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。具有很强的应用价值。具有很强的应用价值。
【技术实现步骤摘要】
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
[0001]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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
技术实现思路
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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
[0015]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
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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
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Ville分布、小波变换等。
[0024]一种可能的实施例中，本申请采用的时频分析技术为STFT。
[0025]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本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐立军，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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