时频谱图内滑动，根据时频谱图与预设模板的匹配情况，确定是否存在前导信号。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
图9示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备900的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。
如图9所示，设备900包括计算单元901，其可以根据存储在只读存储器（ROM）902中的计算机程序或者从存储单元903加载到随机访问存储器（RAM）903中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 903中，还可存储设备900操作所需的各种程序和数据。计算单元901、ROM 902以及RAM 903通过总线904彼此相连。输入/输出（I/O）接口905也连接至总线904。
设备900中的多个部件连接至I/O接口909，包括：输入单元906，例如键盘、鼠标等；输出单元907，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元908，例如磁盘、光盘等；以及通信单元909，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元909允许设备900通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
计算单元901可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元901的一些示例包括但不限于中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）、各种专用的人工智能（AI）计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器（DSP）、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元901执行上文所描述的各个方法和处理，例如语音指令响应方法。例如，在一些实施例中，语音指令响应方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元908。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 902和/或通信单元909而被载入和/或安装到设备900上。当计算机程序加载到RAM 903并由计算单元901执行时，可以执行上文描述的语音指令响应方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元901可以通过其他任何适当的方式（例如，借助于固件）而被配置为执行语音指令响应方法。
本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、专用标准产品（ASSP）、芯片上系统的系统（SOC）、负载可编程逻辑设备（CPLD）、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或快闪存储器）、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置（例如，CRT（阴极射线管）或者LCD（液晶显示器）监视器）；以及键盘和指向装置（例如，鼠标或者轨迹球），用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈（例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈）；并且可以用任何形式（包括声输入、语音输入或者、触觉输入）来接收来自用户的输入。
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统（例如，作为数据服务器）、或者包括中间件部件的计算系统（例如，应用服务器）、或者包括前端部件的计算系统（例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互）、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信（例如，通信网络）来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网（LAN）、广域网（WAN）、互联网和区块链网络。
计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务（"Virtual Private Server"，或简称 "VPS"）中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。服务器也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于时频图模板匹配的水声通信前导信号检测方法，其特征在于，包括：
获取接收信号，基于带通滤波器对所述接收信号进行滤波处理，确定中间信号；
根据双滑动窗法对所述中间信号进行时域双滑动窗检测，确定突发信号；
基于时频分析技术，对所述突发信号进行时域和频域的联合观测，得到时频谱图；
根据前导信号的时频特征设计预设模板，将所述预设模板在所述时频谱图内滑动，根据所述时频谱图与所述预设模板的匹配情况，确定是否存在前导信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据双滑动窗法对所述中间信号进行时域双滑动窗检测，确定突发信号，包括：
对于所述中间信号内相邻的窗1与窗2，当两个窗都处于噪声段时，前后两个窗的能量相等，当窗1滑动到信号段时，窗1的能量高于窗2，基于窗1与窗2能量比值的变化，确定所述突发信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述时频谱图与所述预设模板的匹配情况，确定是否存在前导信号，包括：
计算所述时频谱图与所述预设模板重叠部分矩阵的归一化相关系数；
对所述归一化相关系数的最大值进行门限判决，确定是否存在前导信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据以下公式计算所述归一化相关系数，包括：
，
其中，是矩阵第i行第j列的元素，是矩阵第i行第j列的元素。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述归一化相关系数的最大值进行门限判决，确定是否存在前导信号，包括：
若所述归一化相关系数的最大值不小于预设值，则存在前导信号；
若所述归一化相关系数的最大值小于预设值，则不存在前导信号。
6.一种基于时频图模板匹配的水声通信前导信号检测装置，其特征在于，包括：
预处理模块，获取接收信号，基于带通滤波器对所述接收信号进行滤波处理，确定中间信号；
第一处理模块，根据双滑动窗法对所述中间信号进行时域双滑动窗检测，确定突发信号；
第二处理模块，基于时频分析技术，对所述突发信号进行时域和频域的联合观测，得到时频谱图；
判断模块，根据前导信号的时频特征设计预设模板，将所述预设模板在所述时频谱图内滑动，根据所述时频谱图与所述预设模板的匹配情况，确定是否存在前导信号。
7.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-5中任一所述的方法。
8.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一所述的方法。
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