一種基于DSP的聲信標(biāo)弱信號(hào)提取方法

李笑媛，程 晶，那 健

(大連測(cè)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(lái)越小，限制了聲信標(biāo)發(fā)射信號(hào)的功率和頻率，使得對(duì)聲信標(biāo)信號(hào)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(jí)的條件下，盡量提高對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)距離，就需要采用最佳的聲信標(biāo)弱信號(hào)提取方法。本文對(duì)聲信標(biāo)弱信號(hào)的提取方法進(jìn)行研究并將提取方法在DSP 模塊上實(shí)現(xiàn)，最終將遠(yuǎn)距離聲信標(biāo)弱信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果以音頻、視頻輸出。

1 聲信標(biāo)信號(hào)特性

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

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

根據(jù)聲信標(biāo)信號(hào)的發(fā)射和提取方式，被動(dòng)聲吶方程如下［3］:

其中聲源級(jí)SL=168 dB，總的海洋背景噪聲級(jí)NL，聲信號(hào)在海水中的傳播損失TL，是影響聲信標(biāo)信號(hào)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(hào)頻率f=43 kHz，根據(jù)要求水聲探測(cè)距離需達(dá)到2 km，首先計(jì)算r=2 km 處的傳播損失。

TL=15log2+0.036×433/2×2+60=81dB。

背景噪聲級(jí)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(cè)出信號(hào)，檢測(cè)方法的檢測(cè)增益至少要達(dá)到13 dB。

2 聲信標(biāo)弱信號(hào)提取方法

本課題需要提取的聲信標(biāo)信號(hào)是一種CW 脈沖信號(hào)，為確知信號(hào)，信號(hào)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(hào)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(hào)發(fā)射脈沖;n(t)為海洋環(huán)境噪聲干擾。

針對(duì)確定性的被提取信號(hào)以及檢測(cè)頻帶近似白噪聲的海洋背景干擾特性，可用的信號(hào)提取方法主要有:人耳聽(tīng)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(shí)可以有效提取出信號(hào)，故本文選用匹配濾波來(lái)提取聲信標(biāo)信號(hào)。

人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)可以完成對(duì)聲信號(hào)的傳輸、轉(zhuǎn)換等綜合處理，最終能夠提前出信號(hào)。但是人耳聽(tīng)覺(jué)范圍在20 Hz ～20 kHz 之間，因此需要將43 kHz 的高頻信號(hào)移頻，將43 kHz 的信號(hào)與42 kHz 的信號(hào)進(jìn)行混頻，將信號(hào)移頻到1 kHz。

聲信標(biāo)弱信號(hào)提取流程如圖1所示。

圖1 信號(hào)提取流程Fig.1 The process of realizing signal

3 DSP 程序設(shè)計(jì)

本文所選用的信號(hào)采集模塊包含4 片TS201 DSP芯片，可以實(shí)現(xiàn)4 路信號(hào)的同步采集。采集模塊上電初始化后，等待AD 芯片開(kāi)始采樣。采樣數(shù)據(jù)寫(xiě)入FPGA 的緩存內(nèi)，每個(gè)通道采集4 096 點(diǎn)數(shù)據(jù)，即寫(xiě)滿(mǎn)4 096×4CH=16 384 點(diǎn)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(hào)采集模塊的采樣率為312 500 Hz，每個(gè)通道每次采集4 096 點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此采樣周期為T(mén)S=4 096/312 500=13.107 2 ms，DSP 通過(guò)外部總線(xiàn)讀取采集數(shù)據(jù)。DSP 讀取外部總線(xiàn)的數(shù)據(jù)后，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，存夠4 組數(shù)據(jù)，即16 384 點(diǎn)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過(guò)LINK 總線(xiàn)發(fā)送給另外一片DSP 進(jìn)行信號(hào)提取。由于需要進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，所以需要在TS×4=52.4 ms 的時(shí)間內(nèi)完成信號(hào)提取算法的運(yùn)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(hào)，用于與接收到的信號(hào)做相關(guān)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)匹配濾波。

使用Matlab 的工具箱設(shè)計(jì)帶通濾波器，濾波器的設(shè)計(jì)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(guò)Matlab 設(shè)計(jì)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(guò)fir()函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)原始信號(hào)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(gè)點(diǎn)抽取一個(gè)點(diǎn)。最終將檢測(cè)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(cè)結(jié)果變換到0 ～65 535 之間，將檢測(cè)結(jié)果按照式(4)進(jìn)行計(jì)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(guò)人耳聽(tīng)聞識(shí)別信號(hào)。

式中:ynew為變換后的檢測(cè)數(shù)據(jù);ymax為檢測(cè)數(shù)據(jù)中的最大值;ymin為檢測(cè)數(shù)據(jù)中的最小值;yold為需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的檢測(cè)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(cè)結(jié)果，為便于顯示，DSP 程序中將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行抽點(diǎn)處理，即每隔4 個(gè)點(diǎn)抽取1 個(gè)點(diǎn)，所以顯示的檢測(cè)結(jié)果為2 048/4=512 點(diǎn)數(shù)據(jù)。

本文采用VisualDSP++作為DSP 程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，C++Builder6.0 作為主機(jī)程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。對(duì)DSP 程序采用主機(jī)加載方式，每次啟動(dòng)主機(jī)程序?qū)⒆詣?dòng)加載并且運(yùn)行DSP 程序。主機(jī)程序采用多線(xiàn)程的工作方式，其中一個(gè)線(xiàn)程用來(lái)專(zhuān)門(mén)讀取檢測(cè)結(jié)果，并將檢測(cè)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(hào)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(hào)提取DSP 程序流程Fig.3 The process of DSP program

4 結(jié)果分析

海上試驗(yàn)驗(yàn)證:連接好系統(tǒng)，將聲信標(biāo)、水聽(tīng)器入水，運(yùn)行主機(jī)程序，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，采集模塊開(kāi)始實(shí)時(shí)采集信號(hào)。通過(guò)音頻輸出可以清晰地分辨出聲信標(biāo)的脈沖信號(hào)，同時(shí)主機(jī)程序中也可以觀察到如圖4所示的檢測(cè)結(jié)果，從圖中可以清晰地分辨出聲信標(biāo)信號(hào)。

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

5 結(jié) 語(yǔ)

利用以上程序進(jìn)行聲信標(biāo)的弱信號(hào)提取，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜海洋環(huán)境噪聲下提取聲信標(biāo)弱信號(hào)的目的。以上方法能夠?qū)崟r(shí)采集處理信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)了算法的工程化。通過(guò)碼頭、海上試驗(yàn)，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(mǎn)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(guó)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.