一种用于水下非瞬时脉冲声信号的模态频散补偿方法

本发明涉及水声信号处理，尤其涉及一种用于水下非瞬时脉冲声信号的模态频散补偿方法。

背景技术：

1、宽带的低频声信号在浅水波导中远距离传输时会发生严重的模态频散，导致信号波形的畸变，对于水声通信等相关应用带来很大的阻碍。模态频散包括模间频散和模内频散两方面。模间频散是指由于各阶简正波模态之间的群速度不同，在远距离传输时各个模态在时间上发生分离的现象；模内频散是指在同一阶简正波中，由于各频率成分的群速度不同，在远距离传输时各频率成分到达时间不同，表现为信号波形展宽。模态频散现象与水声信道的波导特性有关，通过对接收信号的分析可以获得相关的频散参数，进而可以使用信号处理方法对接收信号的模态频散进行补偿。

2、目前与模态频散相关的处理方法同样包括两个方面，分别是基于模态滤波技术实现模态分离，从而避免出现模间频散；以及使用基于波导不变理论的信号处理方法对模内频散进行补偿。模态频散补偿指的是对模内频散进行补偿。现有的基于波导不变理论的模态频散补偿方法主要有两种，分别是warping变换和消频散变换。目前的这两种方法及其衍生方法都要求接收信号或者经过反卷积处理后的接收信号是瞬时脉冲信号，换言之，要求接收信号中的各阶模态在时频域中是可分的，然后对各模态的频散参数进行估计并对模态频散进行补偿。

3、现有的技术只能处理瞬时脉冲信号，因此目前这些方法主要用于声场分析，对于诸如通信信号等非瞬时脉冲信号则无法做到有效处理。因此，有必要提供一种能够用于非瞬时脉冲的模态频散补偿方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有方法无法对非瞬时脉冲信号进行模态频散补偿的问题，提出一种用于水下非瞬时脉冲声信号的模态频散补偿方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种用于水下非瞬时脉冲声信号的模态频散补偿方法，包括：

4、步骤1：将接收信号中的非瞬时脉冲形式的前导信号转化为瞬时脉冲形式；接收信号包含前导信号和数据信号两部分，所述接收信号为声源发射并经过浅海传播后被单水听器接收的声压信号；

5、步骤2：对瞬时脉冲形式的前导信号进行γ维度的消频散变换，得到消频散参数平面；

6、步骤3：从消频散参数平面中搜索极值点，确定所述极值点对应的消频散参数；极值点对应着幅度最大的m个简正波的频散参数，其中，m为具体个数，取决于信道的实际情况；

7、步骤4：将所述极值点对应的消频散参数用于r′维度的消频散变换，实现对数据信号的频散补偿。

8、进一步地，所述步骤1中，当发射的前导信号为非瞬时脉冲信号时，对接收信号中的前导信号进行反卷积，将其转化为瞬时脉冲形式，基于下式对接收到的前导信号进行反卷积处理：

9、

10、其中，sp[n]为前导信号的频谱，是sp[n]的共轭，rp[n]为接收到的前导信号的频谱，ε为一个避免公式中的分母为零的常数，表示瞬时脉冲形式的前导信号。

11、进一步地，所述步骤2中，按照下式对瞬时脉冲形式的前导信号进行γ维度的消频散变换：

12、

13、其中，γ和r′是γ维消频散变换的两个变换参数，β为波导不变量，c为海水的平均声速，np是的长度，rp(γ,r′)是消频散参数平面，fs表示采样率，i是虚数符号。

14、进一步地，当发射的前导信号为瞬时脉冲信号时，不进行反卷积处理。

15、进一步地，当发射的前导信号为瞬时脉冲信号时，所述步骤2中，按照下式对瞬时脉冲形式的前导信号进行γ维度的消频散变换：

16、

17、其中，γ和r′是γ维消频散变换的两个变换参数，β为波导不变量，c为海水的平均声速，np是rp[n]的长度，rp(γ,r′)是消频散参数平面，fs表示采样率。

18、进一步地，所述步骤3中，经过步骤2之后能够得到关于(γ,r′)两个参数的函数值，即一个二维参数平面，在(γ,r′)平面上搜索得到rp(γ,r′)的局部极大值对应的坐标：m＝1,2,...m，m为信道中的显著模态的数量。

19、进一步地，所述步骤4中，通过来定义r′维度的消频散变换：

20、

21、其中，rd[n]为接收到的数据信号的频谱，点数为nd，rdm[k]是对第m个显著模态补偿后的结果，频散参数中的r′与k的关系为k＝0,1,2,..，是变换后的信号的采样率，可以根据信号带宽和计算复杂度要求人为进行设置，变换后信号的点数为计算时间复杂度为经过该公式的处理后，接收信号中的第m个显著模态的色散得到补偿，该公式可以用于对非瞬时脉冲信号的处理。

22、与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

23、本发明使用了一种在水声通信和声学探测等应用中十分常见的信号结构，即先发射前导信号再发射所需数据信号的信号结构。在接收到的非瞬时脉冲形式的前导信号经过反卷积处理后，利用γ维度的消频散变换对其进行处理，从而估计出各个简正波模态的频散参数。然后，利用估计得到的频散参数，对数据信号进行r′维度的消频散变换。本发明可以在单水听器接收情况下，实现对非瞬时脉冲信号中幅度显著模态的频散补偿。

技术特征：

1.一种用于水下非瞬时脉冲声信号的模态频散补偿方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种用于水下非瞬时脉冲声信号的模态频散补偿方法，其特征在于，所述步骤1中，按照下式将接收信号中的非瞬时脉冲形式的前导信号转化为瞬时脉冲形式：

3.根据权利要求2所述的一种用于水下非瞬时脉冲声信号的模态频散补偿方法，其特征在于，所述步骤2中，按照下式对瞬时脉冲形式的前导信号进行γ维度的消频散变换：

4.根据权利要求3所述的一种用于水下非瞬时脉冲声信号的模态频散补偿方法，其特征在于，所述步骤3中，在消频散参数平面上搜索得到rp(γ,r′)的局部极大值对应的坐标m＝1,2,...m，m为信道中的显著模态的数量。

5.根据权利要求4所述的一种用于水下非瞬时脉冲声信号的模态频散补偿方法，其特征在于，所述步骤4中，按照下式将所述消频散参数用于r′维度的消频散变换：

技术总结本发明属于水声信号处理技术领域，公开一种用于水下非瞬时脉冲声信号的模态频散补偿方法，包括以下步骤：将接收信号中的前导信号转化为瞬时脉冲形式；对瞬时脉冲形式的前导信号进行γ维度的消频散变换，得到消频散参数平面；从消频散参数平面中搜索极值点，确定消频散参数；将极值点对应的消频散参数用于r′维度的消频散变换，实现对数据信号的频散补偿。本发明可以在单水听器接收情况下，实现对非瞬时脉冲信号中幅度显著模态的频散补偿。技术研发人员：李嘉题,王彬,许海韵,孙明磊,裴喜龙,孟钰婷,赵浩鑫,郑娄,刘超龙受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10