２０１ １年第２期 声学与电子工程 总第１０２期 基于ＬａｂＶＩＥＷ的海洋声学仪器信号识别方法 朱兆彤 邹哲光 许肖梅 吕连港 （１厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，厦门，３６１ ００５） （２国家海洋局第一海洋研究所，青岛，２６６０６１） 摘要在总结几种常用海洋声学仪器的基本原理以及信号特征基础上，提出了采用频谱分析和自相关 方法提取噪声中的信号频率、脉宽、周期信息，采用短时傅里叶变换提取海洋声学仪器信号的时．频特征值 的方法，并与相关的海洋声学仪器信号参数数据库比对，设计了信号识别方法。基于ＬａｂＶＩＥＷ软件构建了 一套几种常用海洋声学仪器的信号识别系统，给出了识别系统的软件操作界面。通过应用实测ＡＤＣＰ数据 和仿真信号源所产生的几种声学仪器信号进行信号识别检验，表明该系统能够在较低的信噪比条件下准确 的识别已知特征参量的海洋声学仪器信号。研究成果可用于检测海洋中声学仪器的工作状态，识别不同海 洋声学仪器。 关键词海洋声学仪器；ＬａｂＶＩＥＷ；仪器识别；时频分析 在人们熟知的各种辐射形式中，声波在水中的 １信号特征分析 １．１信号特征 许多海洋声学仪器都是以一种脉冲式单频或 传播性能最佳。随着人们对海洋研究的日益深入， 各类海洋声学仪器在海洋中的探测应用也越来越 广泛。各种海洋声学仪器都有着各自不同的工作原 理，因此也有着各自不同的特征信号。从目前的资 料来看，虽然国内外有一些对某种海洋声学仪器， 如ＡＤＣＰ、回声定位仪等发射信号进行测量的文章， 然而很少见到有对这些仪器的信号进行综合分析、 归类并提出提取其信号特征的相关报道。 线性调频信号作为发射信号的，如ＡＤＣＰ、浅地 层剖面仪ｃｈｉｒｐＩＩＩ、浅地层剖面仪ＴＯＰＡＳ。具体 信号示意图见图１，这种信号主要有三个特征参 量。 ！‘一。一’：一’＿’一一一一一’一一一一一‘一 一一一‘一一ｉ 为了进行海洋调查，科研人员经常需要将各种 海洋声学仪器长期布放在水底，这样就造成了对这 些仪器是否正常工作的监测的困难。经常有渔民拖 ： 载波１载波 ｋＨｚ￣３ＭＨ ｚ ！ ：网误将仪器电缆割断或者不法分子偷盗仪器的报 道，而仪器在水下长期工作也难免会出现一些故 障。这些意外事件导致珍贵的实验数据的丢失往往 会造成难以估计的损失。因此需要设计一种能监测 海洋声学仪器的方法和实现系统。通过分析各型海 洋声学仪器发射的信号可以为设计这样的监测系 统提供重要的参考。因此，设计开发出这样一种能 对几种海洋声学仪器进行信号识别的工作是很有 意义的。 Ｌ．…．＿—．…一 …．…脉冲周期…．一——— ．…．……一 图１部分海洋声学仪器发射信号示意图 １．１．１载波频率 不同仪器的载波频率差别较大。根据水声学原 理，频率与分辨率成正比，而与传播距离成反比。 因此，一般来说，要求精确测量而测量距离要求不 远的仪器通常具有较高的工作频率。如某些ＡＤＣＰ 和适用于河流湖泊浅海的测深仪和多波束系统。通 常工作频率可达５００ ｋＨｚ以上，某些仪器甚至可以 本文通过分析几种广泛使用的海洋声学仪器 的技术参数、原理资料和实测所得到的海洋声学仪 器信号参数数据，基于ＬａｂＶＩＥｗ８．２软件构建了一 套常用海洋声学仪器识别系统。系统应用相关、频 谱分析、时频联合分析等技术方法实现了对接收到 的信号的去噪，滤波，提取信号特征等功能，之后 与已有的数据库中的几种海洋声学仪器特征参数 进行比对，识别出仪器类型，判断仪器的工作状态。 到达３ ＭＨｚ以上。这些仪器的探测距离通常在几米 到几十米，一般不会超过１００ ｍ。由于这类仪器信 号在水中衰减很快，因此较难在远距离进行探测。 而一些需要较远工作距离的仪器如声释放器、远距 离ＡＤＣＰ、深海测深仪等则一般工作在较低频率， 发射的工作频率带宽较宽，通常为１ ｋＨｚ～３００ ｋＨｚ， 或采用多种频率联合工作，低频时用于远距离、大 １８科技部科技创新项目资助和福建省科技重点项目（ＮＯ：２００９Ｎ００５０） 朱兆彤等：基于ＬａｂＶＩＥＷ的海洋声学仪器信号识别方法 角度粗探；高频用于近距离的细探。这些仪器在低 频时发射的信号可以相对容易的进行远距离的探 测。部分现代先进的商品化的声学仪器产品可以让 用户在某几个特定的工作频率中进行选择，让用户 能够更灵活的在测量精度和测量距离之间进行取 舍。为了抗强噪声干扰，还有一些产品的载波频率 不是简单的单频载波，而是类似于一种扫频信号。 １．Ｉ．２脉宽 由于海洋水环境中存在着大量混响，会严重的 干扰对正确信号的接收和处理，因此海洋声学仪器 通常会在脉冲间留出一段时间让混响进行一定的 衰落，便于之后的信号处理。同时，该段时间也可 以留给实时系统时间以供处理回波信息。 Ｉ．Ｉ＿３脉冲周期 即脉冲重复的周期，通常和脉宽一起考虑确定 合适的时间供混响衰落和进行回波信号处理，对于 实时系统来说，系统需要能在一个周期的时间内完 成该周期的信号处理运算。 本系统主要基于检测这三个特征参量并与仪 器数据库中各型仪器的标准特征参量进行比对，从 而实现仪器识别的功能。表Ｉ为三种海洋声学仪器 发射信号特征参数对比。 表Ｉ部分海洋声学仪器发射信号特征参数列表 仪器 载波频率 脉宽 脉冲周期 （ｋＳｚ） ｆｍｓ１ （ｍｓ） ＡＤＣＰ ３Ｏ～３ＯＯＯ ０．１～１ １～ｌ０ 多波束系统 ｌ０Ｏ～１０００ ０．０５加．５ ３０～５０ 浅地层剖面仪 ３～５Ｏ １～１Ｏ １～２Ｏ０ １．２实测的水声仪器信号 由于水声信道是一种非常复杂的信道，其中存 在的环境噪声、多途、混响、多普勒频移等因素都 会引起信号的畸变和衰落。因此接收到的信号往往 和发射信号相差很大。图２为接收到的一种ＡＤＣＰ 的时域信号。 图２接收到的一种３８ ｋＨｚＡＤＣＰ的发射信号 由图中可见，发射信号经过一定路径的水下传 播后已发生了明显的畸变，接收到的信号中出现了 大量由多途和混响引起的噪声。因此需要通过分析 几个信号特征参数对其进行识别。 ２关键技术 ２．１频谱分析技术 数字信号处理技术将时域信号 （ 通过傅里叶 变换变为频域信号 ，），从而使我们可以从另外的 角度来观察信号。通过傅里叶变换，可以明确揭示 信号的频率组成和组成信号各频率分量的能量大 小。特别是在离散傅里叶变换的快速算法（ＦＦＴ） 提出后，傅里叶变换的运算速度得到极大提高，也 使傅里叶变换成为目前信号处理领域最常用的方 法。在本系统中，使用ＦＦＴ计算得到接收信号的频 谱，从而确定接收信号的载波频率。 ２．２自相关滤波技术 信号的自相关函数为： （ ）＝∑ （ ） （ ＋ ） （１） 设观察到的信号 （ ）由发射信号 （ ）和高斯 Ａ噪声 （ ）组成，即 （ ）＝ （ ）＋ （ ），如果 （，ｚ）是周期的，信号长度为Ⅳ，那么： １ （ ）＝ ［ （ ）＋ （ ）］［ （ ＋ ）＋ （ ＋ ）］ 』Ｖ ｎ＝０ ＝ （７ ）＋ （， ）＋ｒ￣ｓ（ｍ）＋ （， ） （２） 式中： （ ）是原信号的自相关函数，与原信号具 有相同的周期； ， （ ）是原信号与随机噪声的互相 关，趋近于０； ，（ ）是随机噪声的自相关，在ｍ＝０ 时有极大值，之后迅速衰减，因此，只要ｍ取值足 够大，就能从高斯白噪声中提取出发射信号的周期 成分。 若己知欲检测的信号中含有周期成分，就可通 过自相关的方法，从叠加高斯白噪声的信号中滤波 得到原始信号。由于很多海洋声学仪器都是以单频 正弦波作为载波信号的，因此，通过自相关的方法 可以有效的从高斯白噪声中恢复原来的周期信号。 ２．３时频联合分析技术 信号的时域波形含有大量我们感兴趣的信息。 而如果只采用传统的频谱分析方法，就会忽视信号 在时域上的大量有用信息。因此，需要引入时频联 合分析的技术。通过时频联合分析技术，我们不但 能在同一幅图中同时得到信号的时域和频域信息， 而且可以使脉冲边缘更加清晰，方便更精确的测量 信号的脉冲周期和脉冲宽度。 １９ 朱兆彤等：基于ＬａｂＶ Ｉ Ｅｗ的海洋声学仪器信号识别方法 本系统采用短时傅里叶变换（ＳＴＦＴ）作为时频 分析的方法。ＳＴＦＴ的基本思想就是用一个随时间 平移的时问窗函数将原来分平稳的信号分为若干 平稳或近似平稳段，然后逐段确定其频谱。离散 ＳＴＦＴ的计算公式为： －竺＇ 一ｉ （ ， ）＝ ｘ（ｍ）ｃｏ（ｎ—ｍ）ｅ。Ⅳ （３） ｍ＝—∞ 虽然ＳＴＦＴ算法原理上比较简单，但在时间分 辨率和频率分辨率上有着难以取舍的矛盾。然而由 于此信号识别一般所要求的处理速度不高，可在离 线的方式下进行。如果在要求快速、实时处理的情 况下，可以采用ＦＦＴ算法加快ＳＴＦＴ变换的运算速 度，适合本系统要求实时处理信息并显示的需要。 ３基于ＬａｂＶＩＥＷ的系统实现 ３．１ ＬａｂＶｌＥｗ简介 ＬａｂＶＩＥＷ是美国ＮＩ公司出品的一款基于Ｇ语 言（Ｇｒａｐｈｉｃ Ｌａｎｇｕａｇｅ，图形化编程语言）的虚拟仪 器系统。结合ＮＩ公司出品的各种规格的采集卡可 以方便的实现各种功能的虚拟仪器，ＬａｂＶＩＥｗ内部 集成了大量适用于信号处理的函数，可以直接调 用。因此，采用ＬａｂｖＩＥｗ作为本系统的开发平台 是非常适宜和有效的。本系统采用ＬａｂＶＩＥＷ ８．２０ 版本进行编程。 ３．２系统整体构成及工作流程 该测试系统主要由７个部分组成：数据输入、 高通滤波、自相关滤波、数据变换运算、数据显示、 特征参数提取和判别仪器所属类型。同时，为了能 够更加全面的测试系统在低信噪比条件下的测试 能力，在数据输入后可以选择加入一定标准差的高 斯白噪声信号。 数据输入系统后，经过低通滤波，之后若信噪 比较高，可以直接输入到显示控件，观察其时域波 形。若信噪比较低，可选择让其通过白相关滤波器， 以提高信噪比。另外，本系统利用ＬａｂＶＩＥＷ中“属 性节点”功能，实现了波形图时间坐标的缩放和滑 动，便于使用者既能从整体上观察整个采集到的波 形，也能放大观察信号的细节信息。 本系统可以自动从输入的数据中获取数据的 采样率，最终给出信号的中心频率信息。与此同时， 将时域信号经行ＳＴＦＴ变换，得到信号的时频图， 见图３。图４为原信号时频变换后的包络。 ２０ 图３图２中接收到信号的时频图 图４原信号时频变换后的包络 横坐标：时间ｍｓ 从图４中我们可以看到，时频变换后得到的包 络图中，脉冲的边缘比时域图中明显清晰了很多， 这样，使用阈值判别的结果将更加可靠。需要特别 说明的是，在进行ＳＴＦＴ变换时，系统对信号进行了 归一化处理，这样，即使针对不同幅值的信号，也 不需要经常调整幅值标尺。设定波形峰值下降３ ｄＢ 作为阈值，得到有效脉冲个数、脉宽和脉冲周期数 据。之后，系统调用ＡＤＯ组件访问Ａｃｃｅｓｓ数据库。 与数据库中该型ＡＤＣＰ的标准参数进行比对。输入 本设计系统，得到结果见图５。 图５最终识别结果 可见，系统能准确的测量该信号的频率、脉宽和 脉冲周期，并正确的识别该仪器的类型，对其他几种 海洋仪器声信号的检测也得到很好的识别结果。 ４结论 在分析目前一些常见的海洋声学仪器的工作 原理的基础上，总结了这些仪器发射声信号的特 征，在ＬａｂＶＩＥＷ平台上搭建了常用海洋声学仪器 识别系统。 （下转第２９页） 陈洪等：基于ＦＰＧＡ￣快速沃尔什算法的设计研究与实现 位复数。相比较具有相近主频的ＤＳＰ芯片（１４４ ＭＨｚ 主频的ＴＭＳ３２０ＶＣ５５Ｏ９Ａ芯片）则需要２１片才能 达到该运算速度。因此，本设计还能有效的控制产 品成本，缩小产品尺寸。 图７第二次叠加随机扰动测试结果 ４结束语 图４第一次理论值测试结果 本文介绍了一种基于ＦＰＧＡ的ＦｗＴ算法的实 现方法。给出了设计原理、设计思路和具体实现方 法，完整的构造了一个ＦｗＴ运算器，并且还对其 进行了实际测试。从测试结果中可以发现，采用该 设计做ＦｗＴ算法，可以有效的提高运算速度，提 高系统性能。而且，相比较与主频相近、功耗相似 的ＤＳＰ芯片来说，采用该设计，还可以减少ＰＣＢ 尺寸、降低整板功耗、控制设计成本，在便携式数 字信号处理系统领域中有着广阔的发展空间。 图５第二次理论值测试结果 参考文献： ［１】潘松，黄继业．ＳＯＰＣ技术实用技术［Ｍ】．北京：清华大 学出版社，２００５：１－６，２３２—２３７ ［２］侯伯亨，顾新．ＶＨＤＬ硬件描述语言与数字逻辑电路设 计［Ｍ】．西安：西安电子科技大学出版社，２０００：１－１０， ２１８．２２７． ［３］Ｕｗｅ Ｍｅｙｅｒ－ｂａｅｓｅ．数字信号处理的ＦＰＧＡ实现［Ｍ］．北京 清华大学出版社，２００７：２８．７５，２０４．２１７． ［４］Ａｌｔｅｒａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＣｙｃｌｏｎｅｌＩＩ Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｇ］．２００８． 图６第一次叠加随机扰动测试结果 （上接第２０页） Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ａ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｐｒｉｍｅｒ［Ｍ］．Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９２１３１ ＵＳＡ：ＲＤ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．１９９６ 通过以上仿真和对实测信号的验证表明，本设 计系统可以有效的识别部分常用海洋声学仪器，具 有实现容易，抗噪声能力强、便于向硬件平台移植， 识别迅速、准确，图形用户界面友好，易于使用等 ［２］刘忠臣，周兴华，陈义兰．浅水多波束系统及其最新技 术发展［Ｊ］．海洋测绘，２００５，２５（６）：６７．７０． ［３］胡广书．数字信号处理导论［Ｍ】．北京：清华大学出版社， ２００５：２６．２９． 特点。然而，本系统也有着一定的不足，例如对于 某些工作频带较宽的海洋声学仪器识别效果不佳， 对于某些窄脉冲识别效果不理想，这些将是今后的 研究中将要努力解决的问题。 参考文献： ［１］Ｒ Ｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｒｏｆｉｌｅｒ ［４］岂兴明，周建兴，矫津毅．Ｌａｂｖｉｅｗ８．２中文版入门与典型实 例［Ｍ】．北京：人民邮电出版社，２００７． ［５］万建伟，王玲．信号处理仿真技术［Ｍ】．长沙：国防科技大 学出版社，２００８． ２９
