[發明專利]基于自適應窗口濾波和小波閾值優化的水聲信號去噪方法

有效

• 申請號: 202010509512.6
• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111681667B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 王景景;李嘉恒;董新利;楊星海;施威;徐凌偉;郭瑛;李海濤
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: G10L21/0216
• 分類號: G10L21/0216;H04B11/00;G06K9/00;G10L25/27;G10L25/45
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司 37201
• 代理人: 劉艷青

本發明公開了一種基于自適應窗口濾波和小波閾值優化的水聲信號去噪方法。本發明首先聯合SαS分布和正態分布模型描述水聲信道中高斯/非高斯脈沖噪聲；并設計了一種基于自適應窗口的中值濾波法，依據窗口內噪聲點數量修正濾波窗口大小，抑制非高斯脈沖噪聲；然后基于一種改進人工蜂群方法GDES?ABC，優化小波閾值去噪方法的閾值參數，提高對高斯噪聲的抑制能力。本發明能有效抑制復雜水聲環境中高斯/非高斯脈沖噪聲，提高對2FSK、QPSK以及16QAM等水聲通信信號的接收能力，獲得較高的輸出信噪比和噪聲抑制比。

技術領域

本發明屬于水聲信號去噪技術領域，具體地說，涉及一種高斯/非高斯脈沖噪聲環境下基于自適應窗口濾波(AWFM)和小波閾值優化(GDES)的水聲信號去噪方法。

背景技術

聲波在水下通信領域應用廣泛，在水下傳輸和處理過程中，聲波信號會受到水下復雜高斯/非高斯脈沖噪聲影響，導致聲波信號退化失真，通信質量下降。信號去噪技術是一種用來提高信號質量，降低噪聲影響的信號處理方法，被廣泛應用在水聲通信等領域。

針對水下海底勘探、海洋生物、海面波和海底地震等發出的突發性非高斯脈沖噪聲，可通過標準中值濾波法(Standard Median Filter，SMF)進行抑制。然而SMF同時處理了接收信號中有用信號部分，導致有用信號失真。

高斯噪聲可被濾波法、小波變換法、經驗模式分解法等方法有效抑制。其中基于小波閾值的去噪方法可獲得原始信號的漸進最優估計，得到了普遍應用。決定該方法性能的主要因素是對閾值的精確估計和閾值函數的合理構造。目前普遍使用的是在假設噪聲模型為高斯噪聲模型下，基于多維獨立正態變量決策理論的統一閾值；然而統一閾值依賴于噪聲方差的精確估計，難以應用于實際未知噪聲方差的情況。常見閾值函數包括硬閾值、軟閾值以及半軟閾值等，該類方法根據固定的結構處理小波系數，缺乏自適應性，降低了信號處理的靈活性。為克服上述限制，基于群智能優化的方法被引入，用來提高小波閾值去噪性能。

然而實際的海洋背景噪聲環境中，同時包含高斯和非高斯脈沖噪聲，基于智能優化的小波閾值去噪方法主要是用于高斯噪聲處理，難以直接適用于海洋水聲噪聲的全面處理，仍具有大量缺點，具體體現在：首先缺乏統一的建立閾值函數的一般原則，導致閾值函數構造困難；其次閾值參數的確定是一個迭代的過程，通常達到是次優值而不是最優值；并且隨著方法迭代次數的增加，種群多樣性降低，上述優化方法可能陷入局部極小值。

發明內容

本發明提出一種高斯/非高斯脈沖噪聲環境下基于自適應窗口濾波(AWFM)和小波閾值優化(GDES)的水聲信號去噪方法，以彌補現有技術的不足。

本發明首先聯合SαS分布和正態分布模型描述水聲信道中高斯/非高斯脈沖噪聲，該模型是一種能夠保持和復雜海洋背景噪聲的產生機制和傳播條件的極限分布，可更好的描述海洋環境背景噪聲。并設計了一種基于自適應窗口的中值濾波法，依據窗口內噪聲點數量修正濾波窗口大小，抑制非高斯脈沖噪聲，避免了對非噪聲點的處理，有效降低了有用信號失真，同時基于噪聲含量自適應調整濾波窗口大小，有效平衡了方法濾波性能和計算復雜度；然后基于一種改進人工蜂群方法GDES-ABC，優化小波閾值去噪方法的閾值參數，提高對高斯噪聲的抑制能力。

為實現上述發明目的，本發明采用下述具體技術方案予以實現：

一種基于自適應窗口濾波和小波閾值優化的水聲信號去噪方法，包括以下步驟：

S1：獲取水聲信號數據，通過現有數據接收模型來描述水聲信道中的高斯/非高斯脈沖噪聲；

S2：基于自適應窗口的中值濾波法，抑制非高斯脈沖噪聲，得到去非高斯脈沖噪聲的水聲信號數據；

S3：再將S2得到的去非高斯脈沖噪聲的水聲信號數據進行基于改進人工蜂群小波閾值優化方法(記作GDES-ABC)處理，抑制高斯噪聲，最終得到去噪后的水聲信號數據。

上述步驟S1具體如下：