一种多路径传播宽带主动声信号的分离方法

摘要

本发明公开了一种多路径传播宽带主动声信号的分离方法。本发明分两步实现声线路径的分离，第一步首先对传感器阵列所接收信号进行空域平滑与TCT变换，计算频谱矩阵，构造相应的副本矢量与噪声子空间，根据信号子空间与噪声子空间的正交性，计算多项式的根，估算出声线路径在传感器间的时间延迟；第二步、对传感器接收信号进行空域-频域平滑，计算频谱矩阵，构造相应的副本矢量与噪声子空间，根据信号子空间与噪声子空间的正交性，并结合传感器间的时间延迟，计算多项式的根，估算出声线路径到达传感器的时间。本发明还公开了一种基于声线传播时间层析的海洋声层析方法及一种声源定位方法。本发明在允许的误差范围内可大幅提高声信号分离的效率。

主权项

一种多路径传播宽带主动声信号的分离方法，用于从声传感器阵列所接收到的多路径传播宽带主动声信号中分离出每条声线路径，其特征在于，首先估计出各声线路径在各传感器间的时间延迟，具体包括以下步骤：步骤1、对声传感器阵列所接收的宽带主动声信号做傅里叶变换后进行空域平滑处理，获得一组窄带估计矩阵；步骤2、根据步骤1所得到的窄带估计矩阵为所述宽带主动声信号的每个频率子带构造TCT变换矩阵，并分别利用每个频率子带的TCT变换矩阵将该频率子带上经傅里叶变换后的样本数据映射到以所述宽带主动声信号的中心频率表示的样本数据，然后求出以该中心频率表示的各频率子带样本数据的频谱矩阵；最后对各频率子带声信号的频谱矩阵求平均，得到整个宽带主动声信号的频谱矩阵；步骤3、对整个宽带主动声信号的频谱矩阵进行EVD特征分解，并以所得到的所有M个特征值中较大的前P个特征值所对应的特征向量构造信号子空间，以剩下的M‑P个较小特征值所对应的特征向量构造噪声子空间；其中，M为声传感器阵列中的传感器数量，P为主动声源的个数；步骤4、为声线路径构造以下的副本矢量a(t,T)：$a(t,T)==\left[\begin{array}{c}e\left(v_c\right)e^{-i2{\mathrm{\pi v}}_{c}T}\\ .\\ .\\ .\\ e\left(v_c\right)e^{-i2{\mathrm{\pi v}}_{c}T}{e}^{-i2{\mathrm{\pi v}}_c(m-1)t}\\ .\\ .\\ .\\ e\left(v_c\right)e^{-i2{\mathrm{\pi v}}_{c}T}{r}^{-i2{\mathrm{\pi v}}_c(M-1)t}\end{array}\right]$其中，t表示声线路径在各传感器间的时间延迟，T表示声线路径到达声传感器阵列的时间，e(v_c)是所述宽带主动声信号在其中心频率v_c处的发射信号幅值，M为声传感器阵列中的传感器数量；步骤5、根据步骤3所构造信号子空间与噪声子空间的正交性构造估计器，根据所构造估计器定义多项式；然后通过寻找单位圆内最接近单位圆的P个根的方式得到使得估计器达到峰值的多项式的P个根，则这P个根对应的P个时间延迟t就是P个射线路径在不同传感器间的延迟；然后，根据估计出的各声线路径在各传感器间的时间延迟估计出各声线路径到达声传感器阵列的时间，具体包括以下步骤：步骤6、利用平滑的主动宽带多信号分离算法smoothing‑MUSICAL中的数据预处理方法对声传感器阵列所接收的宽带主动声信号进行处理，估计出所述宽带主动声信号的频谱矩阵，具体如下：利用空域‑频域平滑方法对所述宽带主动声信号进行去相关操作，然后用去相关后的信号估计出所述宽带主动声信号的频谱矩阵；步骤7、对步骤6所估计出的频谱矩阵进行EVD特征分解，并以所得到的MF个特征值中较大的前P个特征值所对应的特征向量构造信号子空间，以剩下的MF‑P个较小特征值所对应的特征向量构造噪声子空间；其中，M为声传感器阵列中的传感器数量，P为主动声源的个数，F为所述空域‑频域平滑方法在进行频域平滑时选取的频率数；步骤8、为声线路径构造以下的副本矢量a_L(t,T)：$a_L(t,T)=\left[\begin{array}{c}e\left({\nu }_1\right)e^{-2{\mathrm{i\pi \nu }}_{1}T}\\ .\\ .\\ .\\ e\left({\nu }_1\right)e^{-2{\mathrm{i\pi \nu }}_{1}T}{e}^{-2{\mathrm{i\pi \nu }}_1(M-1)t}\\ .\\ .\\ .\\ e\left({\nu }_F\right)e^{-2{\mathrm{i\pi \nu }}_{F}T}\\ .\\ .\\ .\\ e\left({\nu }_F\right)e^{-2{\mathrm{i\pi \nu }}_{F}T}{e}^{-2{\mathrm{i\pi \nu }}_F(M-1)t}\end{array}\right]$其中，t表示声线路径在各传感器间的时间延迟，T表示声线路径到达声传感器阵列的时间，e(v_i)，i＝1,2,…,F是所述宽带主动声信号在频率v_i处的幅值，M为声传感器阵列中的传感器数量，ν₁,ν₂…ν_F表示频域平滑时选取的F个不同的频率值；步骤9、根据步骤7所构造信号子空间与噪声子空间的正交性构造估计器，并将步骤5所得到的各声线路径在各传感器间的时间延迟t作为已知参量代入该估计器后，根据该估计器定义多项式；然后通过寻找单位圆内最接近单位圆的P个根的方式得到使得估计器达到峰值的多项式的P个根，则这P个根对应的P个到达时间T即为P个声线路径到达传感器阵列的时间。