一种使用水听器接收信号估计空中运动声源速度的方法技术

本发明专利技术涉及一种使用水听器接收信号估计空中运动声源速度的方法，将PCT与Ferguson和Lo提出的使用单水听器接收信号估计空中目标速度的方法结合在一起。首先，利用PCT估计水听器接收信号在整个时间序列上的瞬时频率，再从瞬时频率中计算4个参数即声源频率f0、运动速度v、飞行高度h和CPA时间μc的初始估计值，最后利用Ferguson和Lo建立的瞬时频率参数模型在最小二乘法准则下迭代拟合瞬时频率估计值求解目标速度。有益效果：估计出了较为准确的信号瞬时频率。并以此为基础利用瞬时频率和声源参数的关系实现了使用水听器接收信号对空中运动声源速度的精确估计。上述方法比利用STFT得到瞬时频率的参数估计方法更为准确。

【技术实现步骤摘要】
一种使用水听器接收信号估计空中运动声源速度的方法
本专利技术属于信号处理、时频分析理论和水声测量等领域涉及一种使用水听器接收信号估计空中运动声源速度的方法，利用时频分析方法以及水听器接收信号瞬时频率与空中声源参数之间的关系实现使用水听器接收信号对空中运动声源的速度估计。
技术介绍
估计空中运动声源的速度是水下对空预警技术的一个重要方面。很大一部分飞机是由螺旋桨驱动的，其辐射噪声主要分为宽带连续谱噪声和线谱噪声两部分，线谱成分呈谐波关系，主要集中在低频段，强度相比于宽带连续谱噪声较高，跨空气-水界面远距离传播后更容易被探测。飞机在巡航时基本可以认为是保持匀速直线运动的，当水面上方的飞机相对于水听器运动时，线谱噪声会发生多普勒频移现象。水听器接收信号的瞬时频率中包含着声源频率、运动速度、飞行高度以及声源经过与水听器的最近会遇点(ClosestPointofApproach,CPA,如图1所示)时间4个空中声源参数的信息。因此，利用水听器接收到声源辐射噪声的瞬时频率就可以对空中声源的速度进行估计。Ferguson和Lo利用线谱辐射噪声的多普勒效应，建立了瞬时频率与速度等参数的模型，提出了一种使用单个水听器的接收信号估计空中目标速度的方法，并通过实验评估了该方法的性能。这种方法首先利用短时傅里叶变换(Short-TimeFourierTransform,STFT)从水听器接收信号中估计出其瞬时频率，然后利用瞬时频率估计空中声源的飞行速度(B.G.Ferguson,K.W.Lo.Transitingaircraftparameterestimationusingunderwateracousticsensordata[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,1999,24(4):424-435.)。然而，在水下环境噪声的干扰下，STFT的时频分辨率和能量聚集度较低，估计瞬时频率的精度下降从而影响上述速度估计方法的性能。为了提高瞬时频率的估计精度，需要选取一种能量聚集度高且对噪声有抑制作用的时频分析方法，以准确地估计水听器接收信号的瞬时频率。Z.K.Peng和G.Meng等人在传统Chirplet变换的基础上提出了多项式Chirplet变换(PolynomialChirpletTransform,PCT)，PCT具有能量聚集度高的优点，可以有效地抑制噪声的干扰，并且适用于非线性调频信号(Z.K.Peng,G.Meng,etal.Polynomialchirplettransformwithapplicationtoinstantaneousfrequencyestimation[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2011,60(9):3222-3229.)。而空中运动声源在水下产生的多普勒频移信号正是一种典型的非线性调频信号，所以PCT非常适合用来估计的水听器接收信号的瞬时频率。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种使用水听器接收信号估计空中运动声源速度的方法。技术方案一种使用水听器接收信号估计空中运动声源速度的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：放大水听器接收到的信号并记录，记为sr(t)，声源为亚音速飞机，并且声波在跨介质入水的过程中入射角小于临界角12.8°；声源某一特定线谱的原始频率恒为f0，运动速度为v，高度为h，CPA时间为μc；步骤2：对记录到的信号sr(t)利用STFT进行预处理，得到接收信号的时频分布后采用带通滤波，对滤波后的信号进行希尔伯特变换得到相应的复信号z(t)；步骤3：利用PCT对预处理后的信号z(t)进行时频分析，得到预处理后信号z(t)的时频分布：PCT的定义式其中：τ表示对信号做PCT的时刻，f表示信号频率，wα(t)表示非负、对称且归一化实窗；采用高斯函数，α给定了高斯窗的时间跨度，和分别为频率旋转算子和频移算子；所述β＝(β1,β1,,βN)为多项式系数向量；通过迭代实现以β为系数的多项式对信号瞬时频率的最优逼近，收敛后得到最优多项式系数，相应的PCT结果将在下一步被用来估计信号z(t)的瞬时频率；步骤4：在时刻τk对信号能量在频率上的分布进行三点二次插值，能量峰值对应的频率即为信号的瞬时频率估计值以此获得信号在采样时间上的瞬时频率估计序列其中，τk表示时间序列中的第k个时刻，K表示时间序列的长度；步骤5：以水下观测空中运动线谱声源的瞬时频率模型在非线性最小二乘准则下拟合逼近上一步得到的瞬时频率估计序列通过迭代算法估计声源参数，当算法收敛后即得到声源速度的估计值有益效果本专利技术提出的一种使用水听器接收信号估计空中运动声源速度的方法，将PCT与Ferguson和Lo提出的使用单水听器接收信号估计空中目标速度的方法结合在一起。首先，利用PCT估计水听器接收信号在整个时间序列上的瞬时频率，再从瞬时频率中计算4个参数即声源频率f0、运动速度v、飞行高度h和CPA时间μc的初始估计值，最后利用Ferguson和Lo建立的瞬时频率参数模型在最小二乘法准则下迭代拟合瞬时频率估计值求解目标速度。本专利技术的有益效果是：利用适用于非线性调频信号的PCT对多普勒频移信号进行处理，估计出了较为准确的信号瞬时频率。并以此为基础利用瞬时频率和声源参数的关系实现了使用水听器接收信号对空中运动声源速度的精确估计。上述方法比利用STFT得到瞬时频率的参数估计方法更为准确。附图说明图1是声音从声源跨空气-水介质到达水听器的传播过程示意图；图2是使用水听器接收信号估计空中运动声源速度的总体流程图；图3是PCT中多项式系数优化算法的流程图。图4是利用PCT得到的信号z(t)的时频分布具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案总体流程如图2所示，具体包括以下步骤：1)放大水听器接收到的信号并记录，记为sr(t)。2)对记录到的信号sr(t)进行预处理，得到z(t)。3)利用PCT得到预处理后信号z(t)的时频分布。4)对信号的时频分布做平滑处理后提取瞬时频率。5)利用非线性最小二乘法得到声源速度的估计值以下对本专利技术的每一个步骤做详细说明：所述步骤1)的具体实现如下：声音从声源跨空气-水介质到达水听器的传播过程如图1所示，图中给出了空中声源的飞行轨迹和水听器的空间位置。水听器布放深度为d，目标在巡航状态下以恒定的高度、方向和速度从水听器上方飞过，经过水听器正上方(CPA)。在这个过程中，水听器持续接收空中声源辐射的声信号，并将其转换成电信号，电信号通过功率放大器后用数据采集仪器记录下来，记为sr(t)。其中0＜t≤T，T表示数据记录的时间长度。本专利技术适用的前提是声源为亚音速飞机，并且声波在跨介质入水的过程中入射角小于临界角(12.8°)。记声源某一特定线谱的原始频率恒为f0，运动速度为v，高度为h，CPA时间为μc。所述步骤2)的具体实现如下：首先利用STFT粗略得到接收信号的时频分布，从中可以大致确定出声源辐射噪声某频率线谱多普勒频移的范围，采用带通滤波器滤除该频率范围以外的干扰，对滤波后的信号进行希尔伯特变换得到相应的复信号z(t)。所述步骤3)的具体实现如下：利用PC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用水听器接收信号估计空中运动声源速度的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：放大水听器接收到的信号并记录，记为sr(t)，声源为亚音速飞机，并且声波在跨介质入水的过程中入射角小于临界角12.8°；声源某一特定线谱的原始频率恒为f0，运动速度为v，高度为h，CPA时间为μc；步骤2：对记录到的信号sr(t)利用STFT进行预处理，得到接收信号的时频分布后采用带通滤波，对滤波后的信号进行希尔伯特变换得到相应的复信号z(t)；步骤3：利用PCT对预处理后的信号z(t)进行时频分析，得到预处理后信号z(t)的时频分布：PCT的定义式

【技术特征摘要】
1.一种使用水听器接收信号估计空中运动声源速度的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：放大水听器接收到的信号并记录，记为sr(t)，声源为亚音速飞机，并且声波在跨介质入水的过程中入射角小于临界角12.8°；声源某一特定线谱的原始频率恒为f0，运动速度为v，高度为h，CPA时间为μc；步骤2：对记录到的信号sr(t)利用STFT进行预处理，得到接收信号的时频分布后采用带通滤波，对滤波后的信号进行希尔伯特变换得到相应的复信号z(t)；步骤3：利用PCT对预处理后的信号z(t)进行时频分析，得到预处理后信号z(t)的时频分布：PCT的定义式其中：τ表示对信号做PCT的时刻，f表示信号频率，wα(t)表示非负、对称且归一化实窗；采用高...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨益新，张博轩，郭西京，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61