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(fù)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(fù)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(shù)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(shè)條件獲取期望信息,比較適合應(yīng)用于水聲被動信號處理,盲信號分離技術(shù)作為其中一個重要分支內(nèi)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(yīng)用需求。論文主要研究內(nèi)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(nèi)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(yīng)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(diào)整因子。論文在傳統(tǒng)GDE準則基礎(chǔ)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(shè)計中存在人為確定調(diào)整因子的問題,論文設(shè)計了一種由蓋爾圓信息自動確定調(diào)整因子的方法,GDE準則使用該調(diào)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(gòu)法拓展觀測信號個數(shù),將欠定條件轉(zhuǎn)換為超定條件。原相空間重構(gòu)法只能增加與陣元數(shù)目相同的重構(gòu)信號,針對這一局限,給出了可重構(gòu)多個信號的改進相空間重構(gòu)方法,使用該方法,并結(jié)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(chǔ)上,多數(shù)情況下這種假設(shè)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(jié)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(nèi)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(gòu)法對波束域信號升維;然后在最大化負熵的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)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(shù)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(shù)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(nèi)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(jié)合