基于雙信號對比法的水聲信號重構技術

楊奮，鄒男，付進

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基于雙信號對比法的水聲信號重構技術

楊奮1，鄒男2,3，付進2,3

(1. 中國人民解放軍91388部隊，廣東湛江524022；2. 哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001； 3. 哈爾濱工程大學水聲工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

針對水聲信道的多途干擾問題，提出了一種適合同態系統的信號重構方法。從同態濾波技術的解卷積特性出發，推導了水聲多途信道的復倒譜表達式，對比不同地點或不同時刻接收信號的倒譜特征，通過提取相似性高的成分，實現了基于雙信號對比法的水聲信號重構技術。仿真和試驗數據處理結果驗證了方法的有效性，且性能優于常規特征濾波器。

復倒譜；多途信道；信號重構

0 引言

水下聲信道因邊界反射及介質不均勻性而呈現多途特性，如何采取有效措施實現水聲信道多途抑制一直都是水聲領域的難點和熱點問題[1,2]。通常采取的方法有：在碼元間增添適當的間隔用以保護，但是會降低系統的效率[3]；選擇適當的調制技術，但當帶寬等條件受限時性能急劇下降[4,5]；在發射機發射用戶數據前發射一段確定的固定長度的訓練序列，用以自適應均衡，但由于水聲信道是時變的，因此學習時間受到限制[6,7]。

同態濾波技術[8-10]是解決這類乘性干擾的有效手段。為了重構直達聲信號，特征濾波器[11,12]得到了廣泛應用。常用的低通特征濾波器因舍棄了“高時”部分的信號復倒譜因而重構誤差較大，梳狀特征濾波器需要估計每個多途時延，構建難度較高。

本文著重研究信道輸出信號經過同態特征系統后，在復倒譜域的濾波方法。以重構出的信號與激勵源信號的相關性作為標準，采用雙信號對比法，提出了適用于同態系統的水聲信號重構方法。該方法重構精度高，便于實現。仿真及湖試數據處理結果驗證了本文算法的有效性和應用價值。

1 同態濾波技術的解卷積特性

(2)

第一部分：

第二部分：

(4)

第三部分：

由此可知，水聲信道沖激序列經過復倒譜變換后仍然是一個沖激序列，只是序列延拓變為無限長。而原序列上的每一個多途尖峰脈沖都以其相對于直達波延遲時間為周期延拓，同時每條多途尖峰時延的加性組合處也會出現尖峰，幅度隨時間的增大而衰減，且衰減速度比原序列更快。

由圖1可知，激勵信號在倒譜域主要集中在低時段；信道在倒譜域仍然是一個沖激序列，驗證了上述推導的正確性；輸出信號倒譜為信號與信道倒譜的疊加，驗證了式(1)所示的倒譜解卷積特性。

2 基于雙信號對比法的水聲信號重構

信道輸出信號的復倒譜是激勵源信號復倒譜與信道沖激響應復倒譜的疊加，而海洋是時變、空變、頻變信道。據此可以推測，在相距一定距離的不同位置或相隔一定時間間隔的不同時刻接收到的兩段信號的復倒譜中，激勵源信號復倒譜分量的相似度高，信道沖激響應復倒譜分量的相似度則較低。在倒譜高時段幅值較大處觀察，可以發現，較小幅值分量對應激勵源信號的復倒譜，較大幅值分量則為多途尖峰脈沖。根據上述特點，本文提出了雙信號對比法。它的基本思想是：逐點對比兩段信道輸出信號的復倒譜，選擇較小的幅值，以此達到將多途脈沖尖峰濾除的目的。對比法的濾波流程如圖2所示。

3 仿真分析

設接收點為A點(0 m, 50 m, 50 m)，圖3為接收到的信號及其復倒譜。

設接收點為B點(110 m, 60 m, 50 m)，圖4為B點接收到的信號及其復倒譜。

將兩位置接收信號的復倒譜作對比，如圖5所示，藍線表示A點的信道輸出信號復倒譜，紅線表示B點的信道輸出信號復倒譜，綠線表示兩個復倒譜重疊的分量。可以看出，兩者相似的部分就是激勵源信號的復倒譜。

逐點對比兩段數據復倒譜的幅值并保留較小的幅值，將多途脈沖尖峰濾除，得到的是近似激勵源信號的復倒譜結果，再將結果通過同態逆濾波系統，就能重構出激勵源信號，雙信號對比法的信號重構結果如圖6所示。

仿真結果證明了本文算法的正確性。采用雙信號對比法濾波對信號的能量有一定損耗，因此重構信號的能量可能較直達波信號有所衰減。但從圖6可以看出，當接收到的兩段信號直達波幅度差異不大時，采用雙信號對比法濾波，對信號復倒譜分量的影響很小，因此重構出的信號與激勵源信號相比能量衰減較小。

圖5 A、B點信道輸出信號復倒譜對比圖

噪聲干擾是影響信號處理結果的一大原因，它會使多途信號發生更嚴重的畸變。下面在均值為0的高斯白噪聲背景下，觀察不同信噪比時利用同態濾波技術抑制信號多途、重構原始信號的效果。

圖7(a)和7(b)中，噪聲對信道輸出信號復倒譜域的波形影響較小，可以通過濾波器將多途尖峰濾除，從而恢復出較完整的信號，而圖7(c)中倒譜出現了很多偽峰，不僅使得低時段包含信號信息的復倒譜波形嚴重失真，且將多途脈沖尖峰湮沒，導致信道與信號無法分離，也就沒有辦法重構出激勵源信號。

(a) SNR=40dB時的接收信號和重構信號

(b) SNR=30dB時的接收信號和重構信號

4 湖試數據處理

本節使用的數據來源于某水聲系統于2009年10月的某湖試驗。試驗區水深約為60 m，其中在表面水層有10多米的等聲速層，再往下聲速明顯降低。發射CW脈沖信號的頻率，采樣率，信號長度為10 ms。圖8是接受數據A及其數據的復倒譜。這里的復倒譜是局部放大后的圖。

為了更好地說明本文方法的性能，首先采用低通特征濾波器濾波并重構信號，圖9為數據處理結果。可見，常規低通特征濾波器使得重構信號的脈寬明顯減小，重構的信號波形嚴重失真。

下面采用梳狀特征濾波器濾波并重構信號，圖10為數據處理結果。

由于多途特征在接收信號的倒譜中并不明顯，因此通過檢測沖激序列而實現梳狀濾波的效果不理想，致使重構信號仍然包含了多途的影響。

最后，采用雙信號對比法濾波并重構信號。該方法B段數據使用的是與A段數據在同一位置、不同時刻測得的信號。圖11為B段數據的時域波形及其復倒譜。

雙信號對比法的信號重構結果如圖12所示。

從上述采用不同方法對試驗數據濾波并重構原始信號的結果可以看出，經同態濾波技術處理之后，在一定程度上減弱了信道多途對激勵源信號的影響，并且重構出的信號特點與前面的仿真結果相符，證明了算法在工程應用上的有效性。對比各算法的實驗結果可知，本文提出的方法較經典的特征濾波法有較好的重構精度，具有工程應用價值。

5 結論

本文根據信道沖激響應的復倒譜特征，提出了一種基于雙信號對比的水聲信號重構方法。通過對比不同位置或不同時刻接收信號的復倒譜特征，提取出相似度高的倒譜分量，實現信號復倒譜濾波，濾除多途干擾，進而通過同態逆濾波高精度地重構原始信號。仿真分析和湖試數據處理結果證明了本文方法的有效性，在試驗條件下本文方法的重構精度高于經典的特征濾波器方法。

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Underwater acoustic signal reconstruction based on dual signals contrast

YANG Fen1, ZOU Nan2,3, FU Jin2,3

(1. Unit 91388, The People’s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, Guangdong, China;2. Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang,China; 3. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001,Heilongjiang, China)

According to the multi-paths of underwater acoustic channel, a new signal reconstruction method is put forward for homomorphic system. Considering the deconvolution feature of homomorphic filter, the complex cepstrum expression of the underwater acoustic multipath channel is deduced. The cepstrum features of the received signals in different places or different times are compared. By extracting the high similarity, the underwater acoustic signal reconstruction method is realized based on the dual signals constrast. Numerical simulations and lake trials verify the effectiveness of the proposed method, and the performance is better than the conventional eigenfilter’s.

complex cepstrum; multipath channel; signal reconfiguration

TG67

A

1000-3630(2015)-04-0293-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.04.001

2015-01-20;

2015-04-23

國家自然科學基金(51209059, 61201411)、國家“863計劃”(2013AA09A503)資助項目。

楊奮(1975－), 男, 廣東雷州人, 碩士, 研究方向為水聲信號處理。

鄒男, E-mail: zounan@hrbeu.edu.cn