水声信号的空时平稳化方法、系统及存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种水声信号的空时平稳化方法、系统及存储介质，输出的空时信号能量谱进入宽带平稳化模块，判断其输出为混响背景的部分输入到混响平稳化模块，判断其输出为噪声背景的部分输入到窄带平稳化模块，处理后输出平稳化后的空时能量图，最后经过能量检测获取目标的方位、距离以及强度信息。经过海试数据验证，本发明专利技术能实现水下远距离目标探测中的空时信号平稳化，解决混响、大功率白噪声和有色噪声的干扰问题，实现远距离目标回波的有效检测。测。测。

【技术实现步骤摘要】
水声信号的空时平稳化方法、系统及存储介质


[0001]本专利技术涉及水声信号处理领域，特别是一种水声信号的空时平稳化方法、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]在目前的水下声学主动探测系统中，真实海洋环境中的目标信号提取前一般经过常规的空间滤波(波束形成)和时间滤波(匹配滤波)处理，形成关于空间
‑
时间二维能量图像，最后经过能量检测获取所关注目标的位置信息。
[0003]然而对于真实海洋环境中的主动探测系统，其关于空间
‑
时间的二维图像背景一般具有较强的非平稳性，对目标检测造成严重的干扰。这种包含非平稳性干扰的背景一般可分为两种：(1)由发射信号引起的混响背景，其特点是干扰信号与目标信号具有相近的能量谱，干扰强度随时间递减；(2)由真实海洋环境决定的噪声背景，其中出现的干扰一般为局部的大功率白噪声或有色噪声。
[0004]传统的空间滤波和时间滤波仅能提高平稳海洋噪声背景下的信噪比，但无法抑制由非平稳性引起的干扰。这导致空间
‑
时间二维图像中存在大面积的非目标亮点或亮带，影响目标信号的能量检测。现有方法分别针对混响背景(郭凯红,张忠波.一种基于实测数据特性的混响建模方法[J].水雷战与舰船防护,2010(2):5.)和噪声背景(杨德森,吴一.水下目标辐射噪声线谱的分析[J],1996(017)001)进行平稳化处理。现有的针对混响背景的平稳化方法依赖于具有高时间分辨能力的短脉宽信号类型，不适用于远距离探测所用的长脉宽信号；而现有的针对噪声背景的平稳化方法在被动探测场景具有良好的效果，但不适用于包含平台自噪声的远距离主动探测场景。
[0005]综上，在水下声学主动探测系统中，因真实海洋环境、平台自噪声及混响引起的非平稳性特点，对空时图像中的目标检测造成较大干扰，导致主动探测系统存在较高的目标漏检概率和虚警概率，而现有解决方法均难以满足对远距离目标的主动探测需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种水声信号的空时平稳化方法、系统及存储介质，有针对性地降低干扰的空时能量，提高真实目标的检测能力。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种水声信号的空时平稳化方法，包括以下步骤：
[0008]S1、计算空时信号的能量谱；
[0009]S2、利用所述空时信号的能量谱计算宽带平稳化后的空时信号能量E(θ,t)；θ和t分别是当前帧的空间坐标和时间坐标；
[0010]S3、若空时单元所在时间区域为混响背景区域，即区域0≤t≤T
rev
，则利用下式计算混响区域平稳化后的空时能量L(θ,t)：
[0011]L(θ,t)＝E(θ,t)
‑
ΔRL(θ,t)；
[0012]若空时单元所在时间区域为噪声背景区域，即区域t≥T
rev
，则利用下式计算混响区域平稳化后的空时能量L(θ,t)：
[0013][0014]其中，T
rev
是划分为混响区域的时长，ΔRL(θ,t)为混响补偿量，ΔNL
n
(θ,t)为窄带平稳化补偿量，ΔNL
w
(θ,t)表示宽带补偿量，J(θ,t)表示是否为有色噪声的判据。
[0015]本专利技术对空时信号的能量谱进行平稳化处理，针对大功率白噪声、有色噪声和混响等干扰出现的时间区域不同的特点，按照时间区分混响背景和噪声背景，并分别进行了不同的平稳化处理，能够有针对性地降低干扰的空时能量，提高真实目标的检测能力。
[0016]步骤S1中，空时信号的能量谱P
θ,t
(k)计算公式为：其中，Y
θ,t
(k)为空时信号的频谱，x
θ,t
(n)为常规空间滤波器输出的当前帧空时信号，f
s
为采样频率，k为频谱编号，N为当前时间帧内的采样点数。
[0017]步骤S1通过该能量谱的计算，能够有效利用空时信号能量谱中的不同谱线的能量，利于后续步骤中利用不同频带内的信号或噪声的平均能量，并针对不同的干扰类型计算补偿量。
[0018]步骤S2中，宽带平稳化后的空时信号能量E(θ,t)的计算公式为：E(θ,t)＝10
·
lg[P
θ,t
(k0)]‑
G
‑
ΔNL
w
(θ,t)；其中，f0表示经多普勒补偿后的信号中心频率，G为接收机灵敏度和调理电路增益之和，K
w
表示宽带谱线所对应的k的集合，F
w
为宽带频率范围的频率集合，F
w
＝[f0‑
f
w
,f0‑
f
rev
]∪[f0+f
rev
,f0+f
w
]，f
rev
表示混响能量谱的最大展宽半径，N
w
表示集合K
w
的元素个数，表示平稳海洋背景噪声级的估计。
[0019]步骤S2的计算中排除了混响频带内的能量，利用了宽频带空时能量计算补偿量，能够有效针对具有全时域、宽频带特点的大功率白噪声干扰进行平稳化处理。
[0020]步骤S3中，T
rev
取值为4倍信号脉宽；
[0021]混响补偿量ΔRL的计算公式为：混响补偿量ΔRL的计算公式为：表示平稳海洋背景噪声级的估计，Θ表示目标角度展宽，T表示发射信号脉宽，RL1为在(θ
±
Θ,t
±
T)区域内的宽带平稳化总能量，RL2为在(θ
±
Θ/2,t
±
T/2)区域内的宽带平稳化总能量；混响补偿量的计算利用了空时单元相邻角度和时间内的平均能量作为混响的能量估计，能够有效针对混响干扰进行平稳化处理。
[0022]相邻角度和时间内的混响能量计算公式为：
[0023]Δθ和Δt分别表示空域和时域的求和变量；混响能量的计算公式考虑了目标在角度和时间上的展宽，在混响补偿量的邻域能量计算中减去了可能由于目标能量空时展宽引起的能量，能够更加准确地计算出混响干扰引起的能量。
[0024]有色噪声的判据计算公式为：K
n
表示窄带谱线所对应的k的集合，F
n
为窄带频率范围的频率集合，F
n
＝[f0‑
f
n
,f0‑
f
sig
]∪[f0+f
sig
,f0+f
n
]，f
n
表示造成干扰的有色噪声的能量谱展宽半径，f
sig
表示目标回波的能量谱展宽半径，N
n
表示集合K
n
的元素个数，P
θ,t
(k)为空时信号的能量谱，N
w
表示集合K
w...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水声信号的空时平稳化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、计算空时信号的能量谱；S2、利用所述空时信号的能量谱计算宽带平稳化后的空时信号能量E(θ,t)；θ和t分别是当前帧的空间坐标和时间坐标；S3、若空时单元所在时间区域为混响背景区域，即区域0≤t≤T
rev
，则利用下式计算混响区域平稳化后的空时能量L(θ,t)：L(θ,t)＝E(θ,t)
‑
ΔRL(θ,t),0≤t≤T
rev
；若空时单元所在时间区域为噪声背景区域，即区域t≥T
rev
，则利用下式计算噪声区域平稳化后的空时能量L(θ,t)：其中，T
rev
是划分为混响区域的时长，ΔRL(θ,t)为混响补偿量，ΔNL
n
(θ,t)为窄带平稳化补偿量，ΔNL
w
(θ,t)表示宽带补偿量，J(θ,t)表示是否为有色噪声的判据，若J(θ,t)≤0dB，则判断当前空时单元为非有色噪声；若J(θ,t)＞0dB，则判断当前空时单元为有色噪声。2.根据权利要求1所述的水声信号的空时平稳化方法，其特征在于，步骤S1中，空时信号的能量谱P
θ,t
(k)计算公式为：其中，Y
θ,t
(k)为空时信号的频谱，x
θ,t
(n)为常规空间滤波器输出的当前帧空时信号，f
s
为采样频率，k为频谱编号，N为当前时间帧内的采样点数。3.根据权利要求2所述的水声信号的空时平稳化方法，其特征在于，步骤S2中，宽带平稳化后的空时信号能量E(θ,t)的计算公式为：E(θ,t)＝10
·
lg[P
θ,t
(k0)]
‑
G
‑
ΔNL
w
(θ,t)；其中，f0表示经多普勒补偿后的信号中心频率，G为接收机灵敏度和调理电路增益之和，K
w
表示宽带谱线所对应的k的集合，F
w
为宽带频率范围的频率集合，F
w
＝[f0‑
f
w
,f0‑
f
rev
]∪[f0+f
rev
...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗安，高嘉淇，廖书寒，崔永林，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：