用于极地冰下声源的背景噪声分离方法、装置及电子设备

本发明属于噪声分离，尤其涉及一种用于极地冰下声源的背景噪声分离方法、装置及电子设备。

背景技术：

1、南北极地区存在常年被冰盖覆盖的广袤海域，且海冰往往在很大范围内紧密分布，形成大范围的封闭海域。在极地跨海冰远距离声通信场景中，一类手段是利用气枪等爆炸声源作为发射端，凭借其低频和高声源级实现声波的远距离传播，以实现远距离通信的目的。在此类远距离通信方式中，声波脉冲到达接收端提取过程中要依赖声波脉冲幅值门限，即需要根据确定的声波脉冲幅值门限提取声波脉冲，因此将声波脉冲信号与背景噪声分离开，以估计接收信号信噪比水平，进而设置合理的判决门限、降低误码率变得十分重要。

2、由于气枪等爆炸声源一般频率较低，去除低频率段的背景噪声一般较为困难。现有技术提供一种基于小波模极大值去噪的改进算法，其中介绍了一种有效去除地震勘探信号(与本发明涉及的信号同为低频爆炸声)背景噪声的方法，即小波模极大值去噪算法。而地震勘探信号与本发明涉及的声波脉冲信号同为低频爆炸声波信号。但在上述现有技术中，仅对低频爆炸声波信号中存在的高频噪声的去除有很好效果，但对低频噪声的去除并未涉及。

3、鉴于此，亟待提出一种能够有效去除低频段背景噪声，以提取有效声波脉冲信号的方法，可以作为极地冰下爆炸声源为发射端的远程通信方法判决门限估计依据的一种方法补充。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于极地冰下声源的背景噪声分离方法、装置及电子设备，去除低频噪声的同时，找回误去除的有效信号，从而优化去噪效果。

2、第一方面，本发明提供一种极地冰下声源的背景噪声分离方法，包括以下步骤：

3、s10.接收爆炸声源发送的初始信号，对初始信号做带通滤波，以去除爆炸声源频带外的带外噪声信号，获得预处理信号；

4、s11.确定循环判定系数的阈值，阈值用于判断是否终止循环去噪；

5、s12.对预处理信号进行小尺度模极大值去噪，得到准有效信号；

6、s13.将预处理信号与准有效信号做差，得到爆炸声源频带内的带内噪声信号，并确定循环判定系数的实测值，在实测值小于阈值时，终止循环去噪，准有效信号更新为有效信号；在实测值大于或等于阈值时，执行步骤s14；

7、s14.将带内噪声信号进行小尺度模极大值去噪，得到去噪后的带内噪声信号；

8、s15.对去噪后的带内噪声信号循环执行步骤s14，直至实测值小于阈值时，终止循环去噪，获得多个去噪后的带内噪声信号；

9、s16.对多个去噪后的带内噪声信号求和，以获得带内误去除的有效信号；

10、s17.对准有效信号与带内误去除的有效信号相加，以获得有效信号。

11、与现有技术相比，本发明对带内噪声信号在循环判定系数阈值的限制下，进一步利用小尺度模极大值进行循环去噪，循环判定系数的实测值小于阈值时，终止循环去噪，以获得多个去噪后的带内噪声信号。进一步的对多个去噪后的带内噪声信号求和，获得带内误去除的有效信号，即从带内噪声信号中重新找回误去除的有效信号。最终将准有效信号与带内误去除的有效信号相加，最终获得有效信号。基于此，可以在有效去除背景噪声的同时，极大限度地保留爆炸声源脉冲有效信号的细节。

12、作为一种可能的实现方式，通过以下方法确定循环判定系数：

13、确定在当前循环去噪周期内的残差信号，残差信号为去噪前的带内噪声信号与去噪后的带内噪声信号的差值；残差信号为一维向量；预处理信号与残差信号对应元素做差，得到结果仍为一维向量；将此一维向量按最大值进行归一化，之后与预处理信号的最大值归一化结果做差，得到另一个一维向量；

14、对另一个一维向量所包括的元素取绝对值，获得非负向量；

15、确定非负向量所包括的元素的均值，均值为循环判定系数。

16、作为一种可能的实现方式，阈值可以在0.010～0.015之间取任意值。

17、作为一种可能的实现方式，小尺度模极大值去噪的方法包括：

18、s20.对待处理信号进行二进制小波变换，获得待处理信号的二进制小波变换的幅值，待处理信号为预处理信号或带内噪声信号中的任意一种；

19、待处理信号需要在多个尺度进行二进制小波变换，针对一个目标尺度，方法包括：

20、s21.从目标尺度的二进制小波变换的幅值序列中选取目标尺度的峰值点；

21、s22.确定目标尺度的模极大值点的选取阈值，当峰值点的幅值大于选取阈值时，峰值点为目标尺度的有效模极大值点；

22、s23.确定目标尺度上与有效模极大值点前后相邻的两个模极大值点，分别定义为前模极大值点和后模极大值点；确定前模极大值点传播到与目标尺度相邻的下一尺度上的相应的参考模极大值点，在参考模极大值点和后模极大值点的区间内搜索有效模极大值点对应的传播点；

23、s24.循环执行s21至s23直至完成所有目标尺度，以获得所有目标尺度所对应的有效模极大值点对应的传播点；基于传播点判断每一目标尺度与其相邻的下一尺度的峰值点的幅值差值，当幅值差值小于差值阈值时，将搜索到的所有尺度的有效模极大值点利用小波变换重构到时域，得到有效信号；当幅值差值大于差值阈值时，或在下一尺度搜索区间内不存在极大值点时，将当前尺度下模极大值点作为噪声信号剔除。

24、作为一种可能的实现方式，小波基函数为db1、db2、db3、coif1、coif2、sym2、sym3、sym4或fk4中的任意一种。

25、作为一种可能的实现方式，选取阈值通过以下方式确定：

26、

27、其中，即最大模极大值点的幅值，n为预设的噪声功率，j为所取的最大尺度。

28、作为一种可能的实现方式，在参考模极大值点和后模极大值点的区间内搜索有效模极大值点对应的传播点，包括如下步骤：

29、在目标尺度的下一相邻尺度上，当存在一个假设模极大值点属于参考模极大值点和后模极大值点的区间内，下一相邻尺度上的假设模极大值点等于目标尺度上的有效模极大值点，且满足在下一尺度上的假设模极大值点的二进制小波变换的幅值与在目标尺度上的目标模极大值点的二进制小波变换的幅值同号，则下一尺度上的假设模极大值点是目标尺度上的有效模极大值点的传播点；

30、当不存在一个假设模极大值点时，则在参考模极大值点和后模极大值点的区间内搜索与目标尺度上的有效模极大值点的二进制小波变换的幅值最接近的模极大值点作为目标模极大值点的传播点；

31、当在参考模极大值点和后模极大值点的区间内搜索到的目标模极大值点的传播点满足如下条件：

32、在下一尺度上的假设模极大值点的二进制小波变换的幅值大于等于目标模极大值点的二进制小波变换幅值的或者没有搜索到对应的传播点，则将目标尺度上的有效模极大值点和下一尺度上的假设模极大值点作为噪声去除。

33、第二方面，本发明还提供一种极地冰下声源的背景噪声分离方法，包括以下步骤：

34、s30.接收爆炸声源发送的初始信号，对初始信号做带通滤波，以去除爆炸声源频带外的带外噪声信号，获得预处理信号；

35、s31.确定循环判定系数的阈值，阈值用于判断是否终止循环去噪；

36、s32.对预处理信号进行小尺度模极大值去噪，得到准有效信号；

37、s33.将预处理信号与准有效信号做差，得到爆炸声源频带内的带内噪声信号，并确定循环判定系数的实测值，在实测值小于阈值时，终止循环去噪，准有效信号更新为有效信号；在实测值大于或等于阈值时，执行步骤s14；

38、s34.对带内噪声信号进行小尺度模极大值去噪；

39、s35.对去噪后的带内噪声信号循环执行步骤s14，直至实测值小于阈值时，终止循环去噪；对最后一次循环去噪周期中的去噪前后的带内噪声信号做差，获得残差信号；

40、s36.对预处理信号与残差信号做差，以获得有效信号。

41、与现有技术相比，本发明提供的极地冰下声源的背景噪声分离方法的有益效果与第一方面和/或第一方面任一种实现方式提供的极地冰下声源的背景噪声分离方法的有益效果相同，在此不做赘述。

42、第三方面，本发明还提供一种极地冰下声源的背景噪声分离装置，包括：

43、接收器，所述接收器用于接收爆炸声源发送的初始信号，对所述初始信号做带通滤波，以去除所述爆炸声源频带外的带外噪声信号，获得预处理信号；

44、处理器，所述处理器用于执行第一方面提供的背景噪声分离方法，或者，执行第二方面提供的背景噪声分离方法。

45、与现有技术相比，本发明提供的极地冰下声源的背景噪声分离装置的有益效果与第一方面和/或第一方面任一种实现方式提供的极地冰下声源的背景噪声分离方法的有益效果相同，在此不做赘述。