实验数据的多途提取研究

　　在主动和被动声呐信号处理中,多途时间延迟估计是一个经典而有意义的问题[1,2].信道的多途特性和发射信号的畸变使得许多信号处理方法的应用受到限制.为了了解信道的特性,必须分析多途的时延和幅度.时间延迟估计成了水声信号处理的热点,近年来出现了许多相关的文献和估计方法,但是还没有一种算法能够有效而精确地提取爆炸信号的多途,原因是爆炸信号不是确知的,并且发射信号很难完整地进行测量、仿真.到目前为止时间延迟估计仍然是许多水声专家和学者所关注的问题之一.

　　基于主动时延估计算法WRELAX(WeightedFourier transform and relaxation based algorithm )的分析,本文偿试了该方法应用于爆炸信号的多途结构提取,并总结应用中所遇到的问题.

　　1 数值计算

　　参考文献[1],用s(t)表示发射信号,e(t)表示环境噪声,那么水听器接收信号可表示为

　　式中:L为多途数,T为观测时间,al和τl分别是第lth多途的幅度和时延,代价函数可写为

　　式中:ωl=-2πτl/NTs, Y(K)和S(K)分别是接收信号和发射信号的傅立叶变换,N为采样点数,Ts为采样周期.设向量

　　式中:(.)T表示转置.假设已知,则有

　　把式(2)代入式(1)中,式(1)可改写为

　　这样多途提取问题就转化为对al和τl求解式(3)的极小值问题.如果多途的幅度是复数,那么经过简单数学运算可得al和τl的估计表达式

　　如果al是实数,al和τl的估计表达式的形式变化为

　　基于以上的分析,我们将数值计算两个例子.算例一中假定发射信号为CW脉冲;算例二中假定发射信号为指数衰减的CW脉冲,衰减系数为α.

　　发射信号的脉冲宽度都是5ms,信号频率1kHz,采样率10kHz.为了计算的简化,算例中多途到达数假定为3个,到达时刻和幅度分别为(30ms,0.9V)、(35ms,0.7V)、(40ms,0.8V),噪声服从正态分布,方差0.09.算例1的接收信号见图1,多途提取的结果为:(30ms,0.70V)、(35ms,0.63V)、(40ms,0.65V),迭代次数2次.算例2的接收信号见图2,多途提取的结果为:(30.0ms,0.93V)、(34.9ms,0.65V)、(40.0ms,0.78V),迭代次数2次,衰减系数为-1000.仿真结果表明,在一定信噪比条件下,此方法可获得精确的时延估计.大量的计算表明,信噪比的降低将引起迭代次数的增加,并且估计精度也随之降低.时延和幅度估计精度还与发射信号的波形有关,当噪声超过一定量级时,小幅度的多途将被淹没.

　　2 实验数据处理

　　2002年5月在南中国海进行了爆炸声源的浅海远距离传播实验,垂直接收水听器阵由22个基元组成,采样率为24kHz.下面将用此方法进行实验数据多途分析,深24m水听器接收信号见图3,距离30.5km.由于爆炸声信号波形不是确知的,下面将假定两种发射信号形式并对同一数据进行分析.