一种参量阵声纳瞬态宽带激励信号的递推滤波调制方法技术

本发明专利技术涉及一种参量阵声纳瞬态宽带激励信号的递推滤波调制方法。本发明专利技术包括：将待处理信号采用递推滤波器递推滤波得到X(n+1)；得到包络E(n+1)；包络E(n+1)通过插值滤波器进行升采样后与数字化的载波信号进行双边带幅度调制，通过D/A转换为模拟信号，得到参量阵发射系统的激励信号。本发明专利技术不但可以应用于参量阵声纳，同样亦可应用于空气中的声学参量阵系统，随着声学参量阵的应用日益广泛，可以预见本发明专利技术将具有巨大的市场价值潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种参量阵声纳瞬态宽带激励信号的递推滤波调制方法
本专利技术涉及一种参量阵声纳瞬态宽带激励信号的递推滤波调制方法。
技术介绍
参量阵声纳在水(或空气)介质的非线性作用下，将产生二次波，该二次波具有高指向性的优点，因而参量阵首先在声纳技术中得到了广泛应用。在参量阵系统中，信号处理是参量阵系统中的关键技术，信号处理一般包括预处理及调制两部分。最早的参量阵(或称作声频定向系统)的信号处理只是将信号作为包络与载波进行双边带幅度调制[1]，然后作为激励信号通过参量阵系统发射出去，该方法实现简单但是对于宽带信号其失真是比较严重的。平方根调制方法[2]对信号进行了预开方处理，然后与载波进行双边带幅度调制，该方法明显的减小了二次波的失真，如果在幅度调制前再进行12dB/oct的补偿滤波，则该方法满足无失真条件，然而针对瞬态宽带信号(尤其是未知信号参数的情况下)良好的12dB/oct的补偿滤波器是不易实现且实现过程不够灵活，不利于实时实现。单边带调制[3]虽然与双边带调制相比降低了换能器的带宽限制，但对宽带信号存在交调失真。双积分预开方方法[4-5]，是严格符合Berktay远场解无失真条件的，但是在工程实际中应用该方法时，对信号进行双积分实现过程中，由于初值等因素的影响，其积分结果常常‘发散’。其他调制方法[6-9]需要迭代计算，处理后虽然可接近无失真，但计算量较大不利于实时实现。本专利技术依据Berktay远场解，推导出原波包络与二次波时间序列的递推关系，并以此设计递推滤波器进行信号处理，从而实现参量阵声纳瞬态宽带激励信号的递推滤波调制。本专利技术特点是满足Berktay远场解无失真条件，对瞬态、宽带、未知的信号(例如语音信号，水下非合作目标辐射或散射声信号)均可实现信号处理，且由于采用递推方法计算量小，非常有利于实际工程中实时处理。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种参量阵声纳瞬态宽带激励信号的递推滤波调制方法。本专利技术的目的是这样实现的；(1)将待处理信号p(n)采用递推滤波器X(n+1)＝p(n)+aX(n)-bX(n-1)递推滤波得到X(n+1),1.80≤a≤1.94，0.81≤b≤0.94，D是常系数；(2)通过开方得到包络E(n+1)，cc为正常数；(3)包络E(n+1)通过插值滤波器进行升采样后与数字化的载波信号进行双边带幅度调制，通过D/A转换为模拟信号，得到参量阵发射系统的激励信号。本专利技术的有益效果在于：本专利技术采用递推方法，每一时刻的递推值只需要2次乘法、2次加法和1次开方运算，计算量小速度快，因此非常有利于实时实现。也由于采用递推计算，在计算X(n+1)的值只需要存储n时刻的p(n)和X(n)值以及n-1时刻的X(n-1)值，因此所需存储空间极小，可大大降低硬件成本。在运算复杂度、计算效率和成本上与其他现有的参量阵信号处理方法相比具有明显优势。本专利技术严格依据Berktay远场解推导得到递推关系，因此本专利技术的信号处理方法满足无失真条件。本专利技术与同样满足无失真条件的双积分后开方法相比的优点是，受初值影响小且不‘发散’。与本领域里常用的平方根预处理的调制方法相比，本专利技术具有天然的无失真特性，对比试验结果如图6与图9所示，同样的信号，通过本专利技术实现的实验结果无需补偿，而平方根预处理的调制方法的实验结果出现了幅度损失。此外，本专利技术与平方根预处理后幅度补偿的调制方法相比，不需要设计12/oct幅度补偿滤波器，在实际应用中更加灵活，有利于对未知信号情况下的处理实现。参量阵声纳是具有高技术含量的产品，本专利技术不但可以应用于参量阵声纳，同样亦可应用于空气中的声学参量阵系统(或称作声频定向系统)，随着声学参量阵的应用日益广泛(参量阵声频定向传输系统、声音定向抵消系统等等)，可以预见本专利技术将具有巨大的市场价值潜力。附图说明图1是总体技术方案；图2是信号p(n)；图3是递推滤波出的激励信号包络；图4是激励信号；图5是水听器接收到的原波信号；图6是水听器接收到的二次波信号；图7是平方根法计算的包络；图8是激励信号；图9是水听器接收到的二次波信号；图10是参量阵激励信号；图11是水听器接收到的二次波信号。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。首先简要介绍本专利技术的技术原理推导过程，然后介绍本专利技术的技术方案和其中的技术要点。本专利技术技术原理推导：Berktay远场解为该微分方程是满足无失真条件的信号处理的基础。本专利技术基本思路是依据Berktay远场解，采用递推的方法逆向计算出激励信号包络E(t)形式与待处理信号p2(t)时间序列关系式。设X(t)＝E2(t)，则远场解整理为该式为常系数二阶微分方程，D是常系数。对该二阶微分方程采用中心差分格式进行离散化(也可采用其他差分格式)，得到常系数二阶差分方程p(n)＝X(n+1)-2X(n)+X(n-1)，其中Δt是采样时间间隔。根据该差分方程设计递推滤波器，考虑到该系统的稳定性，递推滤波器为X(n+1)＝p(n)+aX(n)-bX(n-1)，即已知n时刻的p(n)和X(n)值以及n-1时刻的X(n-1)值后，可递推得到X(n+1)的值，其中a,b为滤波器的权系数。然后，对X(n+1)开方得到激励信号的包络E(n+1)，由于X(n+1)是交流信号(即有正有负)，为了物理可实现(即开方不出现虚数)，开方时应为cc为正常数，cc根据实际情况由p2(t)信号特性确定。最后是采用载波信号sin(ωct)对包络E(n+1)进行双边带幅度调制，得到参量阵的激励信号，通过功率放大器放大后驱动换能器发射声波，从而经过介质的非线性作用，在介质中自解调为所期望的二次波信号p2(t)。技术方案本专利技术总体技术方案包含3部分，如图1所示。总体技术方案：首先将待处理信号p(n)采用递推滤波器X(n+1)＝p(n)+aX(n)-bX(n-1)递推滤波得到X(n+1)，然后通过开方得到包络E(n+1)，最后与载波信号进行双边带幅度调制得到参量阵激励信号。方案中的技术要点：(1)对离散化的待处理信号p2(n)通过进行整理(考虑到处理简便且不影响结果D取1即可，Δt为采样时间间隔，n＝0,1,2,…)，且取初值X(0)＝X(-1)＝0。(2)考虑方程的稳定性、暂态特性以及不失真限制，递推滤波器X(n+1)＝p(n)+aX(n)-bX(n-1)的权系数a、b的取值范围为1.80≤a≤1.94，0.81≤b≤0.94，在实际应用中可在该范围内进行折中选择。(3)为了物理可实现(开方时不出现虚数)，开方计算采用公式cc为正的常数，可根据实际情况由待处理信号p2(t)的特性(幅度动态范围、频率范围)确定。(4)包络E(n+1)通过插值滤波器进行升采样后与数字化的载波信号进行双边带幅度调制，然后通过D/A转换为模拟信号，得到参量阵发射系统的激励信号。或者将E(n+1)通过D/A转换为模拟信号后与模拟载波信号进行双边带幅度调制，得到参量阵发射系统的激励信号。技术效果(1)本专利技术采用递推方法，每一时刻的递推值只需要2次乘法、2次加法和1次开方运算，计算量小速度快，因此非常有利于实时实现。也由于采用递推计算，在计算X(n+1)的值只需要存储n时刻的p(n)和X(n)值以及n-1时刻的X(n-1)值，因此所需存储空间极小，可大大降低本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种参量阵声纳瞬态宽带激励信号的递推滤波调制方法，其特征在于：(1)将待处理信号p(n)采用递推滤波器X(n+1)＝p(n)+aX(n)‑bX(n‑1)递推滤波得到X(n+1),1.80≤a≤1.94，0.81≤b≤0.94，D是常系数；(2)通过开方得到包络E(n+1)，cc为正常数；(3)包络E(n+1)通过插值滤波器进行升采样后与数字化的载波信号进行双边带幅度调制，通过D/A转换为模拟信号，得到参量阵发射系统的激励信号。

【技术特征摘要】
1.一种参量阵声纳瞬态宽带激励信号的递推滤波调制方法，其特征在于：(1)将待处理信号p(n)采用递推滤波器X(n+1)＝p(n)+aX(n)-bX(n-1)递推滤波得到X(n+1),1.80≤a≤1.94，0.81≤b≤0.94，D是常系数，Δt是采样时...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱广平，孙辉，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23