改進(jìn)的自適應(yīng)線譜增強(qiáng)方法（DALE方法）用于線譜檢測研究

孫昕 李兵 房毅 中國人民解放軍91439部隊(duì)96分隊(duì)，遼寧 大連 116041

改進(jìn)的自適應(yīng)線譜增強(qiáng)方法（DALE方法）用于線譜檢測研究

孫昕 李兵 房毅 中國人民解放軍91439部隊(duì)96分隊(duì)，遼寧 大連 116041

本文采用一種改進(jìn)的自適應(yīng)線譜增強(qiáng)方法（DALE方法）對(duì)線譜進(jìn)行檢測，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，可以提高對(duì)高背景噪聲下的單頻信號(hào)檢測性能。

線譜; 自適應(yīng)線譜增強(qiáng); LMS

引言

艦船的輻射信號(hào)中包含了豐富的線譜，其成分代表了目標(biāo)的特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射噪聲的線譜成分檢測和提取，對(duì)于水中兵器的自導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的意義。但是，由于通常情況下，線譜特征被淹沒于相對(duì)較強(qiáng)的寬帶背景噪聲下，對(duì)線譜特征進(jìn)行有效的提取和檢測具有很大的困難。對(duì)線譜進(jìn)行增強(qiáng)有助于窄帶線譜特征的提取。本文采用一種改進(jìn)的自適應(yīng)線譜增強(qiáng)方法（DALE方法）對(duì)線譜進(jìn)行檢測，提高了對(duì)多普勒頻移的信號(hào)或者是頻率緩慢調(diào)制的信號(hào)的檢測性能。

1.自適應(yīng)線譜增強(qiáng)（ALE）算法

自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器(ALE）是自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用，最初由Widrow等人在1975年提出，其主要的功能是從寬帶的噪聲中分離窄帶信號(hào)；其基本思想是不相關(guān)噪聲的自適應(yīng)抵消，是一種增強(qiáng)單頻信號(hào)分量的有效方法。其基本原理如圖1所示，當(dāng)輸入中包含兩種成分：寬帶噪聲信號(hào)和周期信號(hào)時(shí)，可以將其延時(shí)后送入LMS的輸入端，經(jīng)過延時(shí)后的寬帶噪聲成分已與原來的輸入不相關(guān)，而周期信號(hào)延時(shí)前后則保持強(qiáng)相關(guān)。于是將周期信號(hào)抵消，只存在寬帶噪聲成分，輸出則只存在周期信號(hào)，此時(shí)，LMS自動(dòng)調(diào)節(jié)權(quán)值W，以達(dá)到對(duì)周期信號(hào)“選通”的作用。

圖1 自適應(yīng)線譜增強(qiáng)原理（ALE）

ALE的性能取決于權(quán)值W，LMS是最優(yōu)權(quán)值搜索的一種簡單實(shí)用的算法，這種算法使用每次輸出的瞬時(shí)均方誤差差代替均方誤差，由于LMS用每次輸出的瞬時(shí)均方誤差差代替均方誤差，所以最優(yōu)權(quán)的搜索是帶噪的，權(quán)值的運(yùn)動(dòng)軌跡并不嚴(yán)格的按照梯度的方向更新，而是具有漂移的特點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，權(quán)值在最優(yōu)權(quán)值的附近小范圍內(nèi)漂移。

2 改進(jìn)的DALE算法

由于ALE基于噪聲的不相關(guān)性和窄帶信號(hào)的相關(guān)性，對(duì)于具有多普勒頻移的信號(hào)或者是頻率緩慢調(diào)制的信號(hào)，單端輸入的ALE的性能會(huì)下降，為了克服這種弊端，可以采用雙端輸入的自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器(DALE），具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DALE的原理框圖

為了使得噪聲去相關(guān)，DALE仍舊采用了延時(shí)環(huán)節(jié)，參考信號(hào)和輸入信號(hào)的頻率變化難以保持同步。利用矢量水聽器輸出的共點(diǎn)聲壓和振速兩個(gè)通道的噪聲的不相關(guān)性，可以將延時(shí)環(huán)節(jié)去掉，對(duì)窄帶信號(hào)而言，共點(diǎn)所測得的聲壓和振速的頻率變化是一致的，這樣就可以避免由于延時(shí)產(chǎn)生的參考信號(hào)的頻率漂移對(duì)ALE性能的影響，從而提高了ALE對(duì)頻率變化的信號(hào)的適應(yīng)能力，其信號(hào)處理框圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)DALE原理框圖

DALE的計(jì)算公式為：

DALE仍舊使用參考信號(hào)當(dāng)前和前面L個(gè)輸入來估計(jì)輸出信號(hào)，所以參考信號(hào)實(shí)際上仍舊有一定的延時(shí)，如果權(quán)值個(gè)數(shù)太多，勢必會(huì)造成參考信號(hào)和輸入信號(hào)的頻率成分的不一致性，使得信號(hào)的相關(guān)程度變小。

3 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們用仿真信號(hào)來驗(yàn)證上述的分析，兩個(gè)通道的信號(hào)都采用線性調(diào)頻信號(hào)（LMF信號(hào)），兩個(gè)通道中的LMF信號(hào)是相同的，而兩個(gè)通道的噪聲相互獨(dú)立高斯白噪聲，LMF信號(hào)為：

信號(hào)的采樣頻率為4KHz，信號(hào)的輸入SNR=-3dB，其STFT如圖4(a）所示，DALE自適應(yīng)輸出信號(hào)的STFT如圖4(b）所示。

圖4

DALE的權(quán)值更新步長與權(quán)值向量的個(gè)數(shù)的關(guān)系和ALE是一樣的，在分析類似于LMF的信號(hào)時(shí)，步長在允許的取值范圍內(nèi)應(yīng)該大一些，否則緩慢的收斂速度不適于跟蹤信號(hào)頻率的變化。分析中我們采用200個(gè)權(quán)，步長為0.00005，在圖4(b）中可以看出在DALE前面的輸出信號(hào)頻率分布很集中，后面輸出的信號(hào)頻率附近仍然有一些能量較大離散頻點(diǎn)，正是由于DALE時(shí)用了前面L個(gè)參考信號(hào)的輸出估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻輸出所導(dǎo)致的，但是輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相比較已經(jīng)大大提高了信號(hào)的信噪比。

4 結(jié)語

綜上所述，ALE及DALE完全可以用于窄帶線譜信號(hào)、頻率慢變信號(hào)等信號(hào)的線譜分析。需要說明的是，雖然ALE以及DALE顯著提高了窄帶分量或者頻率慢變信號(hào)的輸出信噪比，但是由于水下輻射噪聲信號(hào)的復(fù)雜性，ALE以及DALE不一定適用于所有的情況，可以把線譜增強(qiáng)作為一個(gè)附加的處理模塊，根據(jù)情況來靈活應(yīng)用。

[1]李啟虎，李敏，楊秀庭.水中目標(biāo)輻射噪聲中單頻信號(hào)分量的檢測.理論分析[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2008，33(3）：193～196.

[2]張艷喜，張伯珩，等. 基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器在水聲信號(hào)處理中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7(12）：2830～2833.

[3]何振亞. 自適應(yīng)信號(hào)處理[M].北京:科學(xué)出版社,2002,86～87.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.022