一種基于DSP的聲信標弱信號提取方法

李笑媛，程 晶，那 健

(大連測控技術研究所，遼寧 大連116013)

0 引 言

聲信標在水中目標的搜救與定位等方面有著廣泛應用。當前在搜救與定位方面使用聲信標的尺寸和功耗都要求越來越小，限制了聲信標發射信號的功率和頻率，使得對聲信標信號的搜尋和定位作用距離受到限制。為了在較低的聲信標發射聲源級的條件下，盡量提高對目標的檢測距離，就需要采用最佳的聲信標弱信號提取方法。本文對聲信標弱信號的提取方法進行研究并將提取方法在DSP 模塊上實現，最終將遠距離聲信標弱信號的檢測結果以音頻、視頻輸出。

1 聲信標信號特性

本文以聲源級168 dB，頻率為43 kHz 的CW 脈沖聲信標信號為例。

通過以上參數可知，聲信標發射信號的強度較弱，頻率較高，會導致信號傳播衰減較快，作用距離較近。

根據聲信標信號的發射和提取方式，被動聲吶方程如下［3］:

其中聲源級SL=168 dB，總的海洋背景噪聲級NL，聲信號在海水中的傳播損失TL，是影響聲信標信號傳播的最重要因素。

傳播損失如下式［3］:

其中r 為距離，km;f 為頻率，kHz。

信標信號頻率f=43 kHz，根據要求水聲探測距離需達到2 km，首先計算r=2 km 處的傳播損失。

TL=15log2+0.036×433/2×2+60=81dB。

背景噪聲級NL 假設為100 dB，將TL和NL 結果代入式(1)，則

DT=168－81－100=－13dB。

若在2 km 處能有效檢測出信號，檢測方法的檢測增益至少要達到13 dB。

2 聲信標弱信號提取方法

本課題需要提取的聲信標信號是一種CW 脈沖信號，為確知信號，信號提取的噪聲干擾為海洋背景噪聲。接收端接收到的聲信標的發射信號s(t)可表述如下:

式中:k=0，1，2，…，n 為正整數;s0(t)為聲信標信號發射脈沖;n(t)為海洋環境噪聲干擾。

針對確定性的被提取信號以及檢測頻帶近似白噪聲的海洋背景干擾特性，可用的信號提取方法主要有:人耳聽聞、窄帶濾波、匹配濾波、FFT 濾波及自適應濾波等。根據Matlab 仿真結果匹配濾波在信噪比為-15 dB 時可以有效提取出信號，故本文選用匹配濾波來提取聲信標信號。

人耳聽覺系統可以完成對聲信號的傳輸、轉換等綜合處理，最終能夠提前出信號。但是人耳聽覺范圍在20 Hz ～20 kHz 之間，因此需要將43 kHz 的高頻信號移頻，將43 kHz 的信號與42 kHz 的信號進行混頻，將信號移頻到1 kHz。

聲信標弱信號提取流程如圖1所示。

圖1 信號提取流程Fig.1 The process of realizing signal

3 DSP 程序設計

本文所選用的信號采集模塊包含4 片TS201 DSP芯片，可以實現4 路信號的同步采集。采集模塊上電初始化后，等待AD 芯片開始采樣。采樣數據寫入FPGA 的緩存內，每個通道采集4 096 點數據，即寫滿4 096×4CH=16 384 點數據后，給DSP 發送中斷。DSP 響應中斷后從FPGA 的緩存內讀取數據。

信號采集模塊的采樣率為312 500 Hz，每個通道每次采集4 096 點數據，因此采樣周期為TS=4 096/312 500=13.107 2 ms，DSP 通過外部總線讀取采集數據。DSP 讀取外部總線的數據后，將采集到的數據存儲，存夠4 組數據，即16 384 點數據后，將數據通過LINK 總線發送給另外一片DSP 進行信號提取。由于需要進行實時采樣，所以需要在TS×4=52.4 ms 的時間內完成信號提取算法的運算。

DSP 程序首先需要產生10 ms 頻率為1 000 Hz，幅度為100 mV 的發射信號，用于與接收到的信號做相關計算，實現匹配濾波。

使用Matlab 的工具箱設計帶通濾波器，濾波器的設計參數如下:

Bandpass FIR:FS=312500;Fstop1:600;Fpass1:890;Fpass2:1 110;Fstop2:1 400;Astop1:20;Apass:1;Astop2:20。

通過Matlab 設計的帶通濾波器的階數為928階，將濾波器的系數按照固定的格式復制到DSP 程序事先定義的濾波器系數數組中。通過fir()函數實現對原始信號的濾波。

由于AD 的采樣率設置為312 500 Hz，DA 的采樣率設置為312 500/8=39 062.5 Hz，為了匹配DA輸出，需要降低8 倍采樣率，即混頻、帶通濾波后的數據每8 個點抽取一個點。最終將檢測結果按照要求格式輸出到DA 中。由于采用的是16 位的DA芯片，故需要將檢測結果變換到0 ～65 535 之間，將檢測結果按照式(4)進行計算，之后將數據送給DA 模塊。將DA 輸出端連接到耳機或者音箱上，通過人耳聽聞識別信號。

式中:ynew為變換后的檢測數據;ymax為檢測數據中的最大值;ymin為檢測數據中的最小值;yold為需要進行轉換的檢測數據。

最后DSP 給主機發送中斷，主機收到DSP 中斷后讀取檢測結果，為便于顯示，DSP 程序中將檢測結果進行抽點處理，即每隔4 個點抽取1 個點，所以顯示的檢測結果為2 048/4=512 點數據。

本文采用VisualDSP++作為DSP 程序開發環境，C++Builder6.0 作為主機程序開發環境。對DSP 程序采用主機加載方式，每次啟動主機程序將自動加載并且運行DSP 程序。主機程序采用多線程的工作方式，其中一個線程用來專門讀取檢測結果，并將檢測結果以圖形的方式直觀地顯示在界面上。采集DSP 程序流程如圖2所示。信號提取DSP 程序流程如圖3所示。

圖2 采集DSP 程序流程Fig.2 The process of AD_ DSP program

圖3 信號提取DSP 程序流程Fig.3 The process of DSP program

4 結果分析

海上試驗驗證:連接好系統，將聲信標、水聽器入水，運行主機程序，系統開始運行，采集模塊開始實時采集信號。通過音頻輸出可以清晰地分辨出聲信標的脈沖信號，同時主機程序中也可以觀察到如圖4所示的檢測結果，從圖中可以清晰地分辨出聲信標信號。

圖4 檢測結果Fig.4 The result of realizing

5 結 語

利用以上程序進行聲信標的弱信號提取，實現了在復雜海洋環境噪聲下提取聲信標弱信號的目的。以上方法能夠實時采集處理信號，即實現了算法的工程化。通過碼頭、海上試驗，該方法均能準確地發現目標，且作用距離有較大幅度提高能夠滿足系統要求。

［1］劉伯勝，雷家煜.水聲學原理［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，1993.

［2］Paul C.Etter.水聲建模與仿真(第3 版)［M］.北京:電子工業出版社，2005.

［3］惠俊英.水下聲信道［M］.北京:國防工業出版社，1992.

［4］Visual Dsp++4.5 C/C++Compiler and Library Manual for TigerSHARC Processors［R］.2006.

［5］ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Programming Reference［R］.2003.

［6］ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Hardware Reference［R］.2004.