海上水聲信號處理算法中的物理特性仿真研究

賈建偉

(江蘇聯合職業技術學院揚州分院，江蘇 揚州225002)

0 引 言

隨著海洋開發和海洋科技的發展，水聲信號處理技術變得非常活躍，這種技術在海洋環境監測、海洋資源勘探、軍事演習等方面有舉足輕重的作用。由于海洋環境千變萬化，水聲信號處理往往受到風浪流的的影響，因此研究水聲新的定位，以及對信號進行處理能夠更有效地提取有用信息進行數據處理分析。

本文通過研究海上水聲信號的產生和海上水聲信號定位系統的構成，設計水聲信號處理系統流程，指出陸地上的主控中心與水中的基站如何進行信號數據傳遞，以及環境噪聲、傳輸損耗、多徑傳輸、多普勒效應等物理特性對信號偏移產生何種影響。最后通過實驗進行驗證，為了解決當子載波在頻域內不正交時的水聲信道傳輸問題，在接收端加入濾波器通過SINR 增益值來說明如何消除多普勒偏移的影響。

1 海上水聲信號的產生

本文利用圖形化編程語言LabView 海上水聲信號的仿真。現實中，海上水聲信號為頻帶寬度較小的信號，表達式為［1］:

式中:a(t)為載波幅度;φ(t)為載波相位;f0為信號載頻;T 為工作周期。

本文進行聲吶信號仿真的方式為采用正旋單頻信號對FM 進行調頻以及對DSB 進行單邊幅度調制。整個過程如下［2］:

令接收到的調制信號為m(t)，載波信號為p(t)=Acos(2πfct)，利用調制信號去控制載波信號的頻率得到的FM 信號為:

于是得:

設a(t)=m(t)對載波信號進行第2 次調制，然后用DSB 去調制sFM(t)，因此獲得模擬水聲信號s(t)。

2 水聲信號的定位以及處理

1)海上水聲信號定位系統的構成

水聲信號定位的方式為通過無線電進行聲定位。有陸面上的控制中心和海中的基站組成。PC 機、數據采集器、無線收發器組成了陸上的控制中心，傳感器、無線收發器、水中控制器主城了海中的基站。在進行信號定位時，陸上的控制中心將各個控制信號通過無線電裝置傳送到水中的基站，由此可以控制基站中裝置的初始值、校驗值以及開啟運作模式。在基站接收到工作信號后將進行數據采集，主要是將傳感器采集的信號進行隔離、放大、濾波處理，以及將電壓變換到將模數轉換器的范圍內，然后發送給數字轉換器進行抽樣、量化、編碼，然后在接收到主控中心的信號后交給陸上處理，然后在PC機進行分析處理，然后利用達到時間差定位方式進行定位，實現方式如圖1 所示。

圖1 水聲信號定位實現方式構成圖Fig.1 Structure diagram of acoustic signal orientation implementation

2)水聲信號處理系統流程

主控中心開始運行時給海中的基站發送指令，讓其初始化，然后將返回的信息顯示在主控的PC機上;系統各個模塊處于待接收數據的狀態，并且對傳感器、數據采集卡等裝置進行參數配置，若有觸發信號則硬件開始工作，在接收到指令后軟件開始工作，進行數據的采集、存儲、分析;通過無線電將基站的信息反饋到主控中心，并且存儲在數據庫中以備對數據進行分析整理，結果在PC 機上顯示出來。在整個系統中設置了安全監測實時診斷系統是否處于正常運轉狀態，當發現出現故障，主控中心第一時間會發送指令停止運行。

圖2 水聲信號處理流程圖Fig.2 Flow chart of the underwater acoustic signal processing

海域的溫度、鹽分、潮流都會影響傳感器對信號數據的采集，因此水聲信號處理對于物理特性的仿真非常重要。

3 水聲信道的物理特性

海上水聲信道是一個時頻變化，外界環境影響大的多重干擾信道，其物理特性主要包括環境噪聲、傳輸損耗、多徑傳輸、多普勒效應引發的信號偏移。

1)環境噪聲

海上水聲信號往往受到洋流潮汐船舶活動等噪聲影響。通過頻率與分貝之間的轉換可知:海上噪聲為1 ～20 kHz 對應的分貝為40 ～70 dB，頻率與噪聲成反比，頻率越小，噪聲越大，若噪聲的頻率在1 kHz 以下，噪聲譜在70 dB 以上，由此可得，傳輸信號時載波的頻率與海上噪聲有關，一般將基站的載波頻率設置為1 kHz 以上。

盡管海上噪聲的大小決定了信噪比和發射功率，但在做物理特性分析時，一般將1 ～20 kHz 頻率內的噪聲近似為高斯噪聲，如圖3 所示。

圖3 高斯噪聲示意圖Fig.3 Schematic diagram of the gauss noise

2)傳輸損耗

聲波在水中傳播時由于吸收、散射等問題發生衰落，當聲波頻率大于1 kHz 時，聲波衰落的原因是海水對聲波的吸收，衰減大小與聲波頻率的平方有關，海水對聲波吸收系數經驗值為［3］:

式中:f 為聲波頻率;α 為每公里的分貝數。

一般情況下，海上通信設置的載波頻率小于50 kHz，根據文獻［4］可知水中通信距離和傳輸速率之間的關系為:

式中:第1 個R 為通信距離;第2 個R 為傳輸速率。

聲信號在擴散的過程中會按照一定的規則衰減，當傳播距離較遠時，距離越大，聲波會按照R－3/2的規律衰減［5］。由此可得聲信號的損失為:

式中:R 為傳播距離;α 為聲波的損失系數(dB/km)。

3)多路徑傳輸

由于海底和海面之間的N 次反射或者折射使得聲源信號在抵達接收器的時候會有不同的路徑。同時會影響信號的幅度變小、頻率變低和解碼之間的干擾增強，從而嚴重影響了主控中心接收到的信號質量。

4)多普勒效應產生頻率的偏移

信號發送端和接收端之間產生的相對位移，引起當二者靠近時頻率增大，二者遠離時頻率減小。若發射器端的運動速度為vs，接收端的運動速度為vr，可知發射頻率為fs的信號到接收端后頻率變為［6］:

式中:vr和vs為從發射端指向接收端為正方向的向量;fs為發射頻率;fr為接受頻率;c 為水中的聲速，一般情況下c = 1 500 m/s。

當fs= 15 000 Hz，vs= 3 m/s，vr= －3 m/s，接收頻率fr= 15 060 Hz 時，多普勒頻率偏移為:

信號發送端和接收端之間沒有產生相對位移時，由于風浪流等因素的影響，信號會因為這些因素而被調制，同樣會使接收端的頻率發生偏移，根據參考文獻［7］可知頻移為:

式中:fw為波浪的運動頻率;hw為波浪的高度均方值;w 為風速大小;c 為水中的聲速，一般情況下c =1 500 m/s;θ0為聲波到達接收端時的入射角。

假設海上的風速v = 20 kn，則信道的多普勒頻率為28.23 ～43.75 Hz。

由上述可知:海上風浪流等形成的噪聲對信號的傳播接受造成很大的影響，使得傳輸損耗增大，接收信號的信噪比也減小，低頻率的控制波使得傳輸速率低，并且多普勒效應產生的頻率偏移越大，信道的衰減就越快，接收端接收到的信號波形越不能逼真的反應發送端的數據。

4 物理特性仿真

在接收端利用加入濾波器來消除多普勒偏移的影響。

載波的頻率f = 8 kHz，風速k = 10 kn，聲速c= 1 500 m/s，水的深度50 m，接收端與發送端的距離200 m，最大延時τmax= 0.073 3 s，子載波數N =1 024，子信道帶寬B = 13.28 Hz，時間間隔Ts=0.148 6 s。從而得到信號發送端和接收端之間產生的相對位移時，經補償后剩余的多普勒頻率偏移為Fd= 1 Hz 和Fd= 2 Hz，此時加入消除濾波器后得到的SINR 增益比較如圖4 所示。

圖4 加入消除濾波器后得到的SINR 增益比較圖Fig.4 Comparison of SINR gain

信號發送端和接收端之間沒有產生的相對位移時，由于風浪流等因素影響SINR 增益。第i 條路徑經補償后余下的多普勒頻率偏移fl= Fdcosθl，式中Fd= 1 Hz 和Fd= 2 Hz，各個聲波到達接收端時的入射角θl分別為0.072 3 π，0.548 6π，0.753 1 π，0.570 8 π，0.032 0 π，0.947 8 π。加入消除濾波器后得到的SINR 增益比較如圖5 所示。

圖5 無相對于運動時加入消除濾波器后得到的SINR 增益比較圖Fig.5 Comparison of SINR gain when no relative movement

從圖4 ～圖5 可知，加入消除濾波器后多普勒頻率偏移的SINR 增益增大，即圖中淺色曲線。并且偏移量越大，加入濾波器后的效果越顯著，從而有效地解決了當子載波在頻域內不正交時的水聲信道傳輸問題。

5 結 語

本文通過研究海上水聲信號的產生和海上水聲信號定位系統的構成，設計水聲信號處理系統流程，指出陸地上的主控中心與水中的基站如何進行信號數據傳遞，以及環境噪聲、傳輸損耗、多徑傳輸、多普勒效應等物理特性對信號偏移產生何種影響。最后通過實驗驗證加入消除濾波器后可以有效地控制多普勒效應產生的頻率偏移。

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