本發(fā)明涉及水聲信號(hào)處理，尤其涉及一種用于水下非瞬時(shí)脈沖聲信號(hào)的模態(tài)頻散補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

1、寬帶的低頻聲信號(hào)在淺水波導(dǎo)中遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的模態(tài)頻散，導(dǎo)致信號(hào)波形的畸變，對(duì)于水聲通信等相關(guān)應(yīng)用帶來很大的阻礙。模態(tài)頻散包括模間頻散和模內(nèi)頻散兩方面。模間頻散是指由于各階簡(jiǎn)正波模態(tài)之間的群速度不同，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)各個(gè)模態(tài)在時(shí)間上發(fā)生分離的現(xiàn)象；模內(nèi)頻散是指在同一階簡(jiǎn)正波中，由于各頻率成分的群速度不同，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)各頻率成分到達(dá)時(shí)間不同，表現(xiàn)為信號(hào)波形展寬。模態(tài)頻散現(xiàn)象與水聲信道的波導(dǎo)特性有關(guān)，通過對(duì)接收信號(hào)的分析可以獲得相關(guān)的頻散參數(shù)，進(jìn)而可以使用信號(hào)處理方法對(duì)接收信號(hào)的模態(tài)頻散進(jìn)行補(bǔ)償。

2、目前與模態(tài)頻散相關(guān)的處理方法同樣包括兩個(gè)方面，分別是基于模態(tài)濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)模態(tài)分離，從而避免出現(xiàn)模間頻散；以及使用基于波導(dǎo)不變理論的信號(hào)處理方法對(duì)模內(nèi)頻散進(jìn)行補(bǔ)償。模態(tài)頻散補(bǔ)償指的是對(duì)模內(nèi)頻散進(jìn)行補(bǔ)償?，F(xiàn)有的基于波導(dǎo)不變理論的模態(tài)頻散補(bǔ)償方法主要有兩種，分別是warping變換和消頻散變換。目前的這兩種方法及其衍生方法都要求接收信號(hào)或者經(jīng)過反卷積處理后的接收信號(hào)是瞬時(shí)脈沖信號(hào)，換言之，要求接收信號(hào)中的各階模態(tài)在時(shí)頻域中是可分的，然后對(duì)各模態(tài)的頻散參數(shù)進(jìn)行估計(jì)并對(duì)模態(tài)頻散進(jìn)行補(bǔ)償。

3、現(xiàn)有的技術(shù)只能處理瞬時(shí)脈沖信號(hào)，因此目前這些方法主要用于聲場(chǎng)分析，對(duì)于諸如通信信號(hào)等非瞬時(shí)脈沖信號(hào)則無法做到有效處理。因此，有必要提供一種能夠用于非瞬時(shí)脈沖的模態(tài)頻散補(bǔ)償方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有方法無法對(duì)非瞬時(shí)脈沖信號(hào)進(jìn)行模態(tài)頻散補(bǔ)償?shù)膯栴}，提出一種用于水下非瞬時(shí)脈沖聲信號(hào)的模態(tài)頻散補(bǔ)償方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種用于水下非瞬時(shí)脈沖聲信號(hào)的模態(tài)頻散補(bǔ)償方法，包括：

4、步驟1：將接收信號(hào)中的非瞬時(shí)脈沖形式的前導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)脈沖形式；接收信號(hào)包含前導(dǎo)信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)兩部分，所述接收信號(hào)為聲源發(fā)射并經(jīng)過淺海傳播后被單水聽器接收的聲壓信號(hào)；

5、步驟2：對(duì)瞬時(shí)脈沖形式的前導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行γ維度的消頻散變換，得到消頻散參數(shù)平面；

6、步驟3：從消頻散參數(shù)平面中搜索極值點(diǎn)，確定所述極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的消頻散參數(shù)；極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)著幅度最大的m個(gè)簡(jiǎn)正波的頻散參數(shù)，其中，m為具體個(gè)數(shù)，取決于信道的實(shí)際情況；

7、步驟4：將所述極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的消頻散參數(shù)用于r′維度的消頻散變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的頻散補(bǔ)償。

8、進(jìn)一步地，所述步驟1中，當(dāng)發(fā)射的前導(dǎo)信號(hào)為非瞬時(shí)脈沖信號(hào)時(shí)，對(duì)接收信號(hào)中的前導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行反卷積，將其轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)脈沖形式，基于下式對(duì)接收到的前導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行反卷積處理：

9、

10、其中，sp[n]為前導(dǎo)信號(hào)的頻譜，是sp[n]的共軛，rp[n]為接收到的前導(dǎo)信號(hào)的頻譜，ε為一個(gè)避免公式中的分母為零的常數(shù)，表示瞬時(shí)脈沖形式的前導(dǎo)信號(hào)。

11、進(jìn)一步地，所述步驟2中，按照下式對(duì)瞬時(shí)脈沖形式的前導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行γ維度的消頻散變換：

12、

13、其中，γ和r′是γ維消頻散變換的兩個(gè)變換參數(shù)，β為波導(dǎo)不變量，c為海水的平均聲速，np是的長(zhǎng)度，rp(γ,r′)是消頻散參數(shù)平面，fs表示采樣率，i是虛數(shù)符號(hào)。

14、進(jìn)一步地，當(dāng)發(fā)射的前導(dǎo)信號(hào)為瞬時(shí)脈沖信號(hào)時(shí)，不進(jìn)行反卷積處理。

15、進(jìn)一步地，當(dāng)發(fā)射的前導(dǎo)信號(hào)為瞬時(shí)脈沖信號(hào)時(shí)，所述步驟2中，按照下式對(duì)瞬時(shí)脈沖形式的前導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行γ維度的消頻散變換：

16、

17、其中，γ和r′是γ維消頻散變換的兩個(gè)變換參數(shù)，β為波導(dǎo)不變量，c為海水的平均聲速，np是rp[n]的長(zhǎng)度，rp(γ,r′)是消頻散參數(shù)平面，fs表示采樣率。

18、進(jìn)一步地，所述步驟3中，經(jīng)過步驟2之后能夠得到關(guān)于(γ,r′)兩個(gè)參數(shù)的函數(shù)值，即一個(gè)二維參數(shù)平面，在(γ,r′)平面上搜索得到rp(γ,r′)的局部極大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)：m＝1,2,...m，m為信道中的顯著模態(tài)的數(shù)量。

19、進(jìn)一步地，所述步驟4中，通過來定義r′維度的消頻散變換：

20、

21、其中，rd[n]為接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)的頻譜，點(diǎn)數(shù)為nd，rdm[k]是對(duì)第m個(gè)顯著模態(tài)補(bǔ)償后的結(jié)果，頻散參數(shù)中的r′與k的關(guān)系為k＝0,1,2,..，是變換后的信號(hào)的采樣率，可以根據(jù)信號(hào)帶寬和計(jì)算復(fù)雜度要求人為進(jìn)行設(shè)置，變換后信號(hào)的點(diǎn)數(shù)為計(jì)算時(shí)間復(fù)雜度為經(jīng)過該公式的處理后，接收信號(hào)中的第m個(gè)顯著模態(tài)的色散得到補(bǔ)償，該公式可以用于對(duì)非瞬時(shí)脈沖信號(hào)的處理。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果：

23、本發(fā)明使用了一種在水聲通信和聲學(xué)探測(cè)等應(yīng)用中十分常見的信號(hào)結(jié)構(gòu)，即先發(fā)射前導(dǎo)信號(hào)再發(fā)射所需數(shù)據(jù)信號(hào)的信號(hào)結(jié)構(gòu)。在接收到的非瞬時(shí)脈沖形式的前導(dǎo)信號(hào)經(jīng)過反卷積處理后，利用γ維度的消頻散變換對(duì)其進(jìn)行處理，從而估計(jì)出各個(gè)簡(jiǎn)正波模態(tài)的頻散參數(shù)。然后，利用估計(jì)得到的頻散參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行r′維度的消頻散變換。本發(fā)明可以在單水聽器接收情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)非瞬時(shí)脈沖信號(hào)中幅度顯著模態(tài)的頻散補(bǔ)償。

技術(shù)特征：

1.一種用于水下非瞬時(shí)脈沖聲信號(hào)的模態(tài)頻散補(bǔ)償方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于水下非瞬時(shí)脈沖聲信號(hào)的模態(tài)頻散補(bǔ)償方法，其特征在于，所述步驟1中，按照下式將接收信號(hào)中的非瞬時(shí)脈沖形式的前導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)脈沖形式：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于水下非瞬時(shí)脈沖聲信號(hào)的模態(tài)頻散補(bǔ)償方法，其特征在于，所述步驟2中，按照下式對(duì)瞬時(shí)脈沖形式的前導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行γ維度的消頻散變換：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于水下非瞬時(shí)脈沖聲信號(hào)的模態(tài)頻散補(bǔ)償方法，其特征在于，所述步驟3中，在消頻散參數(shù)平面上搜索得到rp(γ,r′)的局部極大值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)m＝1,2,...m，m為信道中的顯著模態(tài)的數(shù)量。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于水下非瞬時(shí)脈沖聲信號(hào)的模態(tài)頻散補(bǔ)償方法，其特征在于，所述步驟4中，按照下式將所述消頻散參數(shù)用于r′維度的消頻散變換：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于水聲信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，公開一種用于水下非瞬時(shí)脈沖聲信號(hào)的模態(tài)頻散補(bǔ)償方法，包括以下步驟：將接收信號(hào)中的前導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)脈沖形式；對(duì)瞬時(shí)脈沖形式的前導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行γ維度的消頻散變換，得到消頻散參數(shù)平面；從消頻散參數(shù)平面中搜索極值點(diǎn)，確定消頻散參數(shù)；將極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的消頻散參數(shù)用于r′維度的消頻散變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的頻散補(bǔ)償。本發(fā)明可以在單水聽器接收情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)非瞬時(shí)脈沖信號(hào)中幅度顯著模態(tài)的頻散補(bǔ)償。

技術(shù)研發(fā)人員：李嘉題,王彬,許海韻,孫明磊,裴喜龍,孟鈺婷,趙浩鑫,鄭婁,劉超龍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10