[发明专利]一种随机共振增强的声矢量信号定向方法

摘要

本发明提供了一种随机共振增强的声矢量信号定向方法，可以实现幅度线性增益的适用于定向中的矢量声信号降噪处理，能够解决低信噪比情况下矢量声定向误差大的问题，具有良好的定向效果。本发明主要应用于低信噪比环境下对水下弱目标的定向，并对实际中的矢量声信号相位不一致具有良好的抗性，是一种稳健的单矢量水听器定向方法。

主权项

1.一种随机共振增强的声矢量信号定向方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：采集目标声源矢量声信号：p(t)，v_x(t)，v_y(t)，其中p(t)为声压通道信号，v_x(t)，v_y(t)分别为正交的振速通道信号；步骤2：分段双稳态随机共振系统处理使用式(1)所示一阶分段双稳态随机共振系统处理矢量声信号：其中，x为系统输出，t为时间，表示接受到的矢量水听器各通道信号，A₀为输入信号的幅度，f₀为输入信号的频率，为初始相位，ξ(t)表示高斯白噪声，D为背景噪声强度，U_p(x)为系统势函数，表达式为：其中，a、b为系统参数，是大于零的实数，步骤3：设定系统参数搜索范围和初始值设定系统参数a、b的搜索范围a∈[a_min,a_max]，b∈[b_min,b_max]以及系统参数的搜寻步长a_sep和b_sep，取a_min＝b_min＝0,a_max和b_max大于等于0.1,a_sep和b_sep小于等于0.0001，取系统参数初始值为a＝a_min，b＝b_min；步骤4：系统数值求解采用判断的方式选择迭代公式：若输入信号则将系统参数a、b代入公式(3)计算下一个输出值：若输入信号则将系统参数a、b代入公式(4)四阶龙格库塔方法计算下一个输出值：若输入信号则将系统参数a、b代入公式(5)计算下一个输出值：其中x_n表示系统输出的第n个离散值，x_n+1表示系统输出的第n+1个离散值，s_n+1表示输入信号的第n+1个离散值；步骤5：系统输出全局信噪比求解与存储通过离散傅里叶变换(DFT)求解步骤4所得输出信号的功率谱，按照公式(6)计算信噪比SNR：其中，N为信号长度，A_f为功率谱信号处的幅值即信号的能量，代表输出信号的总能量，代表噪声的能量；将信噪比SNR和对应的系统参数a、b存储；步骤6：按照步骤3中所设的搜索步长a_sep和b_sep分别改变系统参数a、b，即从系统参数初始值a_min和b_min开始取值，每次递进一个搜索步长a_sep和b_sep，循环执行步骤4到步骤5，直到系统参数a、b均达到步骤3中所设搜索范围上限，存储每次循环计算得到的信噪比SNR及信噪比所对应的系统参数；步骤7：在步骤6所存储的所有信噪比中选取信噪比最大值作为最优值，并提取最优值对应的系统参数a、b作为最优系统参数a_opt、b_opt；步骤8：将步骤7获取的最优系统参数a_opt、b_opt代入步骤2所述的分段随机共振系统中求解输出，获得时域输出信号，对获得的输出信号求取峰峰值Ao_ut＝[A₁,A₂,A₃,…A_n]，峰峰值是指一个周期内信号最大值和最小值之间的差值，A_n指第n个周期的峰峰值；步骤9：对步骤1中所述矢量声信号p(t)，v_x(t)，v_y(t)重复执行步骤3到步骤8，获得p(t)的峰峰值A_pout＝[A_p1,A_p2,A_p3,…A_pn]，v_x(t)的峰峰值A_vxout＝[A_vx1,A_vx2,A_vx3,…A_vxn]，以及v_y(t)的峰峰值A_vyout＝[A_vy1,A_vy2,A_vy3,…A_vyn]；其中A_pn，A_vxn，A_vyn分别表示矢量声信号p(t)，v_x(t)，v_y(t)经过处理后的信号第n个周期的峰峰值；步骤10：计算水平方位角使用公式(7)计算水平方位角：其中<·>表示求均值，θ为估计出的水平方位角；步骤11：输出矢量声定向结果，即估计出的水平方位角θ。