一种基于波数域滤波的水下航行器自噪声抑制方法

摘要

本发明一种基于波数域滤波的水下航行器自噪声抑制方法，首先将接收信号从时间‑空间域变换到频率‑波数域；然后设计对应的波数域滤波器；最后进行波数域滤波，滤波后将信号从频率‑波数域变换至时间‑空间域；利用水听器阵接收信号通过水体传播与通过无人航行器本体传播的不同，利用信号在波数域上的特征，在波数域上对自噪声进行抑制，主要去除采集到的非水体传播噪声，实现接收信号在波数域上的降噪，从而提高信号在相应频带内的信噪比。

说明书

技术领域

本发明属于水下航行器自噪声抑制领域，尤其涉及一种基于波数域滤波的水下航行器自噪声抑制方法。

背景技术

水下航行器的自噪声是水声工程中影响目标探测的主要因素之一，为了降低水下航行器自噪声对其搭载的声呐系统在水下物体成像、远程目标探测中声信号处理性能的影响，设计自主水下航行器自噪声抑制算法是提升其声呐系统性能的重要手段。

水下航行器自噪声是对于安装在水下航行器的水听器阵所能接收到的噪声，作用在水听器阵上噪声主要有：

(1)振动噪声：水听器阵与平台连接处由于震动传到水听器阵列的噪声；

(2)螺旋桨噪声：水下航行器平台螺旋桨转动产生的噪声；

(3)流噪声：水听器阵表面的湍流边界层产生的噪声和水听器阵列表面粗糙引起的涡流噪声；

(4)水听器阵内部器件的电噪声和海洋环境噪声。

对于搭载在水下航行器上的水听器阵，对于其平台自噪声的抑制方法一直是研究的热点与重点。除了通过传感器密封材料、阵结构(流线型)设计以及通过专用的隔震材料等物理降噪手段，通过信号处理技术实现平台自噪声的抑制亦是另一个研究热点。

目前针对带内噪声的抑制方法从时间域和波束域的角度考虑主要有自适应噪声抵消以及空域滤波两种手段。在阵列孔径受限的情况下，无论是对平台自噪声的精确定位还是信号分离都难以取得令人满意的效果。此外，水下航行器在航行过程中噪声源分布极为复杂，很难用简单的点声源辐射噪声来描述，这对参考噪声信号的提取造成了巨大的困难，导致使用自适应噪声抵消技术作为预处理手段以提升信噪比的方案难以实施。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于波数域滤波的水下航行器自噪声抑制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于波数域滤波的水下航行器自噪声抑制方法，利用水听器阵接收信号通过水体传播与通过无人航行器本体传播的不同，利用信号在波数域上的特征，设计相应的波数域滤波器，在波数域上对接收信号进行滤波，对自噪声进行抑制，具体包括如下步骤：

1)将接收信号在时间-空间进行二维傅里叶变换，将接收信号从时间-空间域转换到频率-波数域。

2)设计相应的波数域滤波器，用以去除非声学信号。

3)进行波数域滤波，滤波后利用逆二维傅里叶变换将信号从频率-波数域变换至时间-空间域。

进一步地，步骤1)具体为：首先接收到的信号通过二维傅里叶变换，将接收信号从时间-空间域变换到频率-波数域，变换公式为：

式中，y(t,x)表示接收信号的时间-空间域，Y(f,k

式中，c表示传播声速，k表示波数，θ表示波达方向与水听器阵列水平方向的夹角。

进一步地，步骤2)具体为：信号进行波数域滤波，水听器阵列必须满足空间采样定理，即阵元间距：

式中，k

进一步地，设计波数域滤波器中参考声速c为1450m/s，信号截止频率为2200Hz。

进一步地，步骤3)具体为：将变换至频率-波数域的接收信号用设计的波数域滤波器进行滤波，滤波方式为将变换至频率-波数域的接收信号乘以设计的波数域滤波器，滤除接收信号中的非水体传播信号，利用二维傅里叶反变换获得声学信号的时间-空间域表示。

式中，Y'(f,k

本发明的有益效果是：本发明适用于多频段、无需提取噪声源、有效抑制试验频带内水下航行器自噪声；利用水听器阵接收信号通过水体传播与通过无人航行器本体传播的速度不同，从而导致信号在波数域上的特征存在显著差异，在波数域上对自噪声进行抑制，在不影响水体声信号前提下滤除接收信号中采集到的非水体传播噪声，从而提高信号在相应频带内的信噪比，达到自噪声抑制的目的。

附图说明

图1是基于本发明提出的方法流程图；

图2是接收信号在频率-波数域上的示意图；其中，a为接收信号在5s的频率-波数域特征图；b为a的局部放大图；c为接收信号在16s的频率-波数域特征图；d为c的局部放大图；

图3是设计的波数域滤波器示意图；

图4是16元接收阵采集数据进行波数域滤波前后的信号频谱对比图；其中，a为十六元线阵接收信号通道13进行波数域滤波前后对比图，b为图a在频率2100Hz附近的局部放大；

图5是4元接收阵采集数据进行波数域滤波前后的信号频谱对比图；其中，a为四元线阵接收信号通道1进行波数域滤波前后对比图，b为图a在频率2100Hz附近的局部放大。

具体实施方式

水听器阵采集的信号可以分为水体传播信号与非水体传播信号，这两类信号传播速度存在显著差异，本发明利用传播速度的差异，将接收信号从时间空间域变换到频率波数域，利用水体传播信号与非水体传播信号在波数上的差异，设计对应的波数域滤波器，去除采集信号中的非水体传播信号，达到水下航行器自噪声抑制的目的。

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明一种基于波数域滤波的水下航行器自噪声抑制方法，包括以下步骤：

1)对接收信号在时间-空间域进行二维傅里叶变换，将接收信号从时间-空间域转换到频率-波数域。

水听器阵列中不同位置阵元接收到的信号具有空间位置与时间信息，通过二维傅里叶变换，将接收信号从时间-空间域变换到频率-波数域，变换公式为：

式中，Y(f,k

频率f与波数k的关系为：

式中，c表示传播声速，

2)设计波数域滤波器，用于去除水听器阵接收到的非水体传播信号。

对接收信号进行波数域滤波，水听器阵列必须满足空间采样定理，否则可能导致波数谱混叠，产生空间假频：

式中，k

按照接收信号的最大波数k

3)进行波数域滤波，滤波后将接收信号从频率-波数域变换至时间-空间域。

将步骤1)变换至频率-波数域的接收信号用步骤2)设计的波数域滤波器进行滤波，滤波方式为将变换至频率-波数域的接收信号乘以设计的波数域滤波器，滤除接收信号中的非水体传播信号。将进行波数域滤波后的接收信号进行逆二维傅里叶变换，将滤波后频率-波数域信号变换至时间-空间域信号：

式中，Y'(f,k

为验证本发明的有效性，开展了海试实验验证，实验中共有两种水听器接收阵列，分别为四元线阵及十六元拖曳阵，两种水听器阵列分别安装在两种不同型号的水下航行器上。实验中设计的目标信号频率为2100Hz，发送周期为60s，信号长度为40s，自主水下航行器水下航行定深为10m。本实施例的实验开展了两种不同型号的自主水下航行器自噪声抑制验证工作。接收信号的频率-波数域如图2a、图2c所示，分别表示接收信号在5s、16s的频率-波数域特征图，图2b、图2d分别表示接收信号在5s、16s的频率-波数域特征图的局部放大图，图中的白线表示目标信号到达方向的角度参照线，可以清楚的看到目标信号由于波达方向的变化而导致在波数域上产生的明显变化。

图4a、图4b是十六元拖曳阵自主水下航行器接收信号的波数域处理结果，图5a、图5b是四元线阵自主水下航行器接收信号的波数域处理结果，由图4、图5所示在不同的水听器阵列不同型号的水下航行器接收信号处理结果显示，在接收信号的低频部分，水下航行器自噪声得到了较好的抑制，而在目标信号的频段的水下航行器自噪声也得到了一定程度的抑制，接收信号信噪比相比较于波数域滤波前得到了提升。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。