（信号与信息处理专业论文）散射波中信号特征的分析及提取.pdf

摘要 摘要 利用主动声纳对目标进行探测是一种重要的水下目标探测方法但是在浅海中，水声环境非常 复杂，由于噪声，特别是混响的严重影响，使得目标的探测和识别变得非常困难本文以检测和识 别浅海中弹性目标物体为方向，展开了一些研究，取得了一些较有价值的结果。 文章首先从分析水下弹性物体的弹性共振这一特性入手，综合前人研究所得的成果和经验，利 用入射波作为激发信号可使弹性物体产生弹性共振特征这一特征，给出了浅海水下目标识别的一种 可能方法的分析并且以此为理论根据，在现有实验条件下。设计了一种以时延匹配、自适应滤波 为主要算法的实验系统，有效的从弹性目标的散射波中分离出了弹性目标的共振散射，证实了弹性 共振的存在接着利用所得的数据尝试了对散射波解卷积，然后a i l 建模提取和估计共振谱的算法实 验 在水下信号检测方面，文章讨论了时频分析的方法，对其中比较重要的几种时频分布进行了分 析，针对时频分析中的交叉干涉，采用了比较有效的减弱和消除交叉项的算法，并且给出了仿真的 结果。最后，将时频分析和信号处理的技术应用于湖试数据，对环境噪声干扰和纯混响干扰两种不 同条件下目标回波的检测作了分析，结果表明在一定的信噪比条件下，时频分析可作为一种检测信 号回波的方法 关键词：共振散射 自适应滤波a r 建模时频分析交叉项 查堕盔堂堡圭兰堡堡苎 a b s t r a c t d e t e c t i o nb ya c t i v es o n a ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e a s u r e sf o ru n d e r w a t e r e x p l o r a t i o n b u ts h a l l o ws e a e n v i r o n m e n ti si n d e e dc o m p l e x ，e s p e c i a l l yl i k er e v e r b e r a t i o n s oi t i sav e r yd i f f i c u l tt a s kt od e t e c ta n dc l a s s i f yat a r g e t r e s e a r c ha r ec a r r i e di n t h ed i r e c t i o no fd e v e l o p p i n ga na p p r o a c hf o rt h ed e t e c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no fs u b m e r g e d e l a s t i co b j e c t s t h et h e o r yo fr e s o n a n c es c a t t e r i n go fe l a s t i co b j e c ti si n t r o d u c e df i r s t l y t h e nt h e p o s s i b i l i t ya n a l y s i so fi d e n t i f y i n ga ne l a s t i ct a r g e tb a s e do nr s ti sd i s c u s s e d ap l a n w h i c hi n c l u d e st i m ed e l a ye s t i m a t i o na l g o r i t h ma n da d a p t i v ef i l t e ra l g o r i t h mi sd e v i s e d t oe x t r a c tt h er e s o n a n c es c a t t e r i n gu n d e rt h ep r e s e n te x p e r i m e n tc o n d i t i o n t e s tr e s u l t s i n d i c a t et h ec o n f i r m a t i o no fe l a s t i cr e s o n a n c e b e s i d e st h e s e ，a n o t h e rm e a n si n c l u d i n g d e c o n v 0 1 u t i o na n da rm o d e ls p e c t r u me s t i m a t i o ni sa t t e m p t e dt oe s t i m a t et h er e s o n a n c e s c a t t e r i n g a tt h es e c o n dp a r to ft h ep a p e r t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sa p p l i e db e l o wa r ed i s c u s s e d s e v e r a la l g o r i t i l so fw e a k e n i n ga n dr e m o v i n gc r o s st e r ma r ei n v e s t i g a t e da n dp r o v e d e f f e c t i v eb ye m u l a t o r a tl a s t r e s u l ta n dd i s c u s s i o no fs o n g h u al a k ed a t ap r o c e s s i n ga r e p r e s e n t e dw h i c hs h o wt h a tt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sc a nb eap r o p o s ew a yt od e t e c ts i g n a l e c h ou n d e rac e r t a i ns i g n a l t o n o i s e e e y w o r d s ：r e s o n a n c es c a t t e r i n g ，a d a p t i v ef i l t e r ，a r _ l o d e l ， t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s c r o s st e 瑚 - i 卜 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：老醴l 玄日期：丝：垒 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：塑噻 导师签名： 绪论 l 、浅海中弹性物体的识别 弹性物体在受到声波照射后，会引发自身的受激振动和再辐射其振动与再辐射情况和入射声 波频率，声波照射激发情况等多种因素有关因此弹性体的散射除与物体的几何形状有关外，也与其 弹性性质有密切的关系因而弹性物体的受激回波是一种能够用来鉴别目标物理特性的特征信号 为了深入分析弹性散射机理，许多文献从波动方程出发，详细计算了不同形状物体的散射函数 极点的分布规律，或给出各类散射波的物理本性如r a y l e i g h 波，w h i s p e r i n g g a l l e r y 波等。这 些研究虽然能对某些特定的散射现象给出确切的解释，但毕竟弹性体的形状、材质是各式各样的， 散射函数极点分布规律彼此互异，散射波具体形式多种多样，很难综合获得带有普遍意义的结果， 对解决未知目标探测、判识来说。也存在相当距离 在许多实际工程应用条件下。不可能实现在包围散射的各不同方向上接收测量目标散射信号， 甚至于只能接收目标的反向回波，或仅能在其有限的特定方向上接收目标散射信号这时虽然难以 实现散射物体物象的重建，却希望可以利用目标反向散射信号的时频特征，进行目标的检测识别。 利用频域特征实现被测物体识别是物理学中一种有效方法为有效的分离弹性散射信号中强迫 振动谱和共振谱，八十年代初期提出了m i i r 法以后且经过若干完善和改进。该方法通常又分为准 谐波法和窄脉冲法前者使用较长的正弦填充脉冲在目标上建立稳态振动，然后进行频率扫描。后 者使用窄脉冲，并对接收信号进行谱分析。当利用时间门在强迫振动区段进行数据采集和谱分析时。 即得到目标的反向散射谱，若利用时闯门在接收信号后段目标弹性再辐射部分进行数据采集和谱分 析时，即得到耳标的共振谱比较实验结果与已知的各类弹性目标共振谱，可获得目标分类及材质 参数知识研究工作还发现只有当材料黏滞很小时才比较有效对于具有大黏滞的材料来说，应用 散射信号虚部与实部之比随频率变化的关系效果更好但上述方法只有信噪比很高，甚至于声波入 射方向也须符合一定的规律才有效 另一种目标识别方法是同时考虑反向散射信号的时域与频域特征不同材料弹性体由于其纵波 波速与横波波速相对值的不同，即使外形完全一样，在低波速范围其散射的频率特性差异明显，但 在高波速范围，各类弹性体都具有多种不同形态的振动方式虽然对每种振动形态来说，不同阶的 谐振频率近似等间隔分布，但是总和十分复杂。而且由于激发的状况的不同，以及环境物质有界面 存在，位于不同方位接收时多途干涉叠加情况不同，有的振动形态可能不被激发或受到干涉抵消， 另一些谐振频率又获得加强，因而在时频图上显示的结果比较复杂 东南大学硕士学位论文 2 、浅海干扰水声背景环境中目标信号的检测 在浅海环境中。海水信道环境复杂，不仅存在环境中的噪声，还存在折射、反射、多途传输等， 使得浅海中信号波形变得十分复杂由于海底、海面的不平整性和海水中随机分布的不均匀性散射 会造成混响。这是主动声纳的主要背景干扰之一，特别是在浅海情况下，强大的海底混响干扰尤其 严重混响作为发射信号引起的，随发射信号强度的增大而增大，其谱结构与发射信号具有一定的 相似性，常被视为是一种非平稳的有色干扰噪声。混晌的消除或削弱，一直是信号处理的难题。为 提高混响背景下信号的检测性能，抗混响技术主要集中在两大方面，一是发射波形设计，二是信号 处理算法研究在信号处理算法中，由于接收机接收的信号在频域表现为混响和回波信号的频谱混 叠在一起，因此常规的频域处理效果都不是很好。在理想的自噪声条件下，具有最大输出信噪比的 匹配滤波器是最佳检测器，而在有色的混响背景干扰下，匹配滤波器的性能受到了一定程度的限制。 一些常规的信号处理方法，都只是单纯从信号的时域或频域去处理，这在时域和频域的特征和 回波信号非常相似的混响信号干扰的条件下，性能会受到很大抑制。因此需要一种处理方法，使得 混响信号和目标回波在该方法下有明显的区别，时频分析方法就是这样一种方法 3 、课题背景和本文主要内容 本课题是五年计划项目“水下掩埋目标检铡和识别”中的第一期但是实际在水声环境中并没 有一种合适的，或者有效的检测和识别掩埋弹性物体的方法本课题的任务就是找出一种能在水声 环境中可靠的识别弹性物体的方法，以及在强混响环境中找到一种有效的信号检测技术，来检测掩 埋的弹性物体 首先，本文主要从了解弹性物体的共振特性着手，在总结前人实验的基础上。设计了一种以现 有的实验条件，有效提取共振特性的白适应滤波实验方法。并且对其他的提取共振的方法作了尝试 和研究另外，在信号检测方面，本文采用时频分析的方法。通过利用松花湖湖试的真实数据。对 信号检测作了一些研究，取得了一定的成果。 具体工作和本文内容安排如下： 第一章在总结现有的弹性物体共振散射理论基础上，结合一个圆柱形钢壳体的实例，对弹性物 体的麸振散射，以及些主要的共振因素作了简要的介绍 第二章利用现有实验室条件，设计了一种可行的自适应滤波方法，实现了对钢壳体的共振散射 特征谱的提取工作，取得了较好的效果。 第三章利用第二章实验中所得到的数据，尝试对散射波响应鳃卷积，再a r 建模的算法，对共 振谱进行了提取、估计的工作 第四章介绍了时频分布中的一些重要的理论以及本文研究中所采用的一些概念和算法，并对它 们的性能作了必要的分析，最后给出了各种算法的计算机仿真 2 第五章从松花湖湖试中得到的数据。在数据进行预处理后。再采用时频分析中的多种算法，以 及融合常规的信号处理方法，对不同水声环境中的目标回波的检测进行了研究，取得了较好结果 - 3 - 东南大学硕士学位论文 第一章共振散射理论 弹性物体如钢性壳体在受到声波照射后，会引发自身的受激振动和再辐射。其振动和再辐射情 况和入射声波频率、物体固有振动频率。以及弹性性质都有密切关系 1 1 共振散射理论【1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 1 5 1 1 6 1 由于物体的共振散射与物体的自身条件。周围环境等都有密切的关系，或者说共振散射现象由 自身条件和周匿环境因素决定因而为了比较清晰的阐明共振散射的一些基本概念，本文中所讨论 的共振情况将主要以一个是在水声环境中，充气的，圆柱形钢质壳体来作为散射目标分析的主要 理论根据是共振散射理论 通过宽带的入射波来激发有限大小的弹性钢壳体目标来产生共振现象。激发过程如下图所示 外部介质。 入射波充气铡壳体 图1 1 声波激发钢壳体示意图 图1 2 声波激发钢壳体产生的模拟散射波示意图 入射波激发后所收到的信号。在时域上可粗略的分为图i - 2 中三个时刻的响应部分：a 虚线向右 的所有部分为全局响应，b 虚线向右的所有部分为纯共振响应部分，c 虚线向右的所有部分为远端共 振部分 - 4 - 第一章共妊散射理论 根据兆振散射理论，一个被激发出来的所有散射信号从机理上可分为 1 r 头振类刑的散射内容( 包含镜反射波和水f 目标周嗣的水中产生的环绕波) 这些是不属丁 反映散射目标特祉的信号同波。 一系列的的共振波( 如l a m b t y p e 和s c h o l t e - s t o n e l e y 波苜) 这些波的出现_ 手i i 频谱上的何置 定位是贝有目标特征性的，可以被来判别目标的原始物理特性，或者在外部结构面貌己知的怙况 r 可以估计日杯的其他儿何和地理环境属性。 这里所要介 “的其振散射原理的前提条州是入射波是止面入射。外部表面形状不计入共振散射 的影响闪素之中。 恻梓形铜壳体的共振散射的数学公式是基丁j 标准的级数公式是由散射声乐所分解成的无限的 再阶冈子，反射体的机械特性以及与儿何特性相艾的备阶成分的累加和。 在止面入射波投射情况卜一般远场的散射区域的声乐公式可表示为 胪p + i ( 昙) i ”薹嘶砌一锱 在( 1 1 ) 中国是角频率，k 是波形数和目标散射体( 钢壳体) 的外部介质有关。f 是声豚点离钢 壳体的距离，口是钢壳体外部的、1 7 行。毛是边界冈子( 岛= 1 毛= 2 f o rn o ) ，p 是入射平面波 p ，= p e7 “的幅度，d j ，( ) 和q ( 埘) 是由散射问题的边界条f ，j 米决定的( 例如钢壳体和外 面水之间接触表面乐力的连续性，以及相且的排斥性等) 。具体的影响冈素如卜表所示散射传递函 数( t f ) ，h ( ) 被定义为散射户斥p 。和入射波只之间的冈式。 钢壳体参数钢壳体内部流体的参数钢壳体外部流体的参数 外r 释：口 密度；p 密度：口 内r 行：b 声速度：c声速度：c 相芙j 度：h = d a ： d = 口七：0 h l 密度：n 乐缩性相戈速度：c 。 剪戍力速度：c 。 表( 1 1 ) 影响共振散射的几何年机械参数冈素 5 东南大学硕士学位论文 从共振散射理论可知见( 珊) 的零点等价于共振散射中的共振频率，和各种不同类型的环绕波的 辐射传播有关，其中的一种重要的表现是这些波的群速度和相速度都会随着频率的变化而改变这 其实是散射目标的几何属性和物理属性的具体表现。散射波中的这些特征波的表现形式直接由共振 频率的频率位置来确定因而从这点来说，在不同的频率区域中，共振频率所在的位置是我们需要 了解的重点 在共振散射理论中，每个共振频率可表示为一个( ，”) 的索引，其中f 用于区分各种以相速度和 群速度为特征的不同族的弹性环绕波1 1 用来区分同族弹性环绕波中的不同阶的振动模式一般来 说，如果模式阶数n 固定，则索引z 将会随着频率的增加而增加表1 2 列出了一些共振散射理论中 的一些和共振散射频率有关的符号对于某些波形簇，这个z 标志符可以被一个特别的符号所代替。 下文中，这些符号将统一替代为，= 瓯( 瓯称为m 次对称环绕波) ，或者，= 4 ( 以称为m 次非对称环绕波) ，或者，= a ( 4 被称为s c h o l t e - s t o n e l e y 波) 下面的等式则显示了环绕波共振特 征中n 次阶数的表现形式 ，z 丑m # 2 丌口 ( 1 2 ) 当今所研究的共振散射的热点主要的集中在散射体的传递函数或者共振谱上，因为共振频率点 的位置是共振信息的关键。具体表现为通过研究在一个或多个参数在一定的范围内变化的情况下， 来研究得到散射传递函数的表示形式来解释共振散射现象，或者使得共振散射特征、各种公式化的 表达式以及各种参数之间建立其某种特定的联系。 定义符号 ，族n 次的共振频率 儿( 或者岛。口无量纲) 波形数 = 2 a f ，c 波长 群速度 c 1 0 相速度 c t ? 袭( 1 2 ) 共振频率和共振散射主要特性的符号表示 下面以一个实例来简单说明共振散射的一些基本原理和所产生的共振现象 散射体目标为充气圆柱形钢壳体；壳体外媒质为海水；入射波为宽带信号脉冲；钢壳体的外部 半径固定为2 5 c m ，设置不同的壳体厚度，可以得到共振敬射随壳体厚度发生的共振特点。表1 3 定 义了壳体的几个的厚度实例，其中壳体厚和薄还有其他的定义方式。以上定义的这些主要为了下面 的解释共振所用。 6 - 第一章共振散射理论 之所以采用从壳体厚度的这一实列来解释共振是因为，散射壳体的厚度是一个比较常见的散射 共振区别因素，可以得到的解释数据也比较多这种共振一般可以从目标散射响应中的非共振部分 分离开来具体的共振散射产生机理的的研究工作不在本论文的范围之内但是充气钢壳体在水中 的共振散射现象将可以让我们认识到共振散射的存在性 一个厚度非常薄的壳体( 在极限范围内看成一个气泡) 在声学上这种壳体作为个软目标其 特征为散射波输出的相位和入射波的相位在低频部分( 如k a 5 ) 在壳体接触面会反相而一个厚 度非常厚的壳体的散射可以看成是刚性物体的散射，这种情况下。散射波输出的相位和入射波的相 位在低频部分在壳体接触面是连续的 在具体分析共振散射的特点时这些散射目标的刚性和软性都是要被考虑在内的 下面将就刚性体和软性体中间的一些具体的厚度例子来较全面的讨论钢壳体的共振散射情况 相对厚度h 内半径b ( e r a ) 对象说明 ( 外半径为2 5 c m ) h ( o ，0 0 3 ) b ( 2 4 2 5 ，2 5 ) 薄壳体 准软性目标或者软背景( 入射波 镜反射回波的相位反向 h ( o 0 3 ，o 1 2 ) b ( 2 2 ，2 5 2 5 ) 中等厚度壳体 h ( o 1 2 ，1 ) b - - ( o ，2 2 ) 厚壳体 准钢性目标或者钢性背景 h = 1b = 0 固体实心目标 准钢性目标或者钢性背景 表1 3 壳体的厚度范围 图1 - 3 为外半径为固定2 5 c m ，内部半径为2 2 c m 到2 5 c m 不等的钢壳体在充气后，并浸没海水 中的模拟传递函数。 7 - 东南大学硕士学位论文 图i - 3 钢壳体的散射传递函数模型中厚度和共振特征的关系( 充气。壳体外为海水， g = 2 5 c m b e 【2 2 ，2 4 9 c m ，a b = o 1 c m ( a h = o 0 0 4 ) ，一些特征已在图上标出) 从图l - 3 上我们可以看出壳体厚度越厚，所导致的传递函数越复杂，共振散射特征就越难被检 测和鉴别。相反如果厚度较薄，所拥有的共振散射特征就比较简单，就比较容易鉴别。 图l - 4 钢壳体的散射传递函数模型中共振频率和相对强度的关系 ( 钢壳体c = 2 5 c m ，b = 2 4 4 c m ，d = 6 r a m ，h = o 0 2 4 ) 8 - 第一章共振放射理论 在图l - 4 中，纵轴为传递函数幅度的d b 表示，我们可以清楚的看到共振谱中各族以及他们不 同的阶数的共振波所处的频率位置及其相对幅度 1 2l a m p - t y p e 波【4 】【7 】 l a m p - t y p e 波是在壳体物质中绕着壳体作环绕运动的波，它主要产生于圆柱型壳体。并且壳体外 部媒质是液体，壳体内部媒质是真空或者空气对称波( 波) 和非对称波( 以波) 都属于这类 波 在对称波中s o 在图1 3 k a 轴向中相对于其他次的波要稍微明显些，表现为较为清晰的，尖锐， 等问隔的线状痕迹，对于一些比较厚的壳体，这些虽然存在。但是一般是不明显的 1 3s c h o l t e s t o n e l e y 波 2 1 1 4 1 s 9 1 s c h o l t e - s t o n e l e y 也被称为a 波。是由流体衍生的，围绕着散射目标截面。相速度以低于波速c 但是逐渐接近于c ( 类似于扇波的相速度) 当s c h o | t e - s t o n e l c y 的散射相速度曲线和l a m p 4 y p e 波的 散射相速度曲线在坐标图中的某段位置相对接近时，传递函数的幅度的值将增大，最近点时幅值增 加到最大，这时的这个频率可称为吻合频率当频率高于这段频率时，以波的相速度将逐渐升高， 然后逐渐偏离s c h o l t e - s t o n e l e y 波的相速度。s c h o l t e - s t o n e l e y 波依然保持亚音速这时传递函数的幅 度逐渐降低整个吻合频率两侧传递函数幅度较强的部分可称为强集中区( s t r o n g o b e n d i n gr e g i o n 图 l 一3 ) s c h o l t e - s t o n e l e y 波的共振主要取决于外部介质和外半径的大小，如果外部介质和外半径的大 小不变，仅内半径和壳体材质变化时则可粗略的认为吻合频率是固定的 强集中区的宽度则近似为内半径的函数，但是它的位置则不仅取决于外部的介质，还取决于壳 体的厚度如果是非常薄的壳体，则这个区域出现在比较高的频率区，相反如果是较厚的壳体，则 出现在频率较低的区域。 强集中区和它所产生的相关的共振特性，在薄壳体中的表现要强于厚壳体中的表现，但是还受 到瓯的很大的干扰，一般也不容易检测正确，特别是在低频处，这些特性经常被忽略 同时强集中区的存在也会影响在相同频率区域中其他的共振特征如s c h o l t e s t o n e l e y 波的共振特 征) 的检测和识别 - 9 东南大学硕士学位论文 1 4 吻合频率( c o n c i d e n c ef r e q u e n c y ) c 2 j 【4 】 吻合频率指的是当s c h o i 协s t o 眦i e y 的相速度和a 波的相速度一致或者相似，使得在强集中区 域中传递函数幅度出现能量增强并达到最大点时的频率吻合频率还有一些其他重要的特征如图 l - 3 ，如果壳体的外半径和壳体材质的截面速度已知，则吻合频率和壳体厚度相关联，在如图1 3 随 着壳体厚度的增加而频率位置降低。所以如果有可能清楚的检测和识别出这个共振特征的变化，就 有可能估计出壳体的厚度 1 5 有关共振的通用理论公式1 4 下面的公式为共振散射理论中有关共振特征的两个基本关系公式。 q 。一i c k l a n q 一曲c 岛一一向，。- 1 ) 口 ( 1 3 ) 这些公式仅在入射波为正入射时才为有效，否则它的相速度和群速度就会由入射角来决定。 当第f 族的波是在截面上时，相关的速度q ，一和q ，9 的速度都等于散射体材质的截面波速。 1 6 共振信号的相关检测【1 0 1 1 1 1 1 2 1 【13 1 水下弹性物体的声散射理论越来越受到各界的重视，因为散射回波包含着很多可以鉴别散射目 标的共振散射特性事实上，各种各样的方法已经被采用来从散射目标的散射回波中提取共振特征， 并且经常可能会用到临时得到的信息或者声压的传递特征来确定共振是否存在 m u r p h 等人从浸没在流体中的弹性球壳体的短时脉冲的响应中，分离出了散射中的共振部分， 他的主要做法是通过把散射体模拟成一个钢性的散射体背景，并对这个背景模型公式化，以此来分 离出共振部分在r i p o c h 等人的实验中，用一个含有几个周期的短时脉冲去激发一个铝质的圆柱型 充气薄壳体。从频谱上检测到了共振散射信号。d - b i l l y 等人用短时脉冲和类似的方法检测到了弹性 圆柱型金属管的共振现象。还有s e s s a r e g o 利用时频中w i g n e r - v i l l e 分布。来检测波球壳体的脉冲响 应。时频揭示了共振信号在时间轴和频率轴上的能量分布w i l b u r 和k a r g i 等用小波变换来处理水 中薄球壳体的散射回波，仿真结果显示低次的对称环绕波能够被检测到。 - l o 第一章共振散射理论 1 7 本章小结 本章归纳和总结了前人的弹性物体的共振散射理论，并以一个水下钢壳圆柱体为例。讲述了特 征共振的存在性、基本现象和基本特征。为下文中的目标的散射波中的共振特征的提取提供了必要 的依据 东南大学硕士学位论文 第二章自适应滤波算法提取散射波中的共振散射信号 使用窄脉冲对物体激发并对接收到豹特征信号进行谱分析，利用频域特征实现被测物体识别是 一种早己采用的有效方法在水声环境中入射波激发目标产生的共振散射信号可作为目标的一种 特征信号。但在般情况下，总存在混响、环境噪声以及回波信号等干扰。并随着时间的推移，共 振散射信号在水中衰减非常多如果采用时间门的方式，在时域上截取纯共振部分，则在实际的水 声环境中，此时的共振信号与噪声的信噪比则往往比较低，这样得到的共振谱中的共振峰和宽度会 受到其他谱的强干扰，存在相当大的不确定范围 间段的共振部分相对于纯共振部分能量衰减较少 较高的共振信号 难以作为识别的特征量。而在散射波中镜反射i 时 如果能把镜反射波信号滤去，就可以得到信噪比 本章将采用一种自适应滤波的算法【1 4 l 【1 5 1 ，在水下悬浮目标的散射信号中提取共振散射信号其 中主要过程是对直达波序列和散射波序列的时延估计及延时匹配，然后用匹配过的序列自适应滤波。 数据结果表明。这种算法能够比较有效的提取表征目标物理特性的共振散射信号 2 1 自适应滤波器的基本原理和算法 2 1 1 自适应滤波器的基本原理【1 6 】【1 力 针对非平稳过程的维纳滤波问题。假定产生期望过程d ( n ) 的最小均方误差估计的f i r 维纳滤波 器的单位脉冲响应为w 0 ) ，即： j ( 珂) = 芝w ( 七p ( h 一后) ( 2 1 ) 若输入信号序列x ( h ) 和d ( 帕是联合宽平稳的，r e ( h ) = d ( ”) 一a ( 哟，则使均方差e l e ( n ) f 最 小的滤波器系数是如下w i e n e 卜h o p f 方程的解： b w = ( 2 2 ) 但是这时d ) 和x ( n ) 是非平稳的，因此使e k ( 疗) 1 2 ) 最小的滤波器系数将不是常数，而与n 有关， 即滤波器是移变的。其输出为： 孑( 玎) = 艺( 七p ( 疗一七) ( 2 3 ) 其中( 七) 是第七个滤波系数在n 时刻的值。上式可用矢量表示为： 孑( ，1 ) = 峨7 x ( ) ( 2 4 ) - 1 2 一 第二章白适应滤波算法提取散射波中的共振散射信号 其中= ( o ) ，( 1 ) 9 - 9 ( p ) 7 是n 时刻的滤波器系数矢量移交的( 自适应) 滤波器的设 计在很多方面比移不变的维纳滤波器设计困难的多，因为它需要解针对每个n 的最优滤波器系数 为简化问题，我们可以不要求在每一时刻n 的7 都使均方误差最小，但是在每一个时刻对嵋进行 如下的修正： “= + 饥7(25) 其中嵋为修正量，从而在i r 卜l 时刻获得新的系数矢量“上式的修正方程是自适应滤波的核 心如图2 - 1 所示，设计自适应滤波器就是要设计这一修正方程的具体形式即使要处理的是平稳 过程，也可以用这种形式来实现移不变维纳滤波器因为第一，若滤波器阶数p 很大，直接求解 晰n e n e r h o p f 方程很困难或不可能；第二，若置是病态的( 几乎奇异) ，则w i 纰n e 卜h o p f 方程的解 将对舍入误差和有限精度效应极度敏感；第三，也是最重要的，求解w i n e n * h 叩f 方程需要已知( 后) 和( 句，而这些整体平均值一般多是未知的，因此必须由观察值来估计他们，如： - 11 一1 ) 2 专丢x ( 胛) ，q 一七)吆( 七) 2 专萎d ( 九) x 。一七) ( 2 6 ) d 习 图2 一l 包括移变滤波器睨( z ) 和修正系数 ) 的自适应算法的自适应滤波器框图 这种估计将需要n 个采样的延时。更麻烦的是，在整体平均也随时间改变的非平稳环境，以上 的估计要不断的进行更新 自适应滤波器的关键模板是其修正规则，即算法，它定义的修正形式虽然目前还不清楚 这一修正量应该是什么，但有一点很清楚，就是这一修正序列应使均方误差下降事实上。无论采 用何种算法。自适应滤波器都有如下特性： 在乎稳环境，自适应滤波器所产生的a 校正序列将使收敛到w i n e n e r - h o p f 方程的解。 即l i m w 。= 疋“ 1 3 - 东南大学硕士学位论文 计算心时并不需要知道统计量 ) 和么( 七) 这些统计量的估计应隐含在自适应滤波器 中 对非平稳信号，该滤波器将自适应于改变的统计量，并随时间“跟踪”其最优解。 由图2 1 可以看出，自适应滤波器的实现中，如何获得误差信号f ( 一) 是很重要的，e ( n ) 使滤波 器可以“度量”其性能，并确定滤波器系数如何修正，没有p ( 柠) ，滤波器就不能自适应。 2 1 2f i r 白适应滤波器 与f i r 或递归滤波器不同，f i r 自适应滤波器已在实际中获得广泛应用，如数字通信系统的自适 应系统均衡、自适应噪声抑制系统等等它之所以应用广泛：原因有如下几点：第一，通过对滤波 器系数进行限幅，很容易控制其稳定性；第二，调节滤波器系数的算法比较简单有效；第三，根据 其收敛性和稳定性，对其算法的性能已有深入的了解；第四，所设计的f i r 自适应滤波器通常都能 满足实际要求 一个用于从有关信号x ( 玎) 中估计所需要信号d ( 竹) 的f i r 自适应滤波器如图2 2 所示。其输出为： 孑( n ) = ( 七) x o 一七) = 嵋7 x ( 疗) ( 2 7 ) ；( 1 1 ) 一，4， 幽2 - 2 f i r 目适应滤波器 假设x ( n ) 和d ( n ) 是非平稳随机过程，拟求解n 时刻的系数矢量，使如下均方误差最小： 占( 阼) = e 愀疗) 1 2 ) 其中 e ( 竹) = d ( 珂) 一孑( 疗) = d ( 一) 一，7 x ( n ) ( 2 9 ) 显然t 该优化问题可通过令占( 珂) 对以 ) ( k = o ，1 ，p ) 的导数为零来求解。结果有： e ( e ( n ) x 0 一i ) ) = o ，k = o , l ，p ( 2 1 0 ) 将式( 2 9 ) 代入上式，得： e 矿蓦啪m 川) ) x 洳叫) = o ， ，p 种 ， 第二章白适应滤波算法提取散射波中的共振散射信号 重组各项后，得： 窆( ，) e 扛( ”一，) r ( 万一_ | ) j = e p ( ”) f o 一_ | ) j ，七= o ，1 ，p ( 2 1 0 上式是p + l 维的线性方程组，也只有p + 1 个未知量嵋( ，) 所以方程的解与n 有关方程组的 矢量形式为： 疋( 疗) 圳么o ) ( 2 1 2 ) b ( 珂) = e ( x ( n ) x ( h ) ) e ( x ( 玎) x ( h 一1 ) ) ； e ( 工( ”) f ( 以一力) e ( 工o 1 ) x ( n ) ) e ( x ( 栉一1 ) x ( 珂一1 ) ) ； 点( 工( 玎一1 ) ，( 刀一p ) ) e ( x ( 胛一p ) x ( 甩) ) e ( 工( n p ) x ( 玎一1 ) ) ； 占( 工( 力一p ) ，( 疗一p ) ) 是一个p x p 的埃米特自相关阵而： ，k 。( e ( d ( 一) x ( n ) ) ，e ( d ( 疗) x ( 行一1 ) ) ，e ( d ( 栉) x ( 行一p ) ) ) 7 ( 2 1 3 ) 是d ( h ) 和x ( ，1 ) 之间的互相关矢量对于非平稳情况，我们并不是针对每个n 求解式( 2 1 1 ) ，因 为这在实时环境下几乎是不可能的，而是基于最陡下降法导出一种迭代方法 2 1 3 递归最小二乘( r l s ) 自适_ 匝算法 l m s 自适应滤波等方法都属于使均方误差s ( n ) = e 1 e ( n m 2 j 最小的梯度下降算法。该方法的 缺点是需要知道输入过程的自相关e x ( h ) x + ( 万一七) 以及输入和期望输出问的互相关 层 d ( 打) ，o j i ，当这些统计信息未知时，就必须由效据来估计他们l m s 自适应器中，是取 瞬时值作为整体平均的估计，即： e d ( n ) x ( n 一七) = p ( 玎) x ( n - k ) ( 2 1 4 ) 虽然在有些应用中该方法是可行的，但在另一些应用中，这种梯度估计将不能提供足够快的收 敛速率或者足够小的超量m s e 。因此，希望有一种误差测度，它不需要求期望运算。可以直接由数 据计算获得最小平方误差就是这一测度： 占( ”) = k ( 0 1 2 ( 2 1 5 ) 它不需要x ( n ) 或d ( n ) 的统计信息，可直接由x ( n ) 或d ( ”) 进行计算但是。使均方误差最小和使 最小= 乘误差最小在原理上有很大的差别，前者所估计的滤波器系数对具有相同统计特性的所用数 据系列都适用，因此系数只取决于其集总平均，而与到达的数据无关而后者与x ( 刀) 或d ( ，1 ) 的特 - 1 5 - 东南大学硕士学位论文 定值直接相夫，结果对不同的信号，将得到不同的游波器，所估计的握波器系效只对给定的数据最 优，而不是对一类过程在统计上最优换句话说，对不同的实际信号x ( 玎) 或d ( 珂) ，将导致不同的 解，即使这些系列具有相同的统计特性。 采用f i r 自适应滤波器的设计，设计滤波器系数嵋= ( ( o ) ，( 1 ) ，( p ) ) 1 使得n 时刻 如下的加权最小二乘误差最小： 占= 芝l e ( 0 1 2 ( 2 1 6 ) j 巾 其中0 五l 是指数加权( 遗忘) 因子。且 e ( i ) = a ( 0 一y ( f ) = d ( f ) 一7 x ( f ) ( 2 i d 算法可归纳为 参数： 初始化 计算公式 p2 滤波器的阶数 a = 指数加权因子 万= 用于初始化p ( o ) 的值 c o o = 0 p ( 0 1 = 艿。， 对珂= l 2 ，计算 z ( , o - - - e ( , , - o x n ) k ( 竹) 2 瓦巧1 丽z ( 以) e ( 甩) = d ( 雅) 一，_ 一7n ) = 一- + e ( n ) g ( 栉) 户( 即) = 三( 尸( 厅一1 ) 一足( 疗) z h ( 疗) ) 2 1 4 递归最小二乘( r l s ) 自适应算法性能分析 初始化的缺点是将在最小二乘解中引入一个偏差，但若取指数加权因子彳 l ，该偏差将随n 的值增大而趋于0 。 r l s 算法和l m s 算法的计算量不同l m s 算法只需要p 量阶次的乘法和加法，而r l s 算法需 要p 2 量阶的计算量。具体来说计算z ( 珂) 需要( p + 1 ) 2 次乘法，计算增益矢量g ( 以) 需要2 p + 1 ) 次乘法，先验误差盯( 厅) 需p + 1 次乘法。自相关阵的逆矩阵尸0 ) 的修正需2 ( p + 1 ) 2 次乘法，总共 1 6 - 第二章自适应滤波算法提取散射波中的共振散射信号 是3 ( p + 1 ) 2 + 3 ( p + 1 ) 次乘法，另外还需要与此差不多次数的加法这样的计算量的增加换来 的是性能的提高一般来说i t l s 算法比l m s 算法收敛的快，且当x ( 以) 是平稳过程时，算法对墨( ) 的特征值的分布不太敏感但另一方面若没有指数加权，r l s 将不能较好的跟踪非平稳过程，因 为若a = 1 ，所有的数据在估计相关时是等比重加权 2 2 实验系统 于2 0 0 5 年6 月2 4 日东南大学水声楼消声水池进行了一次使用声波信号激发物体，采集共振散 射的实验 实验目的是：验证在水中用声波信号激发物体而产生共振散射的现象存在，并且对实验结果进 行分析。找出适合于检测共振散射波的方法 实验的主要设备与仪器：录音机、功率放大器、换能器、水听器、数据采集系统等 实验信号流程图及主要设备如图所示： 图2 - 3 实验系统俯视图 - 碟f t , m8 5 7 n t + 图2 - 4 实验系统侧视图 一1 7 东南大学硕士学位论文 发射换能器：本次实验采用一个换能器，和功率放大器相连接，可以通过调整功率放大器来调 整发射信号强弱。 接收水听器：本次实验采用一个水听器来构成接收装置，水听器与数据采集系统相连 消声水池： 位于东南大学水声楼，其尺寸为，8 5 7 m ( 长) 5 m ( 宽) 5 m ( 深) 信号源：经功率放大器为换能器提供信号。 目标：金属的人造物体( 圆柱形钢壳体半径r = 1 5 c m ，高h = 4 5 c m ，厚度d = 1 2 啪) 自然物体( 一个：石块反射面3 0 3 0 c m ) 2 3 发射波形【6 】【1 2 】【1 8 】 发射波形这里将采用r i c k e r 子波的脉冲，波形如图2 - 5 所示，表达式为 r ( f ) = 1 2 g f ) 2 ) e x p ( 一( 碑) 2 ) 其振幅谱也是大家熟知的即 m = 筹e 印心 2 6 、o ， 式中g 为r i c k e r 子波表征频率的一个参数，其频域图形如图2 - 6 所示。 i 翻_ 曲- 一托t 一 ，- h 呷州 图2 - 5r i c k e r 予波时域图 图2 - 6k i c k e r 子波频域图 由图2 - 5 可见，r i c k e r 子波形状简单，主峰两侧各有一个旁瓣，延续时间也很短；从图2 - 6 中可 易看出r i e k e r 子波具有宽带，低频分量较小，频谱较平缓等优点，符合本实验的要求。 2 4 算法系统的设计 如图2 - 7 中自适应滤波系统的参考量入射波x ( f 1 ) ，在实验中将采用水听器接收到的直达波( 如 图2 8 ) 的序列而散射波的d ( n ) 将采用水听器接收到的散射波序列( 如图2 - 8 ) 。通过这种方法，自 - 1 8 第二章自适应滤波算法提取散射被中的共振散射信号 适应滤波器系统能够提供散射波的跟踪估计，从而它们的误差信号即为共振散射部分e ( n ) 的估 计 要实现上述算法，必须满足两个条件： 一。散射波中的镜反射波( 除去共振散射和噪声的散射波) 必须和入射的参考波之间必须非常 相关，而和噪声，以及共振信号之间并不相关 = ，由于散射波中的镜反射波信号是窄脉冲信号，要使自适应滤波系统的跟踪波对镜反射波快 速一致，入射的参考波必须和镜反射波在时间上一致，同时自适应滤波的学习速度足够快。 参考城 图2 - 7 算法模型l 图2 - 8 水听器接收信号 - 1 9 2 5 时延估计 2 5 1 时延估计原理f 1 7 】f 1 9 1 1 2 0 1 、基本时延估计原理 通常有两个接收阵风和凰的所接收接收到的信号可表达 fx l ( t ) = s ( t ) + t h ( t ) k ( ，) = 甜( 卜r ) + 啦( r ) ( 2 2 s ) 其中，f ( ，) 为目标声源信号，方差记为以2 ，啊o ) 与啦( f ) 为互不相关的加性高斯观察噪声 设方差同为口j 2 。睇为第二路接收信号衰减因子，为方便讨论，常定为1 由于信道中存在噪声影响，因此水听器接收到的信号是随机的。因此，必须采用统计的方法来 进行时延估计，且估值必然存在误差。常用的