本发明专利技术公开了参量阵声纳发射信号的实时Kalman滤波递推调制方法。将待调制信号经时间离散化采样后作为输入信号，通过Kalman滤波递推参量阵发射信号的包络平方值；对得到的参量阵发射信号的包络平方值进行开平方处理，得到发射信号的包络值；将包络与载波进行幅度调制最终形成参量阵发射信号。本发明专利技术可对瞬态宽带未知波形的信号进行无失真调制，计算量小，可有效抑制输入信号中的噪声。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于参量阵声纳发射信号调制领域，尤其涉及一种能够实时进行调制的， 。
技术介绍
参量阵工作的过程：参量阵发射信号经过参量阵系统发射后，由于水介质的非线 性作用，激励信号在水中将会自解调为二次波信号，该二次波信号是我们期望得到的声信 号，该过程是一个非线性过程。描述参量阵发射信号与二次波信号的数学关系是Berktay 远场解。Berktay远场解为.其中E(t)为参量阵发射信号的包 络，由于水的非线性作用，激励信号水中自解调后得到二次波信号y(t)，该式其他参数是与 环境和参量阵设备有关的常数，在此不深入解释。该微分方程描述的是参量阵发射信号与 在水中自解调后得到二次波信号之间的数学关系，即二次波信号y(t)可由参量阵激励信 号的包络平方E2(t)经过两次求导得到，这也是参量阵声纳实现无失真信号处理的基础。因 此，参量阵的发射信号调制工作的关键环节就是由y(t)逆向计算出激励信号包络E(t)。 最早的参量阵系统（或称作声频定向系统）的发射信号调制方法只是将信号作 为包络与载波进行双边带幅度调制，该方法实现简单但是对于宽带信号其失真是比较严重 的。平方根调制方法对信号进行了预开方处理，然后再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，然而针对宽带信号（尤其是未知信号参数的情况下，如语音信号、通信声纳 发射的随机编码信号）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，其 应用受到实际情况的限制。单边带调制虽然与双边带调制相比降低了换能器的带宽限制， 但对宽带信号存在严重的交调失真。双积分预开方方法，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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可对瞬态宽带未知波形的信号进行无失真调制，计算量 小的，。 ，包括以下几个步骤， 步骤一：将待调制信号经时间离散化采样后作为输入信号，通过Kalman滤波递推 参量阵发射信号的包络平方值x(n+l); 步骤二：对得到的参量阵发射信号的包络平方值进行开平方处理，得到发射信号 的包络值￡"(? +丨）=^jcc+x(n+ \)，cc为正的常数； 步骤三：将包络E(n+1)与载波进行幅度调制最终形成参量阵发射信号。 本法专利技术，还可以包括： 1、Kalman滤波中的观测方程为： 其中y(n)是待调制彳目号序列，At是尚散米样时间间隔，D是环境和参量阵设备的 已知常数，C= ，v(n)为噪声干扰，v(n)的均值为〇，v(n)的方 差为R;x(n) =E2(n)，E(n)是待求的参量阵发射信号的包络序列； Kalman滤波中的状态方程为： X(n+1) =AXX(n) +Tw(n) 其中，w(n)为高斯白噪声随机过程， w(n)的均值为0，w(n)的方差为Q。 2、系数矩阵 有益效果 本专利技术基本思路是依据Berktay远场解，推导出原波包络与二次波时间序列的递 推关系，并以此构建观测方程，并由导数连续性构建状态方程，从而设计Kalman递推滤波 器，以此为核心再通过开方处理和双边带调制，进而实现参量阵声纳宽带的任意波形激励 信号的递推调制。本专利技术特点是：①满足Berktay远场解无失真条件，对瞬态、宽带、未知波 形的信号（例如语音信号，水下通信声纳随机编码信号，水下非合作目标辐射或散射声信 号等）均可实现无失真调制；②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；③Kalman递推滤波器可有效抑制输入信号中的噪声，减小对参量阵发射信号调制效 果的影响。 (1)本专利技术采用递推方法，计算量小速度快，在台式计算机上（CPU3. 2GHz、内存 8G，操作系统win7，Matlab软件），采用本专利技术递推400个采样点的宽带线性调频信号的参 量阵发射信号的包络所需时间为〇. 009132秒，每个点的计算时间约23微秒，因此本方法非 常有利于实现实时处理。此外，递推计算过程中，在计算X(n+1)的值时只需要存储n时刻 的y(n)和X(n)值，因此所需存储空间很小，可大大降低硬件成本。因此在运算复杂度、计 算效率和成本上具有明显优势。 (2)本专利技术严格依据Berktay远场解推导得到待调制信号序列与参量阵发射信号 包络平方的递推关系，即所构建的观测方程和状态方程，因此本参量阵发射信号调制方法 对任意波形信号（瞬态、宽带、随机编码）是满足无失真条件的，即参量阵发射信号在水介 质中自解调后的信号波形无畸变。 (3)本专利技术与其它现有调制方法相比，在kalman滤波递推的过程中，具有对输入 信号滤除噪声的功能，可有效抑制输入信号中的噪声，减小对参量阵发射信号调制效果的 影响。采用本专利技术及常用的平方根调制方法产生参量阵发射信号，进行了大型水池试验，并 进行了对比研究。本专利技术方法与平方根调制方法的比较结果如图2、图3及图4所示，输入 信噪比分别为20dB、14dB和6dB，噪声为白噪声，信号为线性调频信号（带宽5-8kHz，脉宽 lms)。由图可见，随着信噪比的降低，噪声对平方根调制方法影响越来越严重，例如图4,输 入信噪比为6dB时，在水中自解调后的波形畸变严重，然而对比相同信号，噪声对本专利技术调 制方法影响很小，波形几乎无畸变，且水中自解调后的二次波的噪声也比较小。 (4)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5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。 (5)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，在实际工作 中受初值影响小，且无'发散'现象。 (6)参量阵声纳是具有高技术含量的产品，应用于定向传输、水声通信、定向抵消 等领域，此外本专利技术方法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处理框图； 图2输入信噪比为20dB本方法与平方根调制方法的比较，图2 (a)本专利技术方法调 制的发射信号在水介质中自解调后的信号波形，图2(b)常用的平方根调制方法的发射信 号在水介质中自解调后的信号波形； 图3输入信噪比为14dB本方法与平方根方法的比较，图3 (a)本专利技术方法调制的 发射信号在水介质中自解调后的信号波形，图3(b)常用的平方根调制方法发射信号在水 介质中自解调后的信号波形； 图4输入信噪比为6dB本方法与平方当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
参量阵声纳发射信号的实时Kalman滤波递推调制方法，其特征在于：包括以下几个步骤，步骤一：将待调制信号经时间离散化采样后作为输入信号，通过Kalman滤波递推参量阵发射信号的包络平方值x(n+1)；步骤二：对得到的参量阵发射信号的包络平方值进行开平方处理，得到发射信号的包络值E(n+1)=cc+x(n+1),]]>cc为正的常数；步骤三：将包络E(n+1)与载波进行幅度调制最终形成参量阵发射信号。
【技术特征摘要】
【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
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