一种矢量声的自适应滤波方法与流程

本发明涉及矢量传感信号的信号处理领域研究，主要涉及自适应信号处理，适用于矢量信号的滤波处理。

背景技术：

在水声、语音等声学领域，通常声场测量采用的是声压传感器。在声场中，不同的位置地点这些物理量的值不同，具有空变性，且同一地点的参量又是随着时间改变的，因此同时也具有时变性。因此测量一般需要考虑对时间与空间的测量，即采用阵列的方式。矢量声传感器是近年来新兴的一种传感方式，除了测量声压，还可测量声场中的三维振速参数，其可获得声场的矢量信息，单传感器即可替代阵列对目标声源进行定向与跟踪的应用。随着其技术的不断发展与成熟化，未来矢量声传感器的应用也将越来越广泛，包括水声信号传感、语音信号传感、机械声信号传感等。

对于传统一维声压信号的处理方法已有大量研究，其中自适应滤波是一种最重要的信号预处理手段。对于空间任意质点，由于传统声压传感方式依赖单传感器获取一维时间信号，因此自适应滤波方法只能依赖接收信号时间前后信息的一致性来进行滤波。如lms自适应滤波器，通过最小化延时信号能量误差来实现，其主要针对平稳信号进行滤波，对于非平稳信号一般就失去作用。而阵列虽然能获取空间信息，但是由于信号到达时间有延迟，因此时间、空间上的不一致性可能导致差的增益。新型矢量传感可以获取空间质点的4维信息，因此其信号处理方法相比传统方法也得到了更多的自由度且鲁棒性也更强。考虑矢量接收信号各通道同时同相的独特性质，将矢量接收器的多维信号同时输入设计的滤波系统，以输出信号的功率谱作为测度，可以选择出最优的滤波结果作为输出信号。其不仅可以充分利用将矢量声信号的特性，同时可以突破对移动的目标信号的动态处理。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种矢量声的自适应滤波方法，结合实测信号来向不定的情况，将矢量传感的四维通道两两匹配进行自适应滤波处理，得到4通道对应的16组滤波输出，以信号的功率谱密度作为测度，对输出信号的性能比较，输出各通道信号的滤波结果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是的具体步骤如下：

第一步：利用单矢量传感器采集声压分量p(t)及正交的三维振速分量vx(t)、vy(t)、vz(t)，即4通道信号，分别对4通道信号进行归一化处理，得到归一化声压分量p_in及正交的三维振速分量x_in、y_in、z_in，归一化公式如下：

其中，sin为矢量通道的输入信号，sout为归一化后的输出信号，min、max分别为矢量通道的输入信号sin的最小值和最大值；

第二步：如图1所示，将归一化的声压分量p_in及正交的三维振速分量x_in、y_in、z_in分别经过fft转换到频域；

第三步：将4通道矢量信号p_in、x_in、y_in、z_in经过频域转换后的信号两两组合进行自适应滤波，得到16组滤波输出，表示为：y_xx、y_xy、y_xz、y_xp、y_yx、y_yy、y_yz、y_yp、y_zx、y_zy、y_zz、y_zp、y_px、y_py、y_pz和y_pp；

第四步：x通道对应的输出信号为y_xx、y_xy、y_xz、y_xp，y通道对应的输出信号为y_yx、y_yy、y_yz、y_yp，z通道对应的输出信号为y_zx、y_zy、y_zz、y_zp，p通道对应的输出信号为y_px、y_py、y_pz和y_pp，利用公式(1)将x通道、y通道、z通道和p通道的输出信号进行归一化；16组输出信号利用公式(2)进行功率谱估计：

其中，为welch法得到的信号功率谱估计，将采样后信号分为l段，每段m个数据，d(n)为窗函数，为归一化因子；yⁱ(n)为每个通道对应的输出信号，ω为是数字角频率；

将每个通道对应的四个功率谱进行对比并选出每个通道性能最优的信号，其中性能最优的信号为每个通道中功率谱的峰值最大所对应的四个信号中噪声功率谱密度最低的信号，将p通道性能最优的信号作为最终的输出信号p_out，将x通道性能最优的信号作为最终的输出信号x_out，将y通道性能最优的信号作为最终的输出信号y_out，将z通道性能最优的信号作为最终的输出信号z_out，即最终将p_out、x_out、y_out、z_out作为矢量声滤波器的输出信号。

本发明的有益效果在于针对单矢量传感器的多通道信号，来自于同一信号源、具有相同的时间长度且背景噪声随机的特点，将声压、振速联合处理，相比传统方法也得到了更多的自由度且鲁棒性也更强。在传统单通道标量传感器利用时域谱线增强的基础上，根据来源于同一目标，各通道信号在频域必有一定相似性的特点，将多通道信号转换到频域上进行谱线增强。又针对信号的来向不定的情况，将多通道信号两两进行谱线增强，在每通道的输出结果中，分别计算其功率谱估计进行对比，选择谱线最强做为此通道最终的输出结果。

附图说明

图1是本发明的总体结构图。

图2是线谱增强的结构图。

图3是x通道信号经过传统自适应滤波与本滤波系统性功率谱对比。

图4是y通道信号经过传统自适应滤波与本滤波系统性功率谱对比。

图5是p通道信号经过传统自适应滤波与本滤波系统性功率谱对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的实施例具体步骤如下：

步骤1：将四组经过采样、量化的原始信号p(t)、vx(t)、vy(t)、vz(t)根据公式(1)各自进行归一化处理得到p_in、x_in、y_in、z_in，即把变量的最大值定为1，1对应最大值。

步骤2：将步骤1归一化处理后的四组信号，进行去除直流信号处理。一般来说直流是不变的，因此其基本不能用来表达信息，在大多数信号处理时都会去除直流分量。

步骤3：常在水下信号处理领域，特别低的频率对定向、探测以及识别等没有实际意义，将去除直流后的信号加入高通滤波，去除不需要的成分。

上面的三个步骤都属于水声信号的预处理过程，下面对本发明信号的处理部分进行具体说明。

步骤4：将经过归一化、去直流和过高通滤波器后的四组信号经过fft转换到频域。

步骤5：将转换到频域的四组信号，两两进行自适应滤波，得到16种不同组合的自适应滤波结果。即分别以p_in为输入原信号，p_in、x_in、y_in、z_in为期望信号；以x_in为输入信号，p_in、x_in、y_in、z_in为期望信号；以y_in为输入信号，p_in、x_in、y_in、z_in为期望信号；以z_in为输入信号，p_in、x_in、y_in、z_in为期望信号分别进行自适应滤波。

步骤6：根据公式(1)归一化y_xx、y_xy、y_xz、y_xp、y_yx、y_yy、y_yz、y_yp、y_zx、y_zy、y_zz、y_zp、y_px、y_py、y_pz、y_pp，利用公式(2)分别求出信号对应的功率谱估计，将其作为衡量指标进行比较，对比之后，将滤波后最优的信号作为此通道的最终输出结果。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

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