本發(fā)明涉及的是一種海洋聲信號的建模與合成方法，具體地說是一種海豚嘀嗒聲信號的建模與合成的方法。

背景技術(shù)：

由于從海洋中采集的嘀嗒聲通常含有大量帶內(nèi)噪聲，不能很好的恢復(fù)出原始海豚產(chǎn)生的嘀嗒聲信號，因此在海洋生物叫聲研究領(lǐng)域，海豚嘀嗒聲信號建模與合成是重點(diǎn)研究內(nèi)容之一。海洋嘀嗒聲信號是一種短時寬帶信號，是海豚進(jìn)行定位、探測、識別的主要信號，具有極高的研究價值。對海豚嘀嗒聲信號建模與合成，其主要目的是最大程度地模擬海豚嘀嗒聲信號的特點(diǎn)，人工合成相似度極高的嘀嗒聲信號，用于科研應(yīng)用。因此，嘀嗒聲信號的建模與合成一方面可以借此探究海豚對嘀嗒聲的生理特性反應(yīng)，促進(jìn)人類進(jìn)一步探索海洋生物，另一方面也可以將該建模信號應(yīng)用于仿生聲吶設(shè)備中，用于實(shí)現(xiàn)仿生通信、探測與識別。

公開號為CN105227246A的專利文件中，公開了一種利用LFM信號仿海豚哨聲信號的仿生水聲通信方法。該方法是利用多個LFM信號分段組合模擬海豚哨聲信號，采用BOK方法實(shí)現(xiàn)對信號的信息調(diào)制，可以進(jìn)行高真實(shí)性的仿生水聲通信。但該方法模擬的是海豚哨聲信號，而不是海豚嘀嗒聲信號。公開號為CN103401619A的專利文件中，公開了一種基于虛擬時間反轉(zhuǎn)鏡M元仿生信號編碼的水聲通信方法。該方法同樣采用真實(shí)的海豚嘀嗒聲信號進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)隱蔽通信，但并未對海豚嘀嗒聲信號建模。公開號為CN 105391500A的專利文件中，公開了一種基于超寬帶信號的仿海豚嘀嗒聲水聲通信方法，該方法采用海豚嘀嗒聲信號實(shí)現(xiàn)仿生偽裝隱蔽通信，在實(shí)施步驟中提及以單瑞利脈沖信號為例來模擬海豚嘀嗒聲信號，用于說明該通信方法。但由于海豚嘀嗒聲通信通常具有雙峰特性，并且雙峰之間能量具有一定的關(guān)系，本方法并不能很好的模擬海豚嘀嗒聲信號。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能更準(zhǔn)確的模擬海豚嘀嗒聲信號的海豚嘀嗒聲信號建模與合成的方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

步驟1：根據(jù)實(shí)際的海豚嘀嗒聲信號特點(diǎn)，采用傅里葉變換和短時傅里葉變換分析海豚嘀嗒聲信號的時頻特性，得到嘀嗒聲信號的頻率范圍，確定嘀嗒聲信號的下限頻率f_L和上限頻率f_H，并將嘀嗒聲信號建模為雙瑞利脈沖結(jié)構(gòu)模型，確定嘀嗒聲信號中兩個主要峰值頻率和兩個主要峰值對應(yīng)的脈寬T₁和T₂、能量E₁和E₂、以及兩個主峰時延差Δτ；

步驟2：根據(jù)兩個主要峰值頻率和脈寬T₁和T₂，產(chǎn)生兩個瑞利脈沖信號p₁(t)和p₂(t)，用于合成海豚嘀嗒聲，每個瑞利脈沖信號的表示式為

其中，A為信號幅度；e為自然常數(shù)；τ＝1/2πf_c為衰減常數(shù)，f_c為嘀嗒聲信號的一個主要峰值頻率，也是該瑞利脈沖信號的中心頻率；t為脈沖信號時間，t變化范圍為[0,T]，T為嘀嗒聲主峰脈寬；

步驟3：基于兩個瑞利單脈沖信號p₁(t)和p₂(t)，以雙瑞利脈沖結(jié)構(gòu)模型，合成海豚嘀嗒聲信號；根據(jù)兩個主峰時延Δτ以及各自的能量E₁和E₂，采用如下公式進(jìn)行信號合成：

s(t)＝A₁w₁p₁(t)+A₂w₂p₂(t-Δτ)

其中，A₁和A₂為兩個瑞利波形的幅度系數(shù)，其比值w₁和w₂為兩個瑞利單脈沖信號p₁(t)和p₂(t)所對應(yīng)的窗函數(shù)。

步驟4：基于嘀嗒聲信號的下限頻率f_L和上限頻率f_H，對合成的嘀嗒聲信號s(t)進(jìn)行濾波，得到合成嘀嗒聲信號。

本發(fā)明還可以包括：

1、步驟1中所述的嘀嗒聲信號建模模型是雙瑞利脈沖結(jié)構(gòu)模型。

2、步驟2中所述的每個瑞利脈沖信號由對高斯波形的求一階導(dǎo)數(shù)獲得，其參數(shù)由步驟1中對海豚嘀嗒聲信號的分析確定。

本發(fā)明的主要特點(diǎn)包括：步驟1中提出的建模結(jié)構(gòu)是雙瑞利脈沖結(jié)構(gòu)。步驟2中的脈沖信號所使用的瑞利單脈沖信號由對高斯波形的求一階導(dǎo)數(shù)獲得，其參數(shù)由步驟1中對海豚嘀嗒聲信號的分析所確定。通過步驟3將兩個瑞利脈沖信號進(jìn)行時延相加，在經(jīng)過步驟4的濾波，即可獲得與真實(shí)海豚嘀嗒聲相似度較高的合成嘀嗒聲信號。通過對不同類型的海豚嘀嗒聲信號進(jìn)行分析，確定所需的瑞利脈沖信號參數(shù)，便可以產(chǎn)生不同類型的合成嘀嗒聲信號。

采用本發(fā)明所述的海豚嘀嗒聲信號的建模與合成方法，合成的嘀嗒聲信號與真實(shí)海豚嘀嗒聲信號相似度較高，同時具有高頻窄脈沖在信號隱蔽性和多徑分辨能力方面的優(yōu)勢，十分利于隱蔽水聲通信的實(shí)現(xiàn)，為仿生研究人員提供廣大研究空間。與此同時，可進(jìn)一步探索海洋生物的性能，從而獲得更多的有利資源。本發(fā)明給出了詳細(xì)的真實(shí)海豚嘀嗒聲信號建模與合成方法，更準(zhǔn)確的模擬海豚嘀嗒聲信號。

附圖說明

圖1為海豚嘀嗒聲信號的建模與合成流程圖。

圖2為采集到的真實(shí)海豚嘀嗒聲信號時域波形圖。

圖3為采集到的真實(shí)海豚嘀嗒聲信號時頻譜圖。

圖4為濾波前兩個瑞利脈沖合成建模信號的時域波形圖。

圖5為建模合成海豚嘀嗒聲信號時域波形圖。

圖6為建模合成海豚嘀嗒聲信號時頻譜圖。

具體實(shí)施方式

下面舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述。

海豚嘀嗒聲信號是一種高頻信號，本發(fā)明選用寬帶窄脈沖的瑞利脈沖信號來模仿海豚嘀嗒聲信號，并提出雙瑞利脈沖結(jié)構(gòu)模型，采用雙瑞利脈沖對嘀嗒聲信號的進(jìn)行合成，具體處理流程如圖1所示。下面將以一次嘀嗒聲信號合成試驗(yàn)為例，進(jìn)行具體說明。

步驟1：根據(jù)實(shí)際的海豚嘀嗒聲信號特點(diǎn)，采用傅里葉變換和短時傅里葉變換分析海豚嘀嗒聲信號的時頻特性，得到嘀嗒聲信號的頻率范圍，確定嘀嗒聲信號的下限頻率f_L和上限頻率f_H，并將嘀嗒聲信號建模為雙瑞利脈沖結(jié)構(gòu)模型，確定嘀嗒聲信號中兩個主要峰值頻率和兩個主要峰值對應(yīng)的脈寬T₁和T₂、能量E₁和E₂、以及兩個主峰時延差Δτ。

針對采集到的海豚嘀嗒聲信號，采用上述海豚嘀嗒聲信號的建模與合成方法，步驟1中的實(shí)際海豚嘀嗒聲信號時域波形如圖2所示，通過傅里葉變換，可以確定該嘀嗒聲信號的下限頻率f_L約為0Hz，上限頻率f_H約為120kHz，嘀嗒聲信號中兩個主要峰值頻率為50kHz，為100kHz，兩個主要峰值對應(yīng)的脈寬T₁和T₂均約為7.96us，能量E₁和E₂近似相等，兩個主峰的時延差Δτ約為25us。通過短時傅里葉變換，可以得到該嘀嗒聲信號的時頻譜如圖3所示。

步驟2：根據(jù)步驟1確定的嘀嗒聲信號中兩個主要峰值頻率和對應(yīng)的脈寬T₁和T₂，產(chǎn)生兩個瑞利脈沖信號p₁(t)和p₂(t)，用于合成海豚嘀嗒聲。每個瑞利脈沖信號的表示式為

式中，A為信號幅度；e為自然常數(shù)；τ＝1/2πf_c為衰減常數(shù)，f_c為嘀嗒聲信號的一個主要峰值頻率，也是該瑞利脈沖信號的中心頻率；t為脈沖信號時間，因?yàn)橐粋€脈沖的能量主要集中在范圍在5τ之內(nèi)，且一般情況下5τ與嘀嗒聲主峰脈寬T相近，所以t變化范圍為[0,T]。

瑞利脈沖信號的頻域表達(dá)式為

式中，ω＝2πf_c，相對于中心頻率的-3dB功率點(diǎn)的最低頻率f_L＝0.319f_c，最高頻率f_H＝1.922f_c，瑞利脈沖信號的帶寬B＝f_H-f_L。

在嘀嗒聲信號合成試驗(yàn)中，根據(jù)步驟1所得到的結(jié)果，可以產(chǎn)生兩個中心頻率分別為時長T₁和T₂均為7.96us的瑞利脈沖信號，這兩個脈沖信號的帶寬分別為80.15kHz和160.3kHz。

步驟3：基于步驟2產(chǎn)生的兩個瑞利單脈沖信號p₁(t)和p₂(t)，以及步驟1提出的雙瑞利脈沖結(jié)構(gòu)模型，合成海豚嘀嗒聲信號。根據(jù)步驟1估計(jì)出的兩個主峰時延Δτ，以及各自的能量E₁和E₂，采用如下公式進(jìn)行信號合成：

s(t)＝A₁w₁p₁(t)+A₂w₂p₂(t-Δτ) (3)

式中，A₁和A₂為兩個瑞利波形的幅度系數(shù)，其比值w₁和w₂為兩個瑞利單脈沖信號p₁(t)和p₂(t)所對應(yīng)的窗函數(shù)。

在嘀嗒聲信號合成試驗(yàn)中，由于嘀嗒聲信號兩個主峰的時延Δτ約為25us，且兩個主要峰值的能量E₁和E₂近似相等，因此幅度系數(shù)的比值A(chǔ)₁/A₂約為1，若兩個窗函數(shù)w₁和w₂均為矩形窗，則可以將兩個瑞利脈沖信號進(jìn)行時延疊加后合成如圖4所示的波形

步驟4：基于步驟1得到的嘀嗒聲信號的下限頻率f_L和上限頻率f_H，對步驟3得到的合成的嘀嗒聲信號s(t)進(jìn)行濾波，得到該頻率范圍下的合成嘀嗒聲信號。

在嘀嗒聲信號合成試驗(yàn)中，根據(jù)步驟1得到的嘀嗒聲信號的下限頻率f_L(約為0Hz)和上限頻率f_H(約為120kHz)，設(shè)計(jì)了一個上限頻率為120kHz的有限沖激響應(yīng)(FIR)低通濾波器，對步驟3得到的合成信號進(jìn)行濾波，得到該頻率范圍下的海豚嘀嗒聲建模合成信號。建模合成的海豚嘀嗒聲信號的時域波形圖如圖5所示，其時頻譜如圖6所示。

該方法通過分析實(shí)際海豚嘀嗒聲信號來確定瑞利脈沖信號參數(shù)，可以有效地實(shí)現(xiàn)不同類型海豚嘀嗒聲信號的合成。通過本發(fā)明的方法合成的海豚嘀嗒聲信號，一方面可以用于探究海豚對嘀嗒聲的生理特性反應(yīng)，促進(jìn)人類進(jìn)一步探索海洋生物，另一方面也可以將其應(yīng)用于仿生聲納設(shè)備中，用于實(shí)現(xiàn)仿生通信、探測與識別。