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(lián)合職業(yè)技術(shù)學院揚州分院，江蘇 揚州225002)

0 引 言

隨著海洋開發(fā)和海洋科技的發(fā)展，水聲信號處理技術(shù)變得非?；钴S，這種技術(shù)在海洋環(huán)境監(jiān)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(huán)境千變?nèi)f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(shù)據(jù)處理分析。

本文通過研究海上水聲信號的產(chǎn)生和海上水聲信號定位系統(tǒng)的構(gòu)成，設(shè)計水聲信號處理系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳遞，以及環(huán)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)生

本文利用圖形化編程語言LabView 海上水聲信號的仿真。現(xiàn)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(diào)頻以及對DSB 進行單邊幅度調(diào)制。整個過程如下［2］:

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

于是得:

設(shè)a(t)=m(t)對載波信號進行第2 次調(diào)制，然后用DSB 去調(diào)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(tǒng)的構(gòu)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(shù)據(jù)采集器、無線收發(fā)器組成了陸上的控制中心，傳感器、無線收發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)轉(zhuǎn)換器的范圍內(nèi)，然后發(fā)送給數(shù)字轉(zhuǎn)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(xiàn)方式如圖1 所示。

圖1 水聲信號定位實現(xiàn)方式構(gòu)成圖Fig.1 Structure diagram of acoustic signal orientation implementation

2)水聲信號處理系統(tǒng)流程

主控中心開始運行時給海中的基站發(fā)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(tǒng)各個模塊處于待接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，并且對傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等裝置進行參數(shù)配置，若有觸發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫中以備對數(shù)據(jù)進行分析整理，結(jié)果在PC 機上顯示出來。在整個系統(tǒng)中設(shè)置了安全監(jiān)測實時診斷系統(tǒng)是否處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障，主控中心第一時間會發(fā)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(shù)據(jù)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(huán)境影響大的多重干擾信道，其物理特性主要包括環(huán)境噪聲、傳輸損耗、多徑傳輸、多普勒效應引發(fā)的信號偏移。

1)環(huán)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(zhuǎn)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(guān)，一般將基站的載波頻率設(shè)置為1 kHz 以上。

盡管海上噪聲的大小決定了信噪比和發(fā)射功率，但在做物理特性分析時，一般將1 ～20 kHz 頻率內(nèi)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(fā)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(guān)，海水對聲波吸收系數(shù)經(jīng)驗值為［3］:

式中:f 為聲波頻率;α 為每公里的分貝數(shù)。

一般情況下，海上通信設(shè)置的載波頻率小于50 kHz，根據(jù)文獻［4］可知水中通信距離和傳輸速率之間的關(guān)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(guī)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(guī)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(shù)(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(zhì)量。

4)多普勒效應產(chǎn)生頻率的偏移

信號發(fā)送端和接收端之間產(chǎn)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(fā)射器端的運動速度為vs，接收端的運動速度為vr，可知發(fā)射頻率為fs的信號到接收端后頻率變?yōu)椋?］:

式中:vr和vs為從發(fā)射端指向接收端為正方向的向量;fs為發(fā)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(fā)送端和接收端之間沒有產(chǎn)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(diào)制，同樣會使接收端的頻率發(fā)生偏移，根據(jù)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(shè)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(chǎn)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(fā)送端的數(shù)據(jù)。

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(fā)送端的距離200 m，最大延時τmax= 0.073 3 s，子載波數(shù)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(fā)送端和接收端之間產(chǎn)生的相對位移時，經(jīng)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(fā)送端和接收端之間沒有產(chǎn)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(jīng)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(nèi)不正交時的水聲信道傳輸問題。

5 結(jié) 語

本文通過研究海上水聲信號的產(chǎn)生和海上水聲信號定位系統(tǒng)的構(gòu)成，設(shè)計水聲信號處理系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳遞，以及環(huán)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(chǎn)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(chǎn)生的頻率偏移。

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