(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221072315 0.X (22)申请日 2022.06.24 (71)申请人 大连大学 地址 116622 辽宁省大连市经济技 术开发 区学府大街10号 (72)发明人 杨阳　李青　潘成胜　丁元明　 刘苏睿　徐利华　 (74)专利代理 机构 大连智高专利事务所(特殊 普通合伙) 2123 5 专利代理师 刘鑫 (51)Int.Cl. G01S 7/527(2006.01) G01S 7/539(2006.01) G01S 15/88(2006.01) G06F 30/20(2020.01)G06K 9/00(2022.01) (54)发明名称 一种基于稀 疏表示的NMF主动声纳抗混响方 法 (57)摘要 本发明公开了一种基于稀 疏表示的NMF主动 声纳抗混响方法， 包括如下步骤： 步骤1.1： 建立 目标亮点模型； 步骤1.2： 建立混响模型， 对海底 混响信号进行仿真； 步骤2： 对主动声纳接收的回 波信号波束形成预处理； 步骤3： 利用稀 疏表示方 法处理主动声纳回波信号； 步骤 4： 利用NM F， 即非 负矩阵分解对稀 疏表示信号进行处理； 步骤5： 利 用NMF对协方差进行估计。 本发明根据主动声纳 回波信号的形成机理， 获得主动声纳回波信号的 表达式， 对主动声纳回波信号进行稀疏表示， 利 用非负矩 阵分解对信号的稀疏表示形式进行处 理， 利用梯度下降法给出迭代规则， 估计目标信 号矩阵的协方差， 提高了主动声纳抗混 响性能。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 115097428 A 2022.09.23 CN 115097428 A 1.一种基于稀疏表示的NMF主动声纳抗混响方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1.1： 建立目标亮点模型； 步骤1.2： 建立混响模型， 对 海底混响信号进行仿真； 步骤2： 对主动声纳接收的回波信号波 束形成预处 理； 步骤3： 利用稀疏表示方法处 理主动声纳回波信号； 步骤4： 利用NMF， 即非负矩阵分解对 稀疏表示信号进行处 理； 步骤5： 利用NMF对协方差进行估计。 2.根据权利要求1所述的一种基于稀疏表示的NMF主动声纳抗混响方法， 其特 征在于， 所述步骤1.1具体为： 目标亮点模型假设复杂目标由多个散射亮点组成， 具有球冠形头部和圆柱壳体， 入射 角 θ为入射声线与目标圆柱壳体的夹角， 目标圆柱壳体的四个棱角与球冠形头部为亮点， 当 0°＜ θ＜180 °时， 目标不同位置的亮点可对回波产生贡献。 3.根据权利要求2所述的一种基于稀疏表示的NMF主动声纳抗混响方法， 其特 征在于， 对应于目标的每 个亮点显示的传递 函数定义 为： 其中， 是单个亮点的传递函 数， 是振幅反射因子， τ 是相对延迟， 是目标边 缘不连续处或亮点类别变化期间存在的相位跳变。 j表 示第j个亮点， ω是频率； 当目标亮点 回波数为 N时， 对于发射信号s(t)， 目标回波x(t)表示 为： 其中， τn为第n个亮点的延迟， 为第n个亮点的相位， An为振幅反射因子， t为回波时间， s(t‑τn)表示时延为 τn时的发射信号。 4.根据权利要求1所述的一种基于稀疏表示的NMF主动声纳抗混响方法， 其特 征在于， 步骤1.2中建立混响模型为： 采用单元散射模型来描述混响的形成机理， 混响由小尺 度、 相互独立的随机 散射体受激励产生的散射波 线性叠加形成； 步骤1.2中对 海底混响信号进行仿真为单 元散射信号在接收点的叠加： 其中， R(t)是混响信号， K(t)是混响的随机振幅因子， N(t)是t时刻对混响有贡献的散 射体数量； 是随机相位， τi是随机延迟， s(t ‑τi)表示时延为 τi时的发射信号。 5.根据权利要求1所述的一种基于稀疏表示的NMF主动声纳抗混响方法， 其特 征在于， 所述步骤2具体为： 将主动声纳接收的回波信号， 用矩阵表示 为： x(t)＝As(t)+n(t)＝xT(t)+r(t)+n(t)     (4) 其中， A代表从散射单元到声纳接收系 统的水下传输信道确定的混合矩阵， n(t)代表t 时刻对混响有贡献的散射体数量， xT(t)代表t时刻目标回波， r(t)代 表t时刻混响信号。 6.根据权利要求1所述的一种基于稀疏表示的NMF主动声纳抗混响方法， 其特 征在于， 所述步骤3具体为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115097428 A 2使用字典学习算法来获取主动声纳回波信号在字典下的稀疏表示； 给出训练集 找到具有K个原子的最优字典D来稀疏表示Y： 其中D∈Rm×K(K＞＞m)是字典矩阵， X∈RK×N是Y的稀疏矩阵， T0是X的稀疏性阈值， F是范 数， ||xi||0表示零阶范数。 7.根据权利要求6所述的一种基于稀疏表示的NMF主动声纳抗混响方法， 其特 征在于， 稀疏矩阵X通过 下式获得: 其中yi表示训练信号， xi表示训练信号的稀疏表示稀疏向量， D∈Rm×K(K＞＞m)是字典矩 阵， T0是X的稀疏性阈值， F 是范数， ||xi||0表示零阶范数； 通过求解奇异值分解问题来更新字典， 一次只更新D的一列： 其中， Y表示训练集， Ek是整体表示误差矩阵， 是Ek的限制矩阵， 是X的第j行， 其是 对应于D的第j列的系数， 每次更新字典的第j列dj， 即j＝j+1； U为左奇异矩阵， U的第一列作 为D的更新列， V为右奇异 矩阵， V的第一列乘以Δ(1,1)更新相应的系数向量。 8.根据权利要求1所述的一种基于稀疏表示的NMF主动声纳抗混响方法， 其特 征在于， 所述步骤4具体为： 首先设当前信号矩阵为M， 其低维形式表示 为： 其协方差估计矩阵为 V＝WH    (10) 式(9)和(10)中， V表示协方差估计矩阵， W表示i行k列的基矩阵， H表示k行j列的系数矩 阵， W和H都是非负矩阵； 基于式(9)以K ‑L散度为代价 函数优化 NMF： 式(11)的更新 规则为： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115097428 A 3