一種水聲信號(hào)的模擬研究和檢測(cè)

彭 華，高貂林

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710000）

由于海洋聲場(chǎng)及其復(fù)雜多變，受溫度、鹽度、梯度、水流、水域、季節(jié)、氣候、風(fēng)浪、溫層、流層、界面的反射與折射等諸多因素的影響，使水聲信道相當(dāng)復(fù)雜，接收信號(hào)通常會(huì)畸變，并淹沒(méi)在噪聲之中值[1]。對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速、精確地檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)是水下定位系統(tǒng)不斷追求的目標(biāo)。聲信標(biāo)的最終目是發(fā)射同步的抗干擾能力強(qiáng)的信號(hào)及對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、估計(jì)、跟蹤，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行一定的處理、提取特征、分析識(shí)別，以檢測(cè)目標(biāo)的存在與否，進(jìn)而通過(guò)對(duì)信號(hào)的處理與運(yùn)算估計(jì)出目標(biāo)的方位、距離，實(shí)現(xiàn)定位和跟蹤。對(duì)于水下目標(biāo)的檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)有兩種方式[2]：一是對(duì)海洋聲場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從接收信號(hào)中提取目標(biāo)輻射噪聲并進(jìn)行識(shí)別和參數(shù)估計(jì) （即被動(dòng)方式）；二是由聲信標(biāo)發(fā)射給定的序列信號(hào)，并對(duì)接收的回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與參量估計(jì)。聲信標(biāo)為主動(dòng)方式。信標(biāo)的信號(hào)機(jī)制不僅決定信號(hào)處理方法，而且直接影響系統(tǒng)的分辨力、參數(shù)測(cè)量精度、抑制混響及抗干擾和與水聲信道匹配等方面的性能。因此，水聲信號(hào)的信號(hào)體制有很重要的作用。

可見(jiàn)，信號(hào)體制的確定要考慮到以上提到的復(fù)雜的海洋環(huán)境的影響。本文提出了一種水聲信號(hào)機(jī)制，并且給出該水聲信號(hào)的檢測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)證明，該檢測(cè)方法有效。

1 水聲信號(hào)機(jī)制

本課題跟蹤系統(tǒng)為同步主動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，同步周期為2 s。被跟蹤目標(biāo)上聲信標(biāo)在每個(gè)同步周期內(nèi)發(fā)射4組信號(hào)，即每間隔0.5 s發(fā)射一組信號(hào)。首先發(fā)射1組幀信號(hào)，其次為3組行信號(hào)。幀信號(hào)由單頻脈沖信號(hào)（CW）和正調(diào)頻脈沖信號(hào)（+LFM）組成，行信號(hào)由單頻脈沖信號(hào)（CW）和負(fù)調(diào)頻脈沖信號(hào)（-LFM）組成。幀信號(hào)與行信號(hào)均為雙脈沖，如圖1所示。

圖1 合作聲信標(biāo)發(fā)射信號(hào)機(jī)制圖Fig.1 Acoustic emission signal beacon cooperation mechanism map

此信號(hào)為2 s同步時(shí)鐘信號(hào)，在每個(gè)同步周期的零點(diǎn)發(fā)射幀同步信號(hào)，0.5 s后發(fā)射一組行信號(hào)，連續(xù)發(fā)射三組行信號(hào)。幀信號(hào)和三組行信號(hào)的間隔均為0.5 s。CW脈沖即單頻脈沖信號(hào)，為測(cè)距脈沖，根據(jù)水聽(tīng)器基陣所接收的CW信號(hào)的前沿與2 s同步時(shí)鐘的時(shí)間間隔，即可確定目標(biāo)的時(shí)延，也就確定了目標(biāo)的距離信息。LFM脈沖即線性調(diào)頻脈沖，為測(cè)深脈沖，LFM脈沖與CW脈沖之間的時(shí)間間隔在40.96 ms和81.92 ms之間，反映了目標(biāo)的深度信息。幀信號(hào)由CW脈沖與+LFM脈沖組合而成，行信號(hào)由CW脈沖與-LFM脈沖組合而成，兩種不同的組合可以區(qū)分幀信號(hào)和行信號(hào)，四組信號(hào)的組合可以有效的反應(yīng)距離信息和深度信息。

2 海洋水聲信道的影響

在經(jīng)過(guò)海洋水聲信道傳播的過(guò)程中，聲波的能量會(huì)隨著傳播距離的增加而按照一定的規(guī)律逐漸減弱，在傳播距離增大到一定程度后，聲波的能量會(huì)降低到某個(gè)閾值以下，以致接收不到信號(hào)。多徑效應(yīng)是制約各類(lèi)信息系統(tǒng)在海洋中應(yīng)用的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。它會(huì)引起信號(hào)的時(shí)間擴(kuò)展和信道的頻率選擇性衰減，并且使得接收信號(hào)的幅度和相位發(fā)生起伏變化，導(dǎo)致信號(hào)的畸變，造成碼間串?dāng)_。同時(shí)，海洋水聲信道中嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)是影響海洋信息傳輸工作性能的主因之一，其會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的頻率和相位產(chǎn)生偏移，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的信息傳輸質(zhì)量。

圖2 水聲信號(hào)及頻域波形Fig.2 Underwater acoustic signal and the frequency-domain waveform

以上仿真圖表明在海洋水聲信道中信號(hào)的包絡(luò)會(huì)發(fā)生變化，但對(duì)于單脈沖信號(hào)（CW波形）來(lái)說(shuō)，頻域的變化不大，所以通過(guò)接受到的CW波形與同步時(shí)鐘的時(shí)延差可以測(cè)得距離信息。

3 信號(hào)的檢測(cè)方法

本系統(tǒng)對(duì)CW脈沖的檢測(cè)采用基于頻譜分析的方法。為了充分提取CW脈沖信號(hào)的頻譜信息，F(xiàn)FT的點(diǎn)數(shù)取為10 ms*fs，其中fs為采樣頻率。對(duì)于本系統(tǒng)，fs=409.6 k，每次運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)即為N=1 096點(diǎn)。對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT的流程如圖4所示。采用這種處理方式，可以保證一個(gè)CW脈沖全部包含在某次進(jìn)行FFT處理的數(shù)據(jù)段中。當(dāng)然，即使在前一個(gè)10 ms的數(shù)據(jù)段檢測(cè)出CW信號(hào)，該數(shù)據(jù)段也可能只是包含CW脈沖信號(hào)的一部分。但采用這種處理方式，可以提高信號(hào)檢測(cè)時(shí)的判別門(mén)限，降低虛警概率。

每次做完FFT后，在有效的頻帶內(nèi)尋找五個(gè)最大譜峰，并存儲(chǔ)它們的幅度值。在五個(gè)最大峰值中挑選最大的一個(gè)，當(dāng)它的值大于設(shè)定門(mén)限，并且大于其他四個(gè)譜峰和的1.5倍（符合單頻信號(hào)頻譜特征）時(shí)，初步判定該段數(shù)據(jù)包含有CW信號(hào)。另外，在進(jìn)行時(shí)延估計(jì)時(shí)，根據(jù)所計(jì)算的信號(hào)包絡(luò)，還要進(jìn)行鑒寬、鑒幅處理，以避免單純利用頻譜分析方法判斷所造成的“虛警”現(xiàn)象。

圖3 對(duì)信號(hào)做FFT處理流程Fig.3 Do FFT signal processing

根據(jù)CW信號(hào)檢測(cè)時(shí)所估計(jì)的信號(hào)中心頻率，利用公式（1）和式（2）可以實(shí)時(shí)生成LFM信號(hào)的樣本。

式中，f0為信號(hào)中心頻率，fs為采樣頻率，Δf為信號(hào)頻率變化范圍的1/2，ΔT為信號(hào)時(shí)寬的1/2，n對(duì)應(yīng)各個(gè)樣本點(diǎn)。對(duì)于本系統(tǒng)，LFM信號(hào)的寬度為5 ms，fs=409.6 k，因此n的取值范圍為[0，2047]。

在得到LFM信號(hào)的樣本后，相當(dāng)于輸入信號(hào)已知，因此對(duì)于測(cè)深信號(hào)的檢測(cè)，采用匹配濾波器來(lái)完成。匹配濾波器可以用副本相關(guān)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，在有限的觀測(cè)時(shí)間T內(nèi)，相關(guān)器輸出

其中，T 為觀測(cè)時(shí)間，x（t）為基陣接收信號(hào)，s（t）為參考信號(hào)。當(dāng)接收信號(hào)中含有目標(biāo)信號(hào)，并且τ等于目標(biāo)信號(hào)時(shí)延τ0時(shí)，相關(guān)器輸出為最大值[3]。

對(duì)于離散時(shí)間信號(hào)，相關(guān)器輸出可以表示為

其中，N為觀測(cè)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)數(shù)，x（n）為基陣接收信號(hào)，s（n）為參考信號(hào)。當(dāng)接收信號(hào)中含有目標(biāo)信號(hào)，并且k所對(duì)應(yīng)的延時(shí)k/fs等于目標(biāo)時(shí)延τ0時(shí)，相關(guān)器輸出為最大值。

本系統(tǒng)中的副本相關(guān)器在數(shù)字域來(lái)實(shí)現(xiàn)，它有時(shí)域和頻域兩種實(shí)現(xiàn)方法[4]。分別如圖5所示。

圖4 副本相關(guān)器的實(shí)現(xiàn)方法Fig.4 Replica correlator method

對(duì)于如式（4）和圖5（a）所示的時(shí)域?qū)崿F(xiàn)方法，為了實(shí)現(xiàn)在時(shí)間上的細(xì)掃，全部計(jì)算量與N2是成正比的；而對(duì)于頻域?qū)崿F(xiàn)方法，F(xiàn)FT的計(jì)算量與Nlog2成正比[5]。本系統(tǒng)觀測(cè)時(shí)間取為10 ms，對(duì)應(yīng)N為4 096點(diǎn)，顯然采用頻域?qū)崿F(xiàn)方法運(yùn)算量更小，更有效。

對(duì)于式（4），可以表示為 x（n）與 s（n）卷積形式

對(duì)式兩端做DFT[6]

利用 FFT 可以快速計(jì)算式（6），再將 Gxs（ejω）進(jìn)行 IFFT 即可即可得到相關(guān)器輸出，計(jì)算流程如圖5（b）所示。計(jì)算副本相關(guān)器在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的輸出最大值，通過(guò)設(shè)定合適的檢測(cè)門(mén)限，即可判定信號(hào)的有無(wú)。

4 信號(hào)檢測(cè)仿真結(jié)果

對(duì)水聲信號(hào)進(jìn)行Matlab仿真，結(jié)果如圖6所示。圖中左邊為基陣接收的CW、+LFM、－LFM脈沖信號(hào)波形，右邊為利用正交解調(diào)方法所求解的幅度包絡(luò)。從圖5可以看出，利用正交解調(diào)方法求得的幅度包絡(luò)和實(shí)際信號(hào)包絡(luò)取得了很好的一致，這點(diǎn)在圖6中體現(xiàn)的更為明顯。由于正交解調(diào)中所使用的低通濾波器是在數(shù)字域利用FIR濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此實(shí)際信號(hào)包絡(luò)和程序計(jì)算的幅度包絡(luò)之間存在一定的“延時(shí)”。在實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)時(shí)，利用對(duì)理想信號(hào)測(cè)試所得的先驗(yàn)知識(shí)，可以減去這個(gè)固定的“延時(shí)”來(lái)修正估計(jì)結(jié)果。

圖5 包絡(luò)檢波輸出結(jié)果1Fig．5 An envelope detection output

5 結(jié) 論

海洋水聲信號(hào)越寬，相干多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)包絡(luò)的影響越明顯，信號(hào)的時(shí)延估計(jì)將變得更困難。因此，水聲信號(hào)常采用窄脈寬的信號(hào)機(jī)制，盡可能避免多徑信號(hào)的干涉，使得多徑信號(hào)在時(shí)域上能夠與發(fā)射的脈沖信號(hào)分開(kāi)。另外，測(cè)距脈沖與測(cè)深脈沖采用不同的信號(hào)格式，以避免測(cè)距脈沖的多徑效應(yīng)對(duì)測(cè)深脈沖檢測(cè)的影響。此信號(hào)機(jī)制采用5 ms的發(fā)射脈沖寬度，測(cè)距脈沖采用CW信號(hào)，測(cè)深脈沖采用LFM信號(hào)。可以有效分隔開(kāi)時(shí)域上的多徑信號(hào)由于測(cè)深脈沖采用與測(cè)距脈沖不同的LFM信號(hào)，而且兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔滿足先驗(yàn)條件（40．96 ms～－81．92 ms 之間），因此 CW 脈沖的多徑效應(yīng)對(duì)LFM脈沖的檢測(cè)影響不大。

圖6 包絡(luò)檢波輸出結(jié)果2Fig．6 Envelope detector output 2

[1]陳潔麗．多普勒頻移環(huán)境下的水聲信號(hào)檢測(cè) [D]．廣州：華南理工大學(xué)，2012．

[2]許志恒．水聲主被動(dòng)定位系統(tǒng)聲信標(biāo)設(shè)計(jì)[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008．

[3]解偉，張曉斌，張朋松，等．飛機(jī)電源控制器PCU測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（9）2207－2209．XIE Wei，ZHANG Xiao-bin，ZHANG Peng-song，et al．Design of tester system for power control Unit （PCU）[J]．Computer Measurement&Control，2010，18（9）2207－2209．

[4]王建新，楊世鳳，隋美麗，等．Labwindows/CVI測(cè)試技術(shù)及工程應(yīng)用[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

[5]周承仙，李仰軍，武錦輝，等．基于Labwindows/CVI的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子測(cè)量技術(shù)，2007，30（12）:66－69．ZHOU Cheng-xian，LI Yang-jun，WU Jin-hui，et al．Design for multi-channel high speed data acquisition system based on Labwindows/CVI[J]．Electronic Measurement Technology，2007，30（12）:66－69．

[6]關(guān)萍萍，翟正軍，姜紅梅，等．基于LabWindows/CVI測(cè)控系統(tǒng)通用報(bào)表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31（1）:203－205．GUAN Ping-ping，ZHAI Zheng-jun，JIANG Hong-mei，et al．Design and implementation of universal control system report based on Labwindows/CVI[J]．Computer Engineering and Design，2010，31（1）:203－205．