水聲信號處理的盲信號分離方法研究.pdf

1、水聲被動信號處理中,往往由于實際水聲環(huán)境復雜多變,干擾和噪聲又難以確定,由水聽器(或水聽器陣)直接觀測到的信號,大多是多源目標信號經(jīng)多途傳輸后在接收點疊加并與干擾背景噪聲(海洋環(huán)境噪聲)混合的一種復雜信號,嚴重影響著后期的目標定位、檢測、識別等方面的性能和精度。盲信號處理技術可以無需源信號先驗知識而僅僅利用接收信號和某些統(tǒng)計假設條件獲取期望信息,比較適合應用于水聲被動信號處理,盲信號分離技術作為其中一個重要分支內容,它的目標是獲得多個源

2、信號的最佳估計,在需要準確獲得水下目標的真實源信號時具有重要應用需求。論文主要研究內容包括三方面:欠定情況下源數(shù)目估計方法;單波束信號內多源信號的盲分離方法及含噪波束信號的凈化方法;適合單矢量傳感器的盲信號分離方法。
　　實現(xiàn)盲信號有效分離的前提條件是源數(shù)目的準確估計,所以論文首先研究了源數(shù)目的估計問題。眾多的源數(shù)目估計方法中,蓋爾圓(GDE)準則法既適用于高斯白噪聲背景,又適用于色噪聲背景,具有重要的應用價值。但傳統(tǒng)GDE準則法

3、存在一定的弊端:低信噪比或者小快拍數(shù)條件下的檢測性能不盡如人意,而且需要人為確定調整因子。論文在傳統(tǒng)GDE準則基礎上提出了一種改進蓋爾圓準則(MGDE)方法,該方法主要利用蓋爾圓圓心信息壓縮蓋爾圓半徑,使噪聲蓋爾圓進一步遠離信號蓋爾圓,從而更有利于低信噪比或者小快拍數(shù)條件下源數(shù)目的準確估計;同時,針對GDE準則設計中存在人為確定調整因子的問題,論文設計了一種由蓋爾圓信息自動確定調整因子的方法,GDE準則使用該調整因子,不但檢測性能得到改

4、善,而且避免了人為因素的影響。
　　欠定條件下源數(shù)目估計問題是盲信號分離問題中的難點之一,論文選用相空間重構法拓展觀測信號個數(shù),將欠定條件轉換為超定條件。原相空間重構法只能增加與陣元數(shù)目相同的重構信號,針對這一局限,給出了可重構多個信號的改進相空間重構方法,使用該方法,并結合適當?shù)脑磾?shù)目估計方法可以從單陣元信號中正確估計大于兩個源的數(shù)目。
　　許多水聲信號處理方法和理論都建立在高斯噪聲模型基礎上,多數(shù)情況下這種假設是合理有效

5、的,但研究表明:水聲環(huán)境噪聲、艦船輻射噪聲等常常具有?穩(wěn)定分布(?-StableDistribution)的特性:其概率密度函數(shù)具有比較厚重的拖尾,表現(xiàn)在時間波形上就是具有顯著的脈沖特性,這種情況下基于高斯噪聲模型的處理算法性能退化,甚至不能得到正確結果。針對這一情況,論文初步探討了服從?穩(wěn)定分布的隨機向量的源數(shù)目估計和DOA估計問題。一方面提出使用協(xié)共變矩陣代替協(xié)方差矩陣,從而實現(xiàn)超定源數(shù)目估計,并仿真驗證了源數(shù)目估計性能;另一方面:

6、對二維單矢量水聽器的振速向量采用經(jīng)驗函數(shù)法和投影法兩種譜測度估計方法進行源數(shù)目估計和DOA估計,仿真表明:前者只能實現(xiàn)單個聲源的DOA估計,后者可以實現(xiàn)多源的數(shù)目估計和DOA估計。
　　論文使用盲信號分離的手段進一步對波束信號進行分析處理,目的是解決兩方面問題:一是分離波束內來自同一方位、或者相互靠得很近的多個源信號;二是進一步凈化含有噪聲的波束信號,因為僅僅依靠波束形成無法實現(xiàn)這樣的目的。論文首先從增加波束域信號維數(shù)的角度,主要

7、運用相空間重構法對波束域信號升維;然后在最大化負熵的基礎上,推導了最小化邊緣熵準則,給出了基于概率密度估計的獨立邊緣熵計算方法,以該最小化邊緣熵為分離準則,采用正定盲分離技術進一步分離或凈化單波束信號。研究表明:將盲信號分離技術用作波束形成的后置信號處理方法是合理有效的,它既可以輔助波束形成法分離波束內來自同一方位、或相互靠得很近的多個源信號,也可以對含有噪聲的單源波束信號進行凈化處理。另外,從盲信號分離的角度考慮,將其與波束形成法結合