基于雙信號(hào)對(duì)比法的水聲信號(hào)重構(gòu)技術(shù)

楊?yuàn)^，鄒男，付進(jìn)

?

基于雙信號(hào)對(duì)比法的水聲信號(hào)重構(gòu)技術(shù)

楊?yuàn)^1，鄒男2,3，付進(jìn)2,3

(1. 中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)，廣東湛江524022；2. 哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001； 3. 哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

針對(duì)水聲信道的多途干擾問題，提出了一種適合同態(tài)系統(tǒng)的信號(hào)重構(gòu)方法。從同態(tài)濾波技術(shù)的解卷積特性出發(fā)，推導(dǎo)了水聲多途信道的復(fù)倒譜表達(dá)式，對(duì)比不同地點(diǎn)或不同時(shí)刻接收信號(hào)的倒譜特征，通過提取相似性高的成分，實(shí)現(xiàn)了基于雙信號(hào)對(duì)比法的水聲信號(hào)重構(gòu)技術(shù)。仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性，且性能優(yōu)于常規(guī)特征濾波器。

復(fù)倒譜；多途信道；信號(hào)重構(gòu)

0 引言

水下聲信道因邊界反射及介質(zhì)不均勻性而呈現(xiàn)多途特性，如何采取有效措施實(shí)現(xiàn)水聲信道多途抑制一直都是水聲領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題[1,2]。通常采取的方法有：在碼元間增添適當(dāng)?shù)拈g隔用以保護(hù)，但是會(huì)降低系統(tǒng)的效率[3]；選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制技術(shù)，但當(dāng)帶寬等條件受限時(shí)性能急劇下降[4,5]；在發(fā)射機(jī)發(fā)射用戶數(shù)據(jù)前發(fā)射一段確定的固定長(zhǎng)度的訓(xùn)練序列，用以自適應(yīng)均衡，但由于水聲信道是時(shí)變的，因此學(xué)習(xí)時(shí)間受到限制[6,7]。

同態(tài)濾波技術(shù)[8-10]是解決這類乘性干擾的有效手段。為了重構(gòu)直達(dá)聲信號(hào)，特征濾波器[11,12]得到了廣泛應(yīng)用。常用的低通特征濾波器因舍棄了“高時(shí)”部分的信號(hào)復(fù)倒譜因而重構(gòu)誤差較大，梳狀特征濾波器需要估計(jì)每個(gè)多途時(shí)延，構(gòu)建難度較高。

本文著重研究信道輸出信號(hào)經(jīng)過同態(tài)特征系統(tǒng)后，在復(fù)倒譜域的濾波方法。以重構(gòu)出的信號(hào)與激勵(lì)源信號(hào)的相關(guān)性作為標(biāo)準(zhǔn)，采用雙信號(hào)對(duì)比法，提出了適用于同態(tài)系統(tǒng)的水聲信號(hào)重構(gòu)方法。該方法重構(gòu)精度高，便于實(shí)現(xiàn)。仿真及湖試數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了本文算法的有效性和應(yīng)用價(jià)值。

1 同態(tài)濾波技術(shù)的解卷積特性

(2)

第一部分：

第二部分：

(4)

第三部分：

由此可知，水聲信道沖激序列經(jīng)過復(fù)倒譜變換后仍然是一個(gè)沖激序列，只是序列延拓變?yōu)闊o限長(zhǎng)。而原序列上的每一個(gè)多途尖峰脈沖都以其相對(duì)于直達(dá)波延遲時(shí)間為周期延拓，同時(shí)每條多途尖峰時(shí)延的加性組合處也會(huì)出現(xiàn)尖峰，幅度隨時(shí)間的增大而衰減，且衰減速度比原序列更快。

由圖1可知，激勵(lì)信號(hào)在倒譜域主要集中在低時(shí)段；信道在倒譜域仍然是一個(gè)沖激序列，驗(yàn)證了上述推導(dǎo)的正確性；輸出信號(hào)倒譜為信號(hào)與信道倒譜的疊加，驗(yàn)證了式(1)所示的倒譜解卷積特性。

2 基于雙信號(hào)對(duì)比法的水聲信號(hào)重構(gòu)

信道輸出信號(hào)的復(fù)倒譜是激勵(lì)源信號(hào)復(fù)倒譜與信道沖激響應(yīng)復(fù)倒譜的疊加，而海洋是時(shí)變、空變、頻變信道。據(jù)此可以推測(cè)，在相距一定距離的不同位置或相隔一定時(shí)間間隔的不同時(shí)刻接收到的兩段信號(hào)的復(fù)倒譜中，激勵(lì)源信號(hào)復(fù)倒譜分量的相似度高，信道沖激響應(yīng)復(fù)倒譜分量的相似度則較低。在倒譜高時(shí)段幅值較大處觀察，可以發(fā)現(xiàn)，較小幅值分量對(duì)應(yīng)激勵(lì)源信號(hào)的復(fù)倒譜，較大幅值分量則為多途尖峰脈沖。根據(jù)上述特點(diǎn)，本文提出了雙信號(hào)對(duì)比法。它的基本思想是：逐點(diǎn)對(duì)比兩段信道輸出信號(hào)的復(fù)倒譜，選擇較小的幅值，以此達(dá)到將多途脈沖尖峰濾除的目的。對(duì)比法的濾波流程如圖2所示。

3 仿真分析

設(shè)接收點(diǎn)為A點(diǎn)(0 m, 50 m, 50 m)，圖3為接收到的信號(hào)及其復(fù)倒譜。

設(shè)接收點(diǎn)為B點(diǎn)(110 m, 60 m, 50 m)，圖4為B點(diǎn)接收到的信號(hào)及其復(fù)倒譜。

將兩位置接收信號(hào)的復(fù)倒譜作對(duì)比，如圖5所示，藍(lán)線表示A點(diǎn)的信道輸出信號(hào)復(fù)倒譜，紅線表示B點(diǎn)的信道輸出信號(hào)復(fù)倒譜，綠線表示兩個(gè)復(fù)倒譜重疊的分量?？梢钥闯?，兩者相似的部分就是激勵(lì)源信號(hào)的復(fù)倒譜。

逐點(diǎn)對(duì)比兩段數(shù)據(jù)復(fù)倒譜的幅值并保留較小的幅值，將多途脈沖尖峰濾除，得到的是近似激勵(lì)源信號(hào)的復(fù)倒譜結(jié)果，再將結(jié)果通過同態(tài)逆濾波系統(tǒng)，就能重構(gòu)出激勵(lì)源信號(hào)，雙信號(hào)對(duì)比法的信號(hào)重構(gòu)結(jié)果如圖6所示。

仿真結(jié)果證明了本文算法的正確性。采用雙信號(hào)對(duì)比法濾波對(duì)信號(hào)的能量有一定損耗，因此重構(gòu)信號(hào)的能量可能較直達(dá)波信號(hào)有所衰減。但從圖6可以看出，當(dāng)接收到的兩段信號(hào)直達(dá)波幅度差異不大時(shí)，采用雙信號(hào)對(duì)比法濾波，對(duì)信號(hào)復(fù)倒譜分量的影響很小，因此重構(gòu)出的信號(hào)與激勵(lì)源信號(hào)相比能量衰減較小。

圖5 A、B點(diǎn)信道輸出信號(hào)復(fù)倒譜對(duì)比圖

噪聲干擾是影響信號(hào)處理結(jié)果的一大原因，它會(huì)使多途信號(hào)發(fā)生更嚴(yán)重的畸變。下面在均值為0的高斯白噪聲背景下，觀察不同信噪比時(shí)利用同態(tài)濾波技術(shù)抑制信號(hào)多途、重構(gòu)原始信號(hào)的效果。

圖7(a)和7(b)中，噪聲對(duì)信道輸出信號(hào)復(fù)倒譜域的波形影響較小，可以通過濾波器將多途尖峰濾除，從而恢復(fù)出較完整的信號(hào)，而圖7(c)中倒譜出現(xiàn)了很多偽峰，不僅使得低時(shí)段包含信號(hào)信息的復(fù)倒譜波形嚴(yán)重失真，且將多途脈沖尖峰湮沒，導(dǎo)致信道與信號(hào)無法分離，也就沒有辦法重構(gòu)出激勵(lì)源信號(hào)。

(a) SNR=40dB時(shí)的接收信號(hào)和重構(gòu)信號(hào)

(b) SNR=30dB時(shí)的接收信號(hào)和重構(gòu)信號(hào)

4 湖試數(shù)據(jù)處理

本節(jié)使用的數(shù)據(jù)來源于某水聲系統(tǒng)于2009年10月的某湖試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)水深約為60 m，其中在表面水層有10多米的等聲速層，再往下聲速明顯降低。發(fā)射CW脈沖信號(hào)的頻率，采樣率，信號(hào)長(zhǎng)度為10 ms。圖8是接受數(shù)據(jù)A及其數(shù)據(jù)的復(fù)倒譜。這里的復(fù)倒譜是局部放大后的圖。

為了更好地說明本文方法的性能，首先采用低通特征濾波器濾波并重構(gòu)信號(hào)，圖9為數(shù)據(jù)處理結(jié)果?？梢?，常規(guī)低通特征濾波器使得重構(gòu)信號(hào)的脈寬明顯減小，重構(gòu)的信號(hào)波形嚴(yán)重失真。

下面采用梳狀特征濾波器濾波并重構(gòu)信號(hào)，圖10為數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

由于多途特征在接收信號(hào)的倒譜中并不明顯，因此通過檢測(cè)沖激序列而實(shí)現(xiàn)梳狀濾波的效果不理想，致使重構(gòu)信號(hào)仍然包含了多途的影響。

最后，采用雙信號(hào)對(duì)比法濾波并重構(gòu)信號(hào)。該方法B段數(shù)據(jù)使用的是與A段數(shù)據(jù)在同一位置、不同時(shí)刻測(cè)得的信號(hào)。圖11為B段數(shù)據(jù)的時(shí)域波形及其復(fù)倒譜。

雙信號(hào)對(duì)比法的信號(hào)重構(gòu)結(jié)果如圖12所示。

從上述采用不同方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)濾波并重構(gòu)原始信號(hào)的結(jié)果可以看出，經(jīng)同態(tài)濾波技術(shù)處理之后，在一定程度上減弱了信道多途對(duì)激勵(lì)源信號(hào)的影響，并且重構(gòu)出的信號(hào)特點(diǎn)與前面的仿真結(jié)果相符，證明了算法在工程應(yīng)用上的有效性。對(duì)比各算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文提出的方法較經(jīng)典的特征濾波法有較好的重構(gòu)精度，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

本文根據(jù)信道沖激響應(yīng)的復(fù)倒譜特征，提出了一種基于雙信號(hào)對(duì)比的水聲信號(hào)重構(gòu)方法。通過對(duì)比不同位置或不同時(shí)刻接收信號(hào)的復(fù)倒譜特征，提取出相似度高的倒譜分量，實(shí)現(xiàn)信號(hào)復(fù)倒譜濾波，濾除多途干擾，進(jìn)而通過同態(tài)逆濾波高精度地重構(gòu)原始信號(hào)。仿真分析和湖試數(shù)據(jù)處理結(jié)果證明了本文方法的有效性，在試驗(yàn)條件下本文方法的重構(gòu)精度高于經(jīng)典的特征濾波器方法。

[1] Haspert K, Zhang J J, Papandreou-Suppappola A, et al. Time-frequency characterization and receiver waveform design for shallow water environments[J]. Signal Processing, 2009, 57(8): 2973-2985.

[2] Tuley M. Comparison of predicted and measured multipath impulse responses[J]. Aerospace and Electronic Systems, 2011, 47(3): 1696-1709.

[3] WANG Yan, ZOU Nan, FU Jin, et al. Underwater acoustic remote control based on time-frequency joint coding[C]// Proceedings of WUWNet 2013. Kaohsiung, Taiwan: 2013.48.

[4] 朱昌平, 韓慶邦, 李建, 等. 水聲通信基本原理與應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009: 200-209.

ZHU Changping, HAN Qingbang, LI Jian, et al. The basic principle and application of underwater acoustic communication[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2009: 200-209.

[5] 于洋, 周鋒, 喬鋼, 等. 正交M元碼元移位鍵控?cái)U(kuò)頻水聲通信[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 39(1): 43-48.

YU Yang, ZHOU Feng, QIAO Gang. M-ary code shift keying spread spectrum underwater acoustic communication[J]. Acta Acustica, 2014, 39(1): 43-48.

[6] 胡作進(jìn), 王昌明, 朱蘊(yùn)璞, 等. 水聲多徑時(shí)延的自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 28(3): 253-257.

HU Zuojin, WANG Changming, ZHU Yunpu, et al. Adaptive parameter estimation for underwater multipathing time delay[J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2004, 28(3): 253-257.

[7] 邱政, 鄧開. 自適應(yīng)均衡技術(shù)在水聲通信中的研究應(yīng)用[J]. 艦船電子工程, 2013, 33(10): 106-107.

QIU Zheng, DENG Kai. Research and applications of the daptive equalization technique in underwater acoustic communication[J]. Ship Electronic Engineering, 2013, 33(10): 106-107.

[8] Parisi R, Camoes F, Scarpiniti M, et al. Cepstrum prefiltering for binaural source localization in reverberant environments[J]. Signal Processing Letters, 2012, 19(2): 99-102.

[9] 楊德森, 時(shí)潔, 劉伯勝. 基于倒譜分析的水聲信號(hào)被動(dòng)定位時(shí)延估計(jì)算法研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2009, 21(2): 610-616.

YANG Desen, SHI Jie, LIU Bosheng. Research of time-delay estimation algorithm for passive localization based on cepstrum analysis[J]. Journal of System Simulation, 2009, 21(2): 610-616.

[10] 陳勵(lì)軍, 張俊, 安良, 等. 淺海信道單水聽器多徑被動(dòng)定位[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2011, 30(3): 250-252.

CHEN Lijun, ZHANG Jun, AN Liang, et al. Passive Location by single hydrophone under shallow water[J]. Technical Acoustics, 2011, 30(3): 250-252.

[11] 韓治國(guó), 王紅梅, 許輝. 基于窗函數(shù)和特征濾波器的半帶濾波器設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2013, 30(8): 182-184.

HAN Zhiguo, WANG Hongmei, XU Hui. Half-band filter design based on windowing and characteristics of filter[J]. Computer Simulation, 2013, 30(8): 182-184.

[12] 高常鑫, 桑農(nóng). 整合局部特征和濾波器特征的空間金字塔匹配模型[J]. 電子學(xué)報(bào), 2011, 39(9): 2034-2038.

GAO Changxin, SANG Nong. Unifying local features and filterbank features in the spatial pyramid matching model[J]. Acta Electronica Sinica, 2011, 39(9): 2034-2038.

Underwater acoustic signal reconstruction based on dual signals contrast

YANG Fen1, ZOU Nan2,3, FU Jin2,3

(1. Unit 91388, The People’s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, Guangdong, China;2. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang,China; 3. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China)

According to the multi-paths of underwater acoustic channel, a new signal reconstruction method is put forward for homomorphic system. Considering the deconvolution feature of homomorphic filter, the complex cepstrum expression of the underwater acoustic multipath channel is deduced. The cepstrum features of the received signals in different places or different times are compared. By extracting the high similarity, the underwater acoustic signal reconstruction method is realized based on the dual signals constrast. Numerical simulations and lake trials verify the effectiveness of the proposed method, and the performance is better than the conventional eigenfilter’s.

complex cepstrum; multipath channel; signal reconfiguration

TG67

A

1000-3630(2015)-04-0293-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.04.001

2015-01-20;

2015-04-23

國(guó)家自然科學(xué)基金(51209059, 61201411)、國(guó)家“863計(jì)劃”(2013AA09A503)資助項(xiàng)目。

楊?yuàn)^(1975－), 男, 廣東雷州人, 碩士, 研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理。

鄒男, E-mail: zounan@hrbeu.edu.cn