[发明专利]一种LFM水声多途信号的噪声抑制方法

说明书

技术领域

本发明属于信号处理领域，具体涉及一种LFM水声多途信号的噪声抑制方法。

背景技术

噪声抑制技术一直是信号处理领域的一个重要研究课题。已有许多噪声抑制技术被提出，如自适应滤波、时域平均法、基于小波分析或神经网络的噪声抑制技术等，这些噪声抑制技术性能各异，分别适用于不同的应用要求。

线性调频(LFM)信号是一大类人工信号的基础，它作为一种成熟的非平稳信号早已被广泛应用于水声领域，如海底地形探测、海底底质分类、海底浅地层探测、水声信道探测、水下小目标探测等。由于水声信道介质的非均匀性，许多水声探测信号均为多途信号。为了实现高分辨、高精度探测，满足很多信号处理算法对处理信号高信噪比的要求，对淹没于噪声中的LFM水声多途信号作噪声抑制处理研究具有广泛的现实意义和工程意义。

LFM噪声抑制技术可以利用滤波方法予以实现，但仅采用滤波技术无法对带内噪声进行有效抑制；由于LFM信号是典型的时变信号，对于参数固定的Wiener滤波器来说不适合对其进行处理；尽管Kalman滤波器具有时变的参数，且适用于非平稳随机信号的处理，但必须已知信号与噪声的统计特性才能获得最优滤波结果，而实际应用中通常无法得知这些统计特性的先验知识，因此无法实现最优滤波处理；虽然自适应滤波器可自动调整当前时刻的滤波参数，以适应信号与噪声未知的或非平稳的统计特性来实现最优滤波，但自适应滤波器存在渐近收敛的特性，当探测数据量少时，自适应滤波增强后的信号波形起始部分误差非常显著。现有噪声抑制方法存在的诸多缺陷使得其不适合对LFM水声多途信号进行噪声抑制处理。

分数阶Fourier变换(Fractional Fourier Transform，FrFT)是一种重要的分数阶变换，以LFM信号为正交基，并且在分数阶Fourier域(u域)具有很好的能量聚集性。通常u域被等效地认为是时域经过α＝pπ/2角度的旋转得到，p为FrFT变换阶数。当u域坐标系的u轴和Chirp信号时频分布垂直时，将获得LFM信号的聚焦效应，称此时的变换为最优分数阶Fourier变换，称此时的u域为最优变换u域，此时的变换阶数p为最优变换阶数(Optimal Order)，用p_opt表示。从本质上讲，LFM信号在u域上的表示融合了信号在时域和频域的信息，因此，FrFT被认为是一种时频分析方法，并且FrFT是一维线性变换，其实现与很多二维时频分析工具相比，不仅在计算复杂度上具有很大优势，而且不存在交叉项的干扰。本发明充分利用FrFT这一时频处理技术具有的线性变换、旋转和能量聚集特性，联合带通滤波技术，在时频域滤除带内噪声，实现LFM水声多途信号的噪声抑制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种进一步提高信噪比，计算量小，可以工程实时实现的LFM水声多途噪声抑制方法。

本发明的目的是通过以下步骤实现的：

（1）根据确知信号参量获取最优分数阶Fourier变换的最优变换阶数p_opt；

（2）对LFM多途信号进行带通滤波预处理，抑制带外噪声；

（3）对带通滤波输出信号做Hilbert变换，获取解析信号；

（4）对解析信号做p_opt阶分数阶Fourier变换；

（5）在分数阶Fourier域作频谱遮隔处理，抑制带内噪声；

（6）做-p_opt阶分数阶Fourier反变换，得到抑制噪声的高信噪比多途信号。

步骤(4)中解析信号x(t)的Fourier变换为：