改进的自适应线谱增强方法（DALE方法）用于线谱检测研究

孙昕 李兵 房毅 中国人民解放军91439部队96分队，辽宁 大连 116041

改进的自适应线谱增强方法（DALE方法）用于线谱检测研究

孙昕 李兵 房毅 中国人民解放军91439部队96分队，辽宁 大连 116041

本文采用一种改进的自适应线谱增强方法（DALE方法）对线谱进行检测，仿真实验验证了该方法的有效性，可以提高对高背景噪声下的单频信号检测性能。

线谱; 自适应线谱增强; LMS

引言

舰船的辐射信号中包含了丰富的线谱，其成分代表了目标的特征，实现对辐射噪声的线谱成分检测和提取，对于水中兵器的自导系统设计具有重要的意义。但是，由于通常情况下，线谱特征被淹没于相对较强的宽带背景噪声下，对线谱特征进行有效的提取和检测具有很大的困难。对线谱进行增强有助于窄带线谱特征的提取。本文采用一种改进的自适应线谱增强方法（DALE方法）对线谱进行检测，提高了对多普勒频移的信号或者是频率缓慢调制的信号的检测性能。

1.自适应线谱增强（ALE）算法

自适应线谱增强器(ALE）是自适应信号处理技术的一个重要应用，最初由Widrow等人在1975年提出，其主要的功能是从宽带的噪声中分离窄带信号；其基本思想是不相关噪声的自适应抵消，是一种增强单频信号分量的有效方法。其基本原理如图1所示，当输入中包含两种成分：宽带噪声信号和周期信号时，可以将其延时后送入LMS的输入端，经过延时后的宽带噪声成分已与原来的输入不相关，而周期信号延时前后则保持强相关。于是将周期信号抵消，只存在宽带噪声成分，输出则只存在周期信号，此时，LMS自动调节权值W，以达到对周期信号“选通”的作用。

图1 自适应线谱增强原理（ALE）

ALE的性能取决于权值W，LMS是最优权值搜索的一种简单实用的算法，这种算法使用每次输出的瞬时均方误差差代替均方误差，由于LMS用每次输出的瞬时均方误差差代替均方误差，所以最优权的搜索是带噪的，权值的运动轨迹并不严格的按照梯度的方向更新，而是具有漂移的特点，当达到稳定时，权值在最优权值的附近小范围内漂移。

2 改进的DALE算法

由于ALE基于噪声的不相关性和窄带信号的相关性，对于具有多普勒频移的信号或者是频率缓慢调制的信号，单端输入的ALE的性能会下降，为了克服这种弊端，可以采用双端输入的自适应线谱增强器(DALE），具体结构如图2所示。

图2 DALE的原理框图

为了使得噪声去相关，DALE仍旧采用了延时环节，参考信号和输入信号的频率变化难以保持同步。利用矢量水听器输出的共点声压和振速两个通道的噪声的不相关性，可以将延时环节去掉，对窄带信号而言，共点所测得的声压和振速的频率变化是一致的，这样就可以避免由于延时产生的参考信号的频率漂移对ALE性能的影响，从而提高了ALE对频率变化的信号的适应能力，其信号处理框图如图3所示。

图3 改进DALE原理框图

DALE的计算公式为：

DALE仍旧使用参考信号当前和前面L个输入来估计输出信号，所以参考信号实际上仍旧有一定的延时，如果权值个数太多，势必会造成参考信号和输入信号的频率成分的不一致性，使得信号的相关程度变小。

3 仿真实验验证

我们用仿真信号来验证上述的分析，两个通道的信号都采用线性调频信号（LMF信号），两个通道中的LMF信号是相同的，而两个通道的噪声相互独立高斯白噪声，LMF信号为：

信号的采样频率为4KHz，信号的输入SNR=-3dB，其STFT如图4(a）所示，DALE自适应输出信号的STFT如图4(b）所示。

图4

DALE的权值更新步长与权值向量的个数的关系和ALE是一样的，在分析类似于LMF的信号时，步长在允许的取值范围内应该大一些，否则缓慢的收敛速度不适于跟踪信号频率的变化。分析中我们采用200个权，步长为0.00005，在图4(b）中可以看出在DALE前面的输出信号频率分布很集中，后面输出的信号频率附近仍然有一些能量较大离散频点，正是由于DALE时用了前面L个参考信号的输出估计当前时刻输出所导致的，但是输出信号与输入信号相比较已经大大提高了信号的信噪比。

4 结语

综上所述，ALE及DALE完全可以用于窄带线谱信号、频率慢变信号等信号的线谱分析。需要说明的是，虽然ALE以及DALE显著提高了窄带分量或者频率慢变信号的输出信噪比，但是由于水下辐射噪声信号的复杂性，ALE以及DALE不一定适用于所有的情况，可以把线谱增强作为一个附加的处理模块，根据情况来灵活应用。

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[3]何振亚. 自适应信号处理[M].北京:科学出版社,2002,86～87.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.022