一種基于非線性濾波器的激光致聲信號(hào)識(shí)別方法

王永超 韓 東 李 利

(海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018)

1 概述

近年來，隨著海洋活動(dòng)日益增多，水聲通信的應(yīng)用日益廣泛。激光致聲技術(shù)作為一種新興的水聲通信技術(shù)，在水下數(shù)據(jù)傳輸、水下機(jī)器人遙控、水文數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。其原理是利用激光束照射水面，當(dāng)激光的能量和功率超過某一閾值時(shí)，會(huì)在水中產(chǎn)生聲波[1]。

如果對(duì)激光的作用時(shí)間進(jìn)行控制，使其以固定的時(shí)間間隔向水面照射，就能夠在水中產(chǎn)生周期性的聲波脈沖信號(hào)，通過編碼就可以實(shí)現(xiàn)信息在水下的傳輸。在接收端，接收器對(duì)每個(gè)約定的時(shí)間間隔進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)到聲波脈沖則判定為收到碼元1，如果未檢測(cè)到聲波脈沖，則判定收到碼元0，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水上與水下的通信。

2 波形識(shí)別方法

由于激光脈沖的作用時(shí)間極短，因此這段時(shí)間在分析中可以忽略不計(jì)[2]。激光脈沖作用于水面后，會(huì)使水中在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)聲波脈沖信號(hào)，該信號(hào)的振動(dòng)幅度隨時(shí)間衰減(圖1)。

圖1 激光致聲信號(hào)

根據(jù)聲波脈沖信號(hào)的時(shí)域波形特點(diǎn)，可以利用非線性濾波器對(duì)信號(hào)濾波，從而得到各個(gè)脈沖信號(hào)在時(shí)間軸上的起始位置。在后續(xù)分析中可以根據(jù)識(shí)別到的時(shí)間軸位置信息確定連續(xù)兩個(gè)聲波脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔，進(jìn)而判斷其間是否存在碼元0并實(shí)現(xiàn)譯碼。下面介紹利用非線性濾波器對(duì)聲波脈沖信號(hào)的進(jìn)行識(shí)別和定位。

2.1 信號(hào)預(yù)處理

在接收器采集信號(hào)的過程中，環(huán)境背景噪聲、系統(tǒng)噪聲都會(huì)對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生影響，進(jìn)而干擾后續(xù)的分析結(jié)果。另外，在分析過程中往往并不需要采集信號(hào)的全部信息，在很多情況下只需提取信號(hào)中的部分信息即可完成分析，因此在分析前需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。

2.1.1 去基線

2.1.2 信號(hào)取絕對(duì)值

去噪信號(hào)s 能夠反映激光作用于水面后產(chǎn)生的聲波波形，通過對(duì)s 進(jìn)行識(shí)別，能夠確定每個(gè)激光脈沖作用于水面的時(shí)間。從圖1 中可以看到，短時(shí)間內(nèi)聲波信號(hào)快速上下震蕩，但信號(hào)的幅度變化不大，在識(shí)別過程中需要用到信號(hào)的幅度信息，所以要去除信號(hào)在震蕩中符號(hào)的影響，因此對(duì)s 取絕對(duì)值，得到信號(hào)的幅度信息|s|(圖2)。

圖2 信號(hào)幅度

2.2 非線性濾波

聲波信號(hào)在時(shí)域波形上區(qū)別于背景噪聲，通過設(shè)計(jì)非線性濾波器對(duì)其特征進(jìn)行提取，當(dāng)一個(gè)濾波器窗口內(nèi)的各個(gè)特征都符合預(yù)設(shè)閾值時(shí)，即認(rèn)為當(dāng)前窗口中存在一個(gè)由激光引發(fā)的聲波脈沖信號(hào)，進(jìn)而根據(jù)這些特征在時(shí)間軸上的位置確定聲波脈出現(xiàn)的時(shí)間。

2.2.1 濾波器設(shè)計(jì)

非線性濾波器對(duì)窗口內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行非線性濾波，從而提取需要的特征，特征的選取由信號(hào)本身的特性決定。在工程中，往往選取信號(hào)中與背景噪聲區(qū)分度較大的時(shí)域或頻域特征作為目標(biāo)特征。通過觀察圖2 中的信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)，每個(gè)聲波脈沖在出現(xiàn)時(shí)存在明顯的上升沿，且震蕩幅度在短時(shí)間內(nèi)大幅增加，之后隨時(shí)間逐步衰減。該時(shí)域特點(diǎn)明顯區(qū)別于無脈沖時(shí)的背景信號(hào)，針對(duì)這一時(shí)域特點(diǎn)設(shè)計(jì)非線性濾波器，并對(duì)特征進(jìn)行提取。設(shè)濾波器窗口滑至第i 個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)，窗口對(duì)|s|截取的部分為|Wi|，截取的點(diǎn)數(shù)為N1，共設(shè)置三個(gè)特征：

其中M1、M2為求和區(qū)間的邊界，k 為下標(biāo)，a 為常系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)環(huán)境、激光源功率等多種因素決定，本文中a 的值為3。

3 結(jié)果分析

利用該方法分別在實(shí)驗(yàn)室平靜水面及海邊有浪水面條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中把聲源和接收器的距離設(shè)置為5m，10m，15m，20m，25m，分別測(cè)試不同距離時(shí)算法對(duì)信號(hào)的識(shí)別率。激光器功率為3w，識(shí)別結(jié)果如表1 所示。

圖3 聲波脈沖信號(hào)定位結(jié)果

表1 不同條件下激光致聲信號(hào)識(shí)別率

從結(jié)果可以看到，平靜水面環(huán)境下信號(hào)的識(shí)別率高于海邊有浪環(huán)境，原因是海邊水下環(huán)境噪聲較大，易對(duì)信號(hào)的波形造成干擾，同時(shí)水下環(huán)境比較復(fù)雜，對(duì)聲波的傳輸造成遮擋、反射、折射等干擾，導(dǎo)致接收信號(hào)發(fā)生畸變，致使識(shí)別率下降。從距離因素看，由于激光器功率有限，在10m 范圍內(nèi)接收器能夠接收到幅度較強(qiáng)的聲波信號(hào)，在此范圍之外聲波信號(hào)的幅度隨距離快速衰減，與平靜水面環(huán)境相比，海邊有浪環(huán)境下信號(hào)幅度衰減更快，所以隨著信號(hào)源與接收器距離增加，識(shí)別率逐步下降。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于非線性濾波器的激光致聲信號(hào)識(shí)別方法，算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)于激光致聲產(chǎn)生的聲波脈沖信號(hào)具有較好的檢測(cè)及定位效果。算法的缺點(diǎn)是對(duì)于噪聲的抗性不強(qiáng)，對(duì)較復(fù)雜水下環(huán)境的聲波識(shí)別率較低。