專利名稱：快變水聲信道中的確知信號(hào)檢測(cè)方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域，特別是一種適用于快變水聲信道的確知信號(hào)檢測(cè)方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
確知信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)在水聲通信和探測(cè)等領(lǐng)域中有著重要的用途，例如水聲通信中導(dǎo)頻、前導(dǎo)碼、時(shí)間同步信號(hào)、擴(kuò)頻碼等信號(hào)的檢測(cè)、信令的檢測(cè)以及水聲探測(cè)中的探測(cè)回波信號(hào)檢測(cè)等。由于水聲信道是ー個(gè)極其復(fù)雜的時(shí)間-空間-頻率變化、有限頻帶、長(zhǎng)時(shí)延、大多普勒頻移、強(qiáng)多途干擾和高噪聲的信道，是自然界處理難度最大的無(wú)線通信信道之一，因此要準(zhǔn)確地檢測(cè)出水下的確知信號(hào)存在著較大的困難，尤其當(dāng)多普勒頻移、多途干擾、噪聲等信道條件快速變化時(shí)，現(xiàn)有的技術(shù)均難以取得很好的效果。
聲波傳播速度低帶來(lái)的較大的多普勒頻移是水下確知信號(hào)檢測(cè)的難點(diǎn)之一，它造成信號(hào)在時(shí)域上持續(xù)時(shí)間的壓縮或擴(kuò)張，使得傳統(tǒng)的匹配濾波器、相關(guān)檢測(cè)等檢測(cè)方法性能大幅下降，因此在信號(hào)檢測(cè)時(shí)通常都需要對(duì)其進(jìn)行多普勒補(bǔ)償，在估計(jì)出當(dāng)前的多普勒頻移后，采用插值變采樣法或頻域插值法等對(duì)頻移后的信號(hào)進(jìn)行校正。常用的多普勒頻移估計(jì)方法主要有基于模糊度函數(shù)的估計(jì)和塊多普勒頻移估計(jì)兩種，前者采用多個(gè)離散相關(guān)器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，用具有最大相關(guān)峰值的相關(guān)器來(lái)估計(jì)多普勒頻移，但系統(tǒng)運(yùn)算能力要求較高；后者通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)幀在時(shí)域上的壓縮或擴(kuò)展來(lái)估計(jì)出多普勒頻移因子。常用的多普勒頻率補(bǔ)償方法有插值變采樣法和頻域插值法，插值變采樣法是用估計(jì)出的相對(duì)多普勒頻移確定出新的采樣點(diǎn)位置，然后用已知采樣樣本進(jìn)行插值，計(jì)算出新的采樣值，構(gòu)成消除頻移后的信號(hào)，頻域插值法則是利用最大似然檢測(cè)的手段在頻域?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。強(qiáng)多途干擾和高噪聲是水下確知信號(hào)檢測(cè)的另ー個(gè)難點(diǎn)?；陉嚵械牟ㄊ纬墒悄壳八曂ㄐ胖幸种贫嗤靖蓴_和噪聲的ー種常用手段，它通過(guò)對(duì)不同陣元接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的運(yùn)算(如加權(quán)、延遲以及求和等)，在信號(hào)的來(lái)波方向形成波束，只允許沿空間某一方向傳播的信號(hào)通過(guò)，而抑制來(lái)自其他方向的干擾和噪聲，從而獲得空間增益，提高信噪比。通過(guò)波束形成，可以較有效地抑制水下通信中多徑干擾和環(huán)境噪聲。盡管現(xiàn)有的水下確知信號(hào)檢測(cè)方法在水聲信道緩變的情況下可以取得較好的效果，但在多普勒頻移、多途干擾、噪聲等信道條件快速變化時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)仍存在著較大的不足，主要有(I)現(xiàn)有的多普勒頻移和估計(jì)方法大多假設(shè)發(fā)收雙方的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度或加速度一定，當(dāng)多普勒頻移變化較快、使得待檢測(cè)信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)多普勒頻移發(fā)生非均勻變化時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)的性能將顯著下降；(2)現(xiàn)有的波束形成方法是針對(duì)信號(hào)和噪聲的來(lái)波方向進(jìn)行優(yōu)化的，并不直接與檢測(cè)結(jié)果相聯(lián)系，因此對(duì)來(lái)波方向估計(jì)的準(zhǔn)確度較敏感，且其參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整速度有限，在水聲信道的多途結(jié)構(gòu)和噪聲特性變化較快時(shí)存在著較大的局限性；(3)在現(xiàn)有的確知信號(hào)檢測(cè)方法中，多普勒頻移補(bǔ)償和多途干擾/噪聲抑制兩個(gè)步驟是相互獨(dú)立、分開進(jìn)行的，難以取得聯(lián)合優(yōu)化的效果。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有水下確知信號(hào)檢測(cè)方法的不足，本發(fā)明提供了一種適用于快變水聲信道的確知信號(hào)檢測(cè)方法，該方法將動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折技術(shù)與波束形成技術(shù)相結(jié)合，可以有效地消除因信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)多普勒頻移發(fā)生非均勻變化造成的檢測(cè)性能下降，同時(shí)通過(guò)時(shí)間彎折路徑與接收陣列參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化，使參數(shù)的設(shè)置直接與檢測(cè)結(jié)果相關(guān)，降低了波束形成對(duì)來(lái)波方向估計(jì)準(zhǔn)確度的要求，更好地適應(yīng)水下快變的傳輸環(huán)境。本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)上述水下確知信號(hào)檢測(cè)方法的系統(tǒng)。本發(fā)明可以廣泛用于水下通信和探測(cè)等領(lǐng)域中的確知信號(hào)檢測(cè)，特別適用于多普勒頻移、多途干擾、噪聲等信道條件快速變化的確知信號(hào)檢測(cè)。本發(fā)明提供的快變水聲信道中的確知信號(hào)檢測(cè)方法，對(duì)于接收陣列在一段時(shí)間(可以為設(shè)定時(shí)間)內(nèi)接收的信號(hào)，采用以下步驟來(lái)檢測(cè)其中是否包含待檢測(cè)的確知信號(hào)步驟I :初始化接收陣列的權(quán)值矩陣；步驟2 :第一次執(zhí)行本步驟時(shí)采用步驟I初始化后的權(quán)值矩陣，若不是第一次則采 用步驟4調(diào)整后的權(quán)值矩陣，對(duì)接收陣列的輸入信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，將待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，并計(jì)算它們之間的相似度；步驟3 :如果當(dāng)前的相似度與前一次迭代得到的相似度之間的改變量小于預(yù)設(shè)的閾值(如果是第一次計(jì)算步驟2所述相似度，則可以視所述前一次迭代得到的相似度為0)，或者迭代數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)次數(shù)吋，則轉(zhuǎn)步驟5 ；步驟4 :調(diào)整陣列的權(quán)值矩陣，使沿步驟2中時(shí)間對(duì)準(zhǔn)路徑對(duì)準(zhǔn)的待檢測(cè)的確知信號(hào)和增強(qiáng)后的輸入信號(hào)間的相似度最大，轉(zhuǎn)步驟2 ；步驟5 :檢查待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后兩者之間的相似度是否大于給定值，如果是，則輸入信號(hào)中檢測(cè)出確知信號(hào)，否則輸入信號(hào)中未檢測(cè)到確知信號(hào)。上述步驟I中的權(quán)值矩陣初始化，首先估計(jì)信號(hào)的來(lái)波方向，然后采用波束形成的方法得到接收陣列的初始權(quán)值矩陣。上述步驟2中，待檢測(cè)的確知信號(hào)和增強(qiáng)后輸出的信號(hào)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)采用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折技術(shù)進(jìn)行，具體包含以下步驟步驟2. I :計(jì)算待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)沿不同時(shí)間路徑對(duì)準(zhǔn)的累積相似度；步驟2. 2 :找出一條累積相似度最大的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)路徑，將待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)按該路徑進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。上述步驟4中，權(quán)值矩陣采用以下方法進(jìn)行調(diào)整步驟4. Ia :將時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后的待檢測(cè)確知信號(hào)和增強(qiáng)后的輸入信號(hào)間的相似度表示為權(quán)值矩陣的函數(shù)；步驟4. 2a :計(jì)算相似度對(duì)于權(quán)值矩陣的梯度函數(shù)；步驟4. 3a :采用梯度下降法調(diào)整權(quán)值矩陣；步驟4. 4a :采用新的權(quán)值矩陣對(duì)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后的輸入信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，并計(jì)算增強(qiáng)后的信號(hào)與待檢測(cè)確知信號(hào)之間的相似度，如果當(dāng)前的相似度與前一次迭代的相似度變化量小于給定值，或迭代次數(shù)超出預(yù)設(shè)次數(shù)，則輸出權(quán)值矩陣并結(jié)束，否則轉(zhuǎn)步驟4. 3a。
上述步驟4中，權(quán)值矩陣還可以采用以下方法進(jìn)行調(diào)整步驟4. Ib :將時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后的待檢測(cè)確知信號(hào)和增強(qiáng)后的輸入信號(hào)間的相似度表示為權(quán)值矩陣的函數(shù)；步驟4. 2b :將相似度對(duì)權(quán)值矩陣中的每個(gè)元素求偏導(dǎo)，并令偏導(dǎo)等于0 ;步驟4. 3b :將得到的方程組成方程組并求解，得到當(dāng)前最優(yōu)的權(quán)值矩陣。本發(fā)明提供的快變水聲信道中確知信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，由換能器陣列、多路數(shù)據(jù)采集模塊、波束形成模塊、動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折匹配模塊、權(quán)值矩陣調(diào)整模塊、檢測(cè)判決模塊共同構(gòu)成，其中換能器陣列、多路數(shù)據(jù)采集模塊、波束形成模塊、動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折匹配模塊、檢測(cè)判決模塊順次連接，權(quán)值矩陣調(diào)整模塊與波束形成模塊、動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折匹配模塊連接。換能器陣列 完成多路水聲信號(hào)的接收；多路數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)換能器陣列接收到的多路信號(hào)進(jìn)行采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換；波束形成模塊采用波束形成的方法，根據(jù)權(quán)值矩陣的設(shè)置對(duì)輸入的多路陣列信號(hào)進(jìn)行來(lái)增強(qiáng)；動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折匹配模塊采用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)；檢測(cè)判決模塊完成對(duì)輸入信號(hào)中是否存在待檢測(cè)的確知信號(hào)的判斷；權(quán)值矩陣調(diào)整模塊完成波束形成時(shí)陣列的權(quán)值矩陣的調(diào)整。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下主要優(yōu)點(diǎn)(I)寬帶信號(hào)的多普勒頻移在時(shí)域上表現(xiàn)為信號(hào)持續(xù)時(shí)間的壓縮或擴(kuò)張，本發(fā)明采用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折技術(shù)將待檢測(cè)的確知信號(hào)和輸入信號(hào)進(jìn)行時(shí)間上的對(duì)準(zhǔn)，然后再進(jìn)行比較檢測(cè)，與現(xiàn)有技術(shù)相比可以更好地處理多普勒頻移變化較快、待檢測(cè)信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)多普勒頻移發(fā)生非均勻變化的情況；(2)本發(fā)明中，接收陣列權(quán)值矩陣的調(diào)整目標(biāo)與檢測(cè)結(jié)果直接相關(guān)，對(duì)來(lái)波方向估計(jì)的準(zhǔn)確度具有較高的魯棒性，并且能根據(jù)當(dāng)前接收的數(shù)據(jù)和待檢測(cè)的確知信號(hào)自動(dòng)最優(yōu)地設(shè)置，沒(méi)有參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整速度的限制，因此與現(xiàn)有技術(shù)相比更能適應(yīng)水聲信道中快變的多途結(jié)構(gòu)和噪聲特性；(3)本發(fā)明中，多普勒頻移補(bǔ)償和接收陣列的權(quán)值矩陣調(diào)整是聯(lián)合優(yōu)化的，因此能夠取得比現(xiàn)有技術(shù)更好的檢測(cè)性能。說(shuō)明書附I為本發(fā)明實(shí)施例I的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.圖2為本發(fā)明實(shí)施例I中水下確知信號(hào)檢測(cè)方法流程圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例I中采用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折技術(shù)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的流程圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例I中接收陣列權(quán)值矩陣調(diào)整的流程圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例2中接收陣列權(quán)值矩陣調(diào)整的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖
和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)ー步說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此。本發(fā)明實(shí)施例I的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖I所示，由換能器陣列、多路數(shù)據(jù)采集模塊、波束形成模塊、動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折匹配模塊、權(quán)值矩陣調(diào)整模塊、檢測(cè)判決模塊共同構(gòu)成，其中換能器陣列、多路數(shù)據(jù)采集模塊、波束形成模塊、動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折匹配模塊、檢測(cè)判決模塊順次連接，權(quán)值矩陣調(diào)整模塊與波束形成模塊、動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折匹配模塊連接。換能器陣列包括L個(gè)接收換能器，用以接收多路水聲信號(hào)；多路數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)換能器陣列接收到的多路信號(hào)進(jìn)行采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用多路數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)；波束形成模塊、動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折匹配模塊、檢測(cè)判決模塊和權(quán)值矩陣調(diào)整模塊采用微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中波束形成模塊采用波束形成的方法，根據(jù)權(quán)值矩陣的設(shè)置對(duì)輸入的多路陣列信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折匹配模塊采用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，檢測(cè)判決模塊完成對(duì)輸入信號(hào)中是否存在待檢測(cè)的確知信號(hào)的判斷，權(quán)值矩陣調(diào)整模塊完成波束形成時(shí)陣列的權(quán)值矩陣的調(diào)整。本發(fā)明實(shí)施例I中，采用以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)快變水聲信道中的確知信號(hào)檢測(cè)，其流程如圖2所示(以下符號(hào)、式子或函數(shù)除特別說(shuō)明的外，均為本領(lǐng)域常規(guī)的表達(dá))步驟I :初始化接收陣列的權(quán)值矩陣； 實(shí)施例I中，權(quán)值矩陣的初始化分兩步進(jìn)行，首先估計(jì)信號(hào)的來(lái)波方向，然后根據(jù)信號(hào)的來(lái)波方向采用波束形成的方法得到接收陣列的初始權(quán)值矩陣。信號(hào)來(lái)波方向估計(jì)和波束形成目前已有多種成熟的方法，在實(shí)施例I中，信號(hào)的來(lái)波方向采用MUSIC算法來(lái)估計(jì)，確定信號(hào)的來(lái)波方向后，采用MVDR波束形成算法來(lái)得到接收陣列的權(quán)值矩陣初始值。步驟2 :采用權(quán)值矩陣對(duì)接收陣列的輸入信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，將待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，并計(jì)算它們之間的相似度；設(shè)接收陣列的輸入信號(hào)為X[n] = (xi[n]，x2[n]，…，xJn])T，L為接收換能器的數(shù)目，則增強(qiáng)后的輸出信號(hào)為y[n]=wTX[n]，其中W為接收陣列的權(quán)值矩陣，()T表示矩陣的轉(zhuǎn)置，在實(shí)施例I中，W=[wi，w2，- ,WlJt0記增強(qiáng)后的輸出信號(hào)為Y(y[l]，y[2]，…y[M])，長(zhǎng)度為M,待檢測(cè)的確知信號(hào)為S= (s [I]，s [2]，…，s [N])，長(zhǎng)度為N，在實(shí)施例I中，采用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折技術(shù)對(duì)待檢測(cè)的確知信號(hào)S與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)Y進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，其流程如圖3所示，具體實(shí)施步驟如下步驟2. I :計(jì)算待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)沿不同時(shí)間路徑對(duì)準(zhǔn)的累積相似度。本領(lǐng)域的專業(yè)人員應(yīng)當(dāng)知道，相似度可以采用多種衡量的方式，例如信號(hào)的均方誤差、互相關(guān)等，在實(shí)施例I中，信號(hào)的相似度采用均方誤差來(lái)衡量，均方誤差越小，則相似度越高，均方誤差越大，則相似度越低。將Y的長(zhǎng)度M作為矩陣的行維數(shù)，S的長(zhǎng)度N作為矩陣的列維數(shù)，y[i]和s[j]的均方誤差作為矩陣中(i，j)元素的值，可構(gòu)成ー個(gè)MXN的誤差矩陣，從誤差矩陣(1，1)元素出發(fā)到(M，N)元素的一條路徑即為一條Y和S時(shí)間對(duì)準(zhǔn)的路徑，Y和S沿該時(shí)間路徑對(duì)準(zhǔn)后的累積均方誤差為〃[Y, S]=藝(>{,'」-(々])—其中Q為該對(duì)準(zhǔn)路徑的長(zhǎng)度，(iq, jq)為該對(duì)準(zhǔn)路徑上的ー個(gè)點(diǎn)。累積均方誤差越小，則沿該時(shí)間對(duì)準(zhǔn)路徑對(duì)準(zhǔn)后的Y和S的累積相似度越大。步驟2. 2 :找出一條累積相似度最大的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)路徑，將待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)按該路徑進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。在實(shí)施例I中，累積相似度最大的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)路徑通過(guò)動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折技術(shù)來(lái)尋找，方法為限定誤差矩陣中的任一元素(i，j)只可能有一條搜索路徑通過(guò)，對(duì)于(i，j)，可到達(dá)該元素的前ー個(gè)元素只能是(i-1，j_l)、和(i-1，j)中的ー個(gè)，則(i，j) 一定選擇這3個(gè)元素中累積均方誤差最小者作為前續(xù)元素，并通過(guò)該元素將路徑延伸至(i，j)，這時(shí)此路徑的累積均方誤差為， '/)(/, i -1)'"(へ./.)= (Jレ]—イノ])— +niin I.)(i -l j-\).
、外-w),其中，D(i，j)代表了(1，I)到(i，j)之間的最小累積均方誤差。這樣從(1，I)元素出發(fā)，對(duì)每ー個(gè)(i，j)都存儲(chǔ)相應(yīng)的前一元素及相應(yīng)的累積均方誤差D(i，j)，捜索到(M，N)吋，即可得到一條最佳的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)路徑，D(M, N)即為Y和S的沿該路徑進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后的
累積均方誤差。步驟3 :如果當(dāng)前的相似度與前一次迭代得到的相似度之間的改變量小于預(yù)設(shè)的 閾值，或者迭代次數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)次數(shù)，則轉(zhuǎn)步驟5。在實(shí)施例I中，將當(dāng)前的D(M，N)與前一次迭代得到的D(M，N)進(jìn)行比較，如果改變量小于預(yù)設(shè)的閾值，或迭代次數(shù)超過(guò)了預(yù)設(shè)的次數(shù)，則轉(zhuǎn)步驟5。步驟4 :調(diào)整陣列的權(quán)值矩陣，使沿步驟2中時(shí)間對(duì)準(zhǔn)路徑對(duì)準(zhǔn)的待檢測(cè)的確知信號(hào)和增強(qiáng)后的輸入信號(hào)間的相似度最大，轉(zhuǎn)步驟2。設(shè)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后的待檢測(cè)確知信號(hào)與增強(qiáng)后的輸入信號(hào)間分別為S '和Y'，長(zhǎng)度為K，在實(shí)施例I中，權(quán)值矩陣采用以下方法進(jìn)行調(diào)整步驟4. Ia :將時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后的待檢測(cè)確知信號(hào)與增強(qiáng)后的輸入信號(hào)間的相似度表示為權(quán)值矩陣的函數(shù)。將S'和Y'之間的相似度表示為S'和Y'之間的均方誤差^=E (小]-ダ[,ザ=I': (、,[/ ] —W7X,[ポ=E s[nf +WI'RW-2PrW其中X ' [n]是接收陣列的輸入信號(hào)X[n]按Y到Y(jié) '時(shí)間擴(kuò)展的路徑擴(kuò)展后的輸入信號(hào)，P = ￡ [s' [n] X' [/ ]] = / ； [.V' [/ ] x'n [n]，.s.' [//] x: [/ ], ,.ぐ[n] x' [/ ] 了，R 為 X ' [n]的自
相關(guān)矩陣；步驟4. 2a :計(jì)算相似度對(duì)于權(quán)值矩陣的梯度函數(shù)。均方誤差函數(shù)的表面梯度由均方誤差I(lǐng)對(duì)權(quán)值矩陣W求偏導(dǎo)得到V = -^-=生...生 ニ 2RW-2P步驟4. 3a :采用梯度下降法調(diào)整權(quán)值矩陣，并計(jì)算相應(yīng)的相似度。實(shí)施例I采用梯度下降法來(lái)調(diào)整權(quán)值矩陣W，其計(jì)算方法為Wi+1 =W,+//(-V,)其中k是迭代次數(shù)，U是調(diào)整步長(zhǎng)的常數(shù)且0<//<ニ，A是自相關(guān)矩陣R的最大
特征值。將梯度項(xiàng)代入可得W,+1 =(l-2//R)W,+2//P步驟4. 4a :采用新的權(quán)值矩陣對(duì)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后的輸入信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，并計(jì)算增強(qiáng)后的信號(hào)與待檢測(cè)確知信號(hào)之間的相似度，如果當(dāng)前相似度與前一次迭代的相似度變化量小于給定值，或迭代次數(shù)超出預(yù)設(shè)次數(shù)，則輸出權(quán)值矩陣并結(jié)束，否則轉(zhuǎn)步驟4. 3a。采用新的權(quán)值矩陣對(duì)X ' [n]進(jìn)行增強(qiáng)，計(jì)算增強(qiáng)后的信號(hào)與S '之間的均方誤差，如果當(dāng)前均方誤差與前一次迭代的均方誤差變化量小于給定值，或迭代次數(shù)超出預(yù)設(shè)次數(shù)，則輸出權(quán)值矩陣并結(jié)束，否則轉(zhuǎn)步驟4. 3a，如圖4所示。步驟5 :檢查待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后兩者之間的相似度是否大于給定值，如果是，則輸入信號(hào)中檢測(cè)出確知信號(hào)，否則輸入信號(hào)中未檢測(cè)到確知信號(hào)。在實(shí)施例I中，將步驟4. 4a中得到的增強(qiáng)后信號(hào)與S'之間的均方誤差與預(yù)設(shè)的閾值相比較，如果小于預(yù)設(shè)的閾值，則在輸入信號(hào)中檢測(cè)出確知信號(hào)，否則則在輸入信號(hào)中未檢測(cè)到確知信號(hào)。在本發(fā)明的實(shí)施例2與實(shí)施例I的不同之處在于步驟4中，如圖5，權(quán)值矩陣采用以下方法進(jìn)行調(diào)整步驟4. Ib :將時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后的待檢測(cè)確知信號(hào)與增強(qiáng)后的輸入信號(hào)間的相似度表示為權(quán)值矩陣的函數(shù)。該函數(shù)與實(shí)施例I中的步驟4. Ia相同。步驟4. 2b :將相似度對(duì)權(quán)值矩陣中的每個(gè)元素求偏導(dǎo)，并令偏導(dǎo)等于O。在實(shí)施例 2中，相似度為Y'和S'的均方誤差函數(shù)，對(duì)其求偏導(dǎo)，并令偏導(dǎo)等于0，可以得到ー組方程
權(quán)利要求
1.快變水聲信道中的確知信號(hào)檢測(cè)方法，其特征是對(duì)于接收陣列在一段時(shí)間內(nèi)接收的信號(hào)，采用以下步驟來(lái)檢測(cè)其中是否包含待檢測(cè)的確知信號(hào) 步驟I:初始化接收陣列的權(quán)值矩陣； 步驟2 :第一次執(zhí)行本步驟時(shí)采用步驟I初始化后的權(quán)值矩陣，若不是第一次則采用步驟4調(diào)整后的權(quán)值矩陣對(duì)接收陣列的輸入信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，將待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，并計(jì)算它們之間的相似度； 步驟3 :如果當(dāng)前的相似度與前一次迭代得到的相似度之間的改變量小于預(yù)設(shè)的閾值，或者迭代數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)次數(shù)吋，則轉(zhuǎn)步驟5 ； 步驟4 :調(diào)整陣列的權(quán)值矩陣，使沿步驟2中時(shí)間對(duì)準(zhǔn)路徑對(duì)準(zhǔn)的待檢測(cè)的確知信號(hào)和增強(qiáng)后的輸入信號(hào)間的相似度最大，轉(zhuǎn)步驟2 ; 步驟5 :檢查待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后兩者之間的相似度是否大于給定值，如果是，則輸入信號(hào)中檢測(cè)出確知信號(hào)，否則輸入信號(hào)中未檢測(cè)到確知信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快變水聲信道中的確知信號(hào)檢測(cè)方法，其特征是步驟I中的權(quán)值矩陣初始化，首先估計(jì)信號(hào)的來(lái)波方向，然后采用波束形成方法得到接收陣列的初始權(quán)值矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快變水聲信道中的確知信號(hào)檢測(cè)方法，其特征是步驟2中，待檢測(cè)的確知信號(hào)和增強(qiáng)后輸出的信號(hào)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)采用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折技術(shù)進(jìn)行，具體包含以下步驟 步驟2. I :計(jì)算待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)沿不同時(shí)間路徑對(duì)準(zhǔn)的累積相似度； 步驟2. 2 :找出一條累積相似度最大的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)路徑，將待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)按該路徑進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快變水聲信道中的確知信號(hào)檢測(cè)方法，其特征是步驟4中，權(quán)值矩陣采用以下方法進(jìn)行調(diào)整 步驟4. Ia :將時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后的待檢測(cè)確知信號(hào)和增強(qiáng)后的輸入信號(hào)間的相似度表示為權(quán)值矩陣的函數(shù)； 步驟4. 2a :計(jì)算相似度對(duì)于權(quán)值矩陣的梯度函數(shù)； 步驟4. 3a :采用梯度下降法調(diào)整權(quán)值矩陣； 步驟4. 4a :采用新的權(quán)值矩陣對(duì)時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后的輸入信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，并計(jì)算增強(qiáng)后的信號(hào)與待檢測(cè)確知信號(hào)之間的相似度，如果當(dāng)前的相似度與前一次迭代的相似度變化量小于給定值，或迭代次數(shù)超出預(yù)設(shè)次數(shù)，則輸出權(quán)值矩陣并結(jié)束，否則轉(zhuǎn)步驟4. 3a。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快變水聲信道中的確知信號(hào)檢測(cè)方法，其特征是步驟4中，權(quán)值矩陣采用以下方法進(jìn)行調(diào)整 步驟4. Ib :將時(shí)間對(duì)準(zhǔn)后的待檢測(cè)確知信號(hào)和增強(qiáng)后的輸入信號(hào)間的相似度表示為權(quán)值矩陣的函數(shù)； 步驟4. 2b :將相似度對(duì)權(quán)值矩陣中的每個(gè)元素求偏導(dǎo)，并令偏導(dǎo)等于O ; 步驟4. 3b :將得到的方程組成方程組并求解，得到當(dāng)前最優(yōu)的權(quán)值矩陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快變水聲信道中的確知信號(hào)檢測(cè)方法，其特征是所述一段時(shí)間為設(shè)定時(shí)間。
7.快變水聲信道中的確知信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征是包括換能器陣列、多路數(shù)據(jù)采集模塊、波束形成模塊、動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折匹配模塊、權(quán)值矩陣調(diào)整模塊和檢測(cè)判決模塊，其中換能器陣列、多路數(shù)據(jù)采集模塊、波束形成模塊、動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折匹配模塊、檢測(cè)判決模塊順次連接，權(quán)值矩陣調(diào)整模塊與波束形成模塊、動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折匹配模塊連接；換能器陣列完成多路水聲信號(hào)的接收；多路數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)換能器陣列接收到的多路信號(hào)進(jìn)行采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換；波束形成模塊采用波束形成方法，根據(jù)權(quán)值矩陣的設(shè)置對(duì)輸入的多路陣列信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)；動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折匹配模塊采用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)待檢測(cè)的確知信號(hào)與增強(qiáng)后輸出的信號(hào)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)；檢測(cè)判決模塊完成對(duì)輸入信號(hào)中是否存在待檢測(cè)的確知信號(hào)的判斷；權(quán)值矩陣調(diào)整模塊完成波束形成時(shí)陣列的權(quán)值矩陣的調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明公開了快變水聲信道中的確知信號(hào)檢測(cè)方法和系統(tǒng)，所述方法將動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折技術(shù)與波束形成技術(shù)相結(jié)合，可以有效地消除因信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)多普勒頻移發(fā)生非均勻變化造成的檢測(cè)性能下降，同時(shí)通過(guò)時(shí)間彎折路徑與接收陣列參數(shù)的聯(lián)合優(yōu)化，使參數(shù)的設(shè)置直接與檢測(cè)結(jié)果相關(guān)，降低了波束形成對(duì)來(lái)波方向估計(jì)準(zhǔn)確度的要求，更好地適應(yīng)水下快變的傳輸環(huán)境。本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)上述水下確知信號(hào)檢測(cè)方法的系統(tǒng)。本發(fā)明可以廣泛用于水下通信和探測(cè)等領(lǐng)域中的確知信號(hào)檢測(cè)，特別適用于多普勒頻移、多途干擾、噪聲等信道條件快速變化的確知信號(hào)檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01S7/52GK102778676SQ20121022523
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者馮義志, 寧更新, 張軍, 翟偉洪, 陳潔麗, 韋崗 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)