[发明专利]一种具有空间相关性的水声阵列海洋环境噪声仿真方法

说明书

本发明公开了一种具有空间相关性的海洋环境噪声仿真方法，包括如下步骤：（1）设定仿真参数；（2）根据水声阵列参数求解随频率变化的海洋环境噪声空间相关函数，将离散频率进行子频带划分；（3）计算各子频带内相关系数参考值；（4）生成不相关的宽带高斯白噪声；（5）依照步骤2划分的子频带，对步骤4生成的不相关宽带噪声进行滤波，生成不相关带限噪声；（6）依照步骤3中得到的空间相关系数参考值，生成相关带限噪声。（7）将相关带限噪声相加，生成相关宽带噪声；（8）计算海洋环境噪声AR滤波器系数；（9）将步骤7得到的相关宽带噪声作为输入激励步骤8得到的滤波器，生成具有空间相关性的水声阵列海洋环境噪声。

技术领域

本发明涉及水声阵列信号仿真技术领域，特别是涉及一种具有空间相关性的水声阵列海洋环境噪声仿真方法。

背景技术

声纳等水声系统利用水听器阵列接收水中声信号，实现水中目标检测、定位、识别等功能。随着现代计算机性能的不断提高，越来越多的水声技术研究人员利用计算机仿真方式生成水声阵列接收信号，对水声信号处理算法以及系统进行测试评估，以降低海上试验成本，提高测试评估效率。为了达到这一目的，水声阵列接收信号仿真系统需要尽可能地还原海上试验情景，生成的仿真信号需要具有与海上实测信号良好的吻合度。水声阵列接收信号是随机信号，因此仿真生成的水声阵列接收信号的统计特性需要尽可能地与海上实测信号的统计特性相吻合。其中，水声阵列各阵元接收的海洋环境噪声的时间和空间统计特性就是水声阵列信号仿真的重要部分。

为提高信号处理的增益，现有的声纳系统通常利用水听器阵列接收水下声信号，并采用波束形成方法进行目标方位测量和目标跟踪。在波束形成方法中，一般假设各阵元接收的背景噪声服从高斯分布，且是不相关的，这样波束形成可获得最大的空间增益[1]。因此，大多数现有水声阵列信号仿真系统忽略了各阵元背景噪声之间的相关性[1][2][3]。但是，作为水声阵列主要背景噪声源之一的海洋环境噪声具有一定的空间相关性[4]，这使得阵列信号处理算法的仿真测试和实际使用之间存在性能上的差异。

海洋环境噪声是水声阵列背景噪声的重要组成部分，是一种宽带噪声。一方面，由于海洋环境噪声自身的多变性以及水声阵列工作环境的复杂性，建立起一套易于信号仿真生成使用的宽带噪声理论模型和应用模型难度很大。另一方面，受到计算能力的限制，对于海洋环境噪声仿真，在满足符合时频特征要求的情况下，很难兼顾阵元间的海洋环境噪声空间相关性。因此，建立既满足符合时频特征要求，又符合空间相关特性要求的宽带海洋环境噪声仿真生成方法，对于提升水声阵列信号仿真的逼真性和有效性具有重要意义。

本发明构建了水声阵列宽带海洋环境噪声阵元间空间相关序列，根据空间相关序列的特性对离散频率进行了频带分解，并构造了子频带内恒定空间相关系数矩阵。利用分频带方法生成符合各子频带相关特性的带限白噪声，再合成空间相关宽带高斯白噪声；然后将相关宽带高斯白噪声作为AR(Auto Regressive，自回归)滤波器激励信号，采用AR建模方式生成宽带有色海洋环境噪声生成，利用AR滤波器的线性特性，将高斯白噪声激励间的相关性线性映射为不同阵元海洋环境噪声间的相关性，实现具有空间相关性的水声阵列海洋环境噪声时域序列仿真生成。

发明内容

针对现有水声阵列信号仿真技术中存在的问题，本发明提供一种具有空间相关性的水声阵列海洋环境噪声仿真方法，该方法先求解分频带空间相关系数矩阵，生成符合各子频带相关特性的带限白噪声，然后将各子频带带限白噪声合成得到相关宽带高斯白噪声，并激励AR滤波器，最终仿真生成具有空间相关特性的水声阵列宽带海洋环境噪声，为达此目的，本发明提供一种具有空间相关性的水声阵列海洋环境噪声仿真方法，包括如下步骤：

(1)设定水声阵列海洋环境噪声仿真参数；