李笑媛，程 晶，那 健

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連116013)

0 引 言

聲信標(biāo)在水中目標(biāo)的搜救與定位等方面有著廣泛應(yīng)用。當(dāng)前在搜救與定位方面使用聲信標(biāo)的尺寸和功耗都要求越來越小，限制了聲信標(biāo)發(fā)射信號的功率和頻率，使得對聲信標(biāo)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(biāo)發(fā)射聲源級的條件下，盡量提高對目標(biāo)的檢測距離，就需要采用最佳的聲信標(biāo)弱信號提取方法。本文對聲信標(biāo)弱信號的提取方法進(jìn)行研究并將提取方法在DSP 模塊上實現(xiàn)，最終將遠(yuǎn)距離聲信標(biāo)弱信號的檢測結(jié)果以音頻、視頻輸出。

1 聲信標(biāo)信號特性

本文以聲源級168 dB，頻率為43 kHz 的CW 脈沖聲信標(biāo)信號為例。

通過以上參數(shù)可知，聲信標(biāo)發(fā)射信號的強(qiáng)度較弱，頻率較高，會導(dǎo)致信號傳播衰減較快，作用距離較近。

根據(jù)聲信標(biāo)信號的發(fā)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(biāo)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(biāo)信號頻率f=43 kHz，根據(jù)要求水聲探測距離需達(dá)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(shè)為100 dB，將TL和NL 結(jié)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(dá)到13 dB。

2 聲信標(biāo)弱信號提取方法

本課題需要提取的聲信標(biāo)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(biāo)的發(fā)射信號s(t)可表述如下:

式中:k=0，1，2，…，n 為正整數(shù);s0(t)為聲信標(biāo)信號發(fā)射脈沖;n(t)為海洋環(huán)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(yīng)濾波等。根據(jù)Matlab 仿真結(jié)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(biāo)信號。

人耳聽覺系統(tǒng)可以完成對聲信號的傳輸、轉(zhuǎn)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(jìn)行混頻，將信號移頻到1 kHz。

聲信標(biāo)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(shè)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(xiàn)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(shù)據(jù)寫入FPGA 的緩存內(nèi)，每個通道采集4 096 點數(shù)據(jù)，即寫滿4 096×4CH=16 384 點數(shù)據(jù)后，給DSP 發(fā)送中斷。DSP 響應(yīng)中斷后從FPGA 的緩存內(nèi)讀取數(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。DSP 讀取外部總線的數(shù)據(jù)后，將采集到的數(shù)據(jù)存儲，存夠4 組數(shù)據(jù)，即16 384 點數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過LINK 總線發(fā)送給另外一片DSP 進(jìn)行信號提取。由于需要進(jìn)行實時采樣，所以需要在TS×4=52.4 ms 的時間內(nèi)完成信號提取算法的運算。

DSP 程序首先需要產(chǎn)生10 ms 頻率為1 000 Hz，幅度為100 mV 的發(fā)射信號，用于與接收到的信號做相關(guān)計算，實現(xiàn)匹配濾波。

使用Matlab 的工具箱設(shè)計帶通濾波器，濾波器的設(shè)計參數(shù)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(shè)計的帶通濾波器的階數(shù)為928階，將濾波器的系數(shù)按照固定的格式復(fù)制到DSP 程序事先定義的濾波器系數(shù)數(shù)組中。通過fir()函數(shù)實現(xiàn)對原始信號的濾波。

由于AD 的采樣率設(shè)置為312 500 Hz，DA 的采樣率設(shè)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(shù)據(jù)每8 個點抽取一個點。最終將檢測結(jié)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(jié)果變換到0 ～65 535 之間，將檢測結(jié)果按照式(4)進(jìn)行計算，之后將數(shù)據(jù)送給DA 模塊。將DA 輸出端連接到耳機(jī)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(shù)據(jù);ymax為檢測數(shù)據(jù)中的最大值;ymin為檢測數(shù)據(jù)中的最小值;yold為需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的檢測數(shù)據(jù)。

最后DSP 給主機(jī)發(fā)送中斷，主機(jī)收到DSP 中斷后讀取檢測結(jié)果，為便于顯示，DSP 程序中將檢測結(jié)果進(jìn)行抽點處理，即每隔4 個點抽取1 個點，所以顯示的檢測結(jié)果為2 048/4=512 點數(shù)據(jù)。

本文采用VisualDSP++作為DSP 程序開發(fā)環(huán)境，C++Builder6.0 作為主機(jī)程序開發(fā)環(huán)境。對DSP 程序采用主機(jī)加載方式，每次啟動主機(jī)程序?qū)⒆詣蛹虞d并且運行DSP 程序。主機(jī)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(jié)果，并將檢測結(jié)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(jié)果分析

海上試驗驗證:連接好系統(tǒng)，將聲信標(biāo)、水聽器入水，運行主機(jī)程序，系統(tǒng)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(biāo)的脈沖信號，同時主機(jī)程序中也可以觀察到如圖4所示的檢測結(jié)果，從圖中可以清晰地分辨出聲信標(biāo)信號。

圖4 檢測結(jié)果Fig.4 The result of realizing

5 結(jié) 語

利用以上程序進(jìn)行聲信標(biāo)的弱信號提取，實現(xiàn)了在復(fù)雜海洋環(huán)境噪聲下提取聲信標(biāo)弱信號的目的。以上方法能夠?qū)崟r采集處理信號，即實現(xiàn)了算法的工程化。通過碼頭、海上試驗，該方法均能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，且作用距離有較大幅度提高能夠滿足系統(tǒng)要求。

［1］劉伯勝，雷家煜.水聲學(xué)原理［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)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(yè)出版社，2005.

［3］惠俊英.水下聲信道［M］.北京:國防工業(yè)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.