CN106992820B - 一种海洋仪器安全信标的水声信号设计和检测方法 - Google Patents

Abstract

一种海洋仪器安全信标的水声信号设计和检测方法，涉及水声信号设计和检测。采用两个双曲调频信号组合作为发射信号并且通过预估噪声有效值以达到自动门限检测从而减小虚警概率的方法，同时该方法可计算出拟监测的海洋仪器安全信标与接收端信标之间的相对速度，从而大致得知安全信标的方位。信号设计采用双曲调频信号具有尖锐的相关峰，且与水声信道噪声的相关性很小，能够在低信噪比下检测信号，且双曲调频信号具有多普勒不变性，可用于计算相对移动速度。利用计算接收信号归一化的相关峰值和有效值比值的方法能设定合理阈值并得到虚警概率，解决现有固定门限检测的虚警或漏检的问题。

Description

一种海洋仪器安全信标的水声信号设计和检测方法

技术领域

本发明涉及水声信号设计和检测，尤其是涉及一种海洋仪器安全信标的水声信号设计和检测方法。

背景技术

随着海洋资源开发和海洋科学研究近年的不断发展，在海洋环境中使用的仪器和设备也越加丰富和频繁，同时一些贵重仪器或设备在海洋环境中的意外丢失的几率也随之增加，而由于海洋环境的特殊性，仪器设备甚至作业人员落水后搜寻往往十分困难，因此，在贵重仪器或设备中往往需要加入水声信标等安全装置以便搜寻。([1]杨松,张琼，曲元鑫，曲加圣.水声信标在救助与打捞中的应用[J].中国应急救援,2015,(4):48-50.)

海洋仪器中水声信标是为海洋环境工作人员或重要海洋仪器落水后进行搜索与打捞提供判断依据和位置信息所设计，为救助与打捞节省人力与时间。传统水声信标等安全装置中的信号设计往往采用较为简单的CW(Continuous Wave)单频脉冲，通过能量和频率测量达到检测目的，如现有飞机上的黑匣子水声信标，即采用单频脉冲作为发射信号。但是，水声信道是极复杂的信道，因多途效应、频散效应、海水介质的不均匀性、边界不平整性等均会引起声信号在信道中的起伏和畸变，因此，水声信号设计需要考虑在不同复杂信道环境下均能检测到的宽容性。([2]李启虎.声纳信号宽容性检测指数的初步分析[J].应用声学,2013,32(3):217-223.)使用CW单频脉冲信号在水声信道传输中会存在严重畸变甚至被噪声淹没等问题，从而影响检测端的有效检出或造成虚警，即CW单频脉冲信号宽容性较差，容易与水声信道的极端复杂性失配，从而降低检测有效性。

本发明设计两个双曲调频(Hyperbolic Frequency Modulated，HFM)信号组合加保护间隔作为发射信号。与CW单频脉冲信号相比，HFM信号具有更好的相关性和多普勒不变性，因此在复杂多变的水下环境中拥有更好的检测能力，两个HFM信号的组合还能计算出多普勒频移。HFM信号的调频规律为双曲函数，设信号时长为T，幅值为A，起始频率为f₁，结束频率为f₂，则HFM信号可表达为：

其中斜率为：

HMF信号做匹配相关后可以产生尖锐的相关峰，而海洋噪声之间的相关性则很小，因此通过相关检测的方法可以简单、有效地检测出发射端信标中的发射信号。但由于水声信道的时、空、频变特性和海洋噪声的影响会造成相关峰值的起伏，传统划定固定门限的检测方法可能造成信号的漏检或虚警。本发明正是基于HMF信号的相关性和多普勒不变性，并对水声信道中噪声的进行有效值计算，使得门限可根据归一化的相关峰值和信号有效值的比值自动进行调整，从而减小了虚警概率。设r_i为通过水声信道后的接收信号，c_i为本地HFM信号，L为本地HFM数字信号的长度(1≤i≤L)，水声信道假设为带噪声的瑞利衰落信道，则有：

r_i＝ae^jθc_i+n_i

其中，a为经过水声信道后的幅度变化，服从瑞利分布，θ为相位误差，n_i为信道中叠加的高斯白噪声序列。设D_S为接收数字信号与本地上扫频双曲调频副本信号HFM₁做相关运算，得到的归一化相关峰值(相关峰值除以L)，则有：

其中R(0)为副本信号归一化的自相关峰值，同样可得到接收信号的有效值R_S为：

在水声信道中噪声与HFM信号的相关性很低，且噪声有效值较小(仿真结果表明信噪比在-20dB以上)的情况下，上述接收信号归一化的相关峰值与接收信号有效值的比值W可表达为：

可见当接收检测端接收到信号时，W值与HFM信号的相关峰值有关，是一个较大的值；而在仅有噪声的情况下，采用相同算法计算得到的噪声与本地信号的归一化相关峰值与噪声有效值之比K值则相对较小且比较稳定。根据以上公式，可根据K值的大小设定阈值来判定是否有信号，与传统简单幅度等门限判断方法相比较，该方法所获得的阈值较为稳定。

HFM信号除了具有较尖锐的相关峰，另一个优点是多普勒不变性。多普勒不变性表现为有多普勒的时频曲线与没有多普勒的时频曲线形状一致，即时频曲线只是时间上整体偏移，因而即使在发生多普勒频移时也具有较好的相关性。利用上扫频和下扫频2个双曲调频信号(HFM₁和HFM₂)接收后的相关峰偏移时间Δt可以计算出拟监测的海洋仪器安全信标端相对检测端的移动速度v为(其中c为水声信道中的平均声速)，从而大致得知安全信标的方位：

可见，利用双曲调频信号的相关特性和多普勒不变性，通过计算水声信道的多组噪声有效值得到先验的噪声估计，可以有效的检测信号并计算出相对移动速度([3]张学森,孔繁慧，冯海泓.用双曲线调频信号实现水声通信的频偏估计和同步[J].声学技术,2010,29(2):210-213)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋仪器安全信标的水声信号设计和检测方法。

本发明包括以下步骤：

1)安全信标中的水声信号发射端设计上扫频和下扫频2个双曲调频信号(HFM₁和HFM₂)并加入保护间隔，依照上扫频、保护间隔、下扫频的顺序组合在一起，生成组合信号，其中，HFM₁和HFM₂的信号时长均为T，信号保护间隔时长为T_p，保护间隔应根据水声信道的多途时延扩展而设定；

2)安全信标中的水声换能器将步骤1)生成的组合信号转换成声波在海洋水声信道中扩散传输；

3)信号接收检测端通过水听器或水听器阵列将水声信道中传播的声波接收，经前置放大、滤波和模/数转换电路后得到接收数字信号；

4)将步骤3)所得的接收数字信号与本地参考上扫频双曲调频信号HFM₁(信号长度为L)做滑动相关运算，将所得相关峰值除以参考上扫频双曲调频信号HFM₁的长度L，得到归一化的相关峰值D_S值，同时计算步骤3)所得的接收数字信号的有效值得到R_S；

5)将步骤4)所得的归一化的相关峰值D_S值与接收数字信号有效值R_S相除得到比值W；

6)在信号未到达时获取水声信道的噪声采样信号样本并计算与本地参考上扫频双曲调频信号HFM₁做相关后的归一化的相关峰值DN1值，同时计算噪声信号有效值R_N1，求D_N1和R_N1的比值K₁，获取Y个噪声采样并通过同样的算法得到K₂，K₃……K_Y；所述Y为噪声采样样本数量；

7)将步骤6)所得的K₂，K₃……K_Y值统计经验概率分布并计算均值作为信号检测的阈值Th；

8)将步骤5)所得的比值W与步骤7)所得的阈值Th比较，若W大于Th，则判断有检测出信号，并可根据步骤7)所得的经验概率分布得到虚警概率；

9)在步骤8)检测端检出信号的基础上，将步骤3)所得的接收数字信号分别与本地参考上扫频双曲调频信号HFM₁和本地参考下扫频双曲调频信号HFM₂做相关运算，得到两个相关峰的最大时刻T₁和T₂；

10)将步骤9)所得的T₁、T₂以及步骤1)中的信号保护间隔时长T_p和信号时长T计算得到相关峰时间偏差Δt＝T₂－T₁－T－T_p,进而计算安全信标与检测端的相对移动速度。

在步骤1)中，所述安全信标中的水声信号发射端设计上扫频和下扫频2个双曲调频信号的起止频率由所述水声换能器带宽确定。

在步骤6)中，Y值应取较大以保证较多样本使经验概率分布接近实际概率分布。

本发明采用两个双曲调频信号组合作为发射信号并且通过预估噪声有效值以达到自动门限检测从而减小虚警概率的方法，同时该方法可计算出拟监测的海洋仪器安全信标与接收端信标之间的相对速度，从而大致得知安全信标的方位。

与现有水声信标等安全装置中的信号设计与检测方法相比，本发明具有以下优点：

1)信号设计采用双曲调频信号具有尖锐的相关峰，且与水声信道噪声的相关性很小，能够在低信噪比下检测信号，且双曲调频信号具有多普勒不变性，可用于计算相对移动速度。

2)本发明是利用计算接收信号归一化的相关峰值和有效值比值的方法能设定合理阈值并得到虚警概率，解决了现有固定门限检测的虚警或漏检的问题，本质上是通过计算水声信道噪声的有效值实现动态的调整相关峰检测门限，解决了相关峰固定门限检测与水声信道环境失配所造成的虚警或漏检的问题。

3)本发明具有广泛的应用前景。包括在飞机黑匣子上的水声信标设计和检测、在所有贵重海洋仪器、水下潜器、潜水员等上均可采用本发明的水声信号设计和检测方法进行水声信标等安全装置的设计。

附图说明

图1为本发明实施例的原理示意图。

图2为设计信号的时频示意图。

图3为接收检测端的信号检测流程图。

图4为根据图3仿真计算10000组噪声副本的K_j(1≤j≤Y＝10000)，统计得到的经验概率分布直方图。

图5为在多个信噪比下，根据图3计算方法接收信号r_i和接收噪声n_i分别计算所得到的W和K值的仿真结果图。

图6为在检测有信号的条件下，接收信号与上下扫频两组双曲调频信号HFM₁和HFM₂相关波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例的原理示意图。首先，在海洋仪器上的水声信标的发射端发射可根据换能器带宽设计的如图2的上下扫频2个双曲调频信号(HFM₁，HFM₂)，并通过发射换能器转换成声波在海洋水声信道中扩散传输。在实际中信号设计时长要综合考量信噪比和功耗，选取合适的时长，如在仿真中采用上下扫频的信号长度均为50ms，保护间隔应该根据水声信道的多途时延扩展而设定。

在接收检测端通过水听器或水听器阵列将水声信道中传播的声信号接收经前置放大、滤波和模/数转换电路后得到接收数字信号r_i(1≤i≤L)，如图3所示将接收数字信号与本地上扫频双曲调频副本信号HFM₁做相关运算，得到的归一化的相关峰值D_S值，同时计算接收数字信号的有效值得到R_S，最后计算得到比值W，即有：

同时，如图3中需要对水声信道中的噪声特性有先验计算，采集Y个噪声信号，利用和接收信号相同的计算方法得到Y个K_j值，根据这Y个K_j值可以统计得出如图4所示的噪声K值的经验概率分布，Y的值越大，得到的经验概率分布统计越接近实际概率分布，实际中一般Y值不小于100，仿真中则采用10000个噪声样本。

由图5的仿真结果可以看出，在信噪比大于-20dB时,接收信号计算得到的比值W要比噪声副本计算的比值K大，具有显著的区分度，因此根据K值设定合适的固定阈值，即可作为判断检测信号有无的依据。在图3中采用将Y个K_j值的平均值作为阈值Th,其实根据图4可知选定阈值后即对应知道虚警概率，选取越高的阈值，虚警概率越低，但有漏检的可能。从图5可见，当信噪比大于-20dB时,可以选取Y个K_j值中的最大值K_max作为阈值，即Th＝K_max，可使得虚警概率为0。

如图6所示，双曲调频信号具有很好的相关峰，但因水声信道的复杂性可能造成峰值起伏，而接收数字信号分别与本地上扫频HFM₁和下扫频HFM₂信号做相关运算，得到两个相关峰的最大时刻T₁和T₂，即可算出相关峰的时间偏移量Δt＝T₂-T₁-T-T_p，其中T_p为信号保护间隔时长，将其代入图3中的公式即可求得设备安全装置与检测端的相对移动速度v，根据相对移动速度v可大致得知安全信标的方位。

本发明在以往水声信标等安全装置较为简单的信号设计和检测的基础上，提出采用上下2个扫频信号组合作为信号设计，其尖锐的相关峰和多普勒不变性有利于在低信噪比和发生多普勒频移情况下的信号检出，同时采用计算噪声信号归一化的相关峰值和有效值的比值K的方法能设定合理阈值并预估虚警概率，解决了现有依靠相关峰固定门限检测的虚警或漏检的问题。利用该检测方法，能大大降低检测时的虚警概率，同时计算得到的相对移动速度提供的大致方位信息也能为发现海洋仪器或设备提供线索和依据。

在图1中，设计的信号由安装在海洋仪器上的水声信标发射端发出，接收端通过算法检测信号并估计相对移动速度。

在图2中，设计的信号由HFM₁和HFM₂两个双曲调频信号组成，HFM₁和HFM₂的信号时长均为T(数字化得到的数字信号采样数为L)，起始频率为f₁，结束频率为f₂。

在图3中，计算方法主要有相关运算和有效值(RMS)计算，其中r_i为信号到来时的接收信号，c_i为本地双曲调频信号HFM₁的序列，n_i为信号未达时采集的噪声副本序列，1≤i≤L，L本地HFM₁信号序列的采样数，计算噪声的经验概率分布要求噪声采样副本越多越好，即Y值应取较大值(实际中Y≥100)；在检测出信号的基础上可计算相对移动速度v，其中Δt为两组相关峰值的时间偏移量，在图6中有进一步说明，c为水声信道中声速平均值。

在图4中，仿真中采用高斯白噪，采样噪声副本时长为50ms，本地选取调频信号HFM₁的幅值为1，f₁＝3KHz,f₂＝8KHz。

在图5中，表明信噪比在-20dB以上时，W和K值具有很好的区分度，可用K值设定门限区分出有效的W值，仿真条件同图4。

在图6中，两组相关峰对应的时间为T₁和T₂，图3中的时间偏移量Δt＝T₂-T₁-T-T_p，其中T_p为信号保护间隔时长。

Claims (3)

1.一种海洋仪器安全信标的水声信号设计和检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)安全信标中的水声信号发射端设计上扫频和下扫频2个双曲调频信号(HFM₁，HFM₂)并加入保护间隔后，依照上扫频、保护间隔、下扫频的顺序组合在一起，生成组合信号，其中，HFM₁和HFM₂的信号时长均为T，信号保护间隔时长为T_p，保护间隔应根据水声信道的多途时延扩展而设定；

2)安全信标中的水声换能器将步骤1)生成的组合信号转换成声波在海洋水声信道中扩散传输；

3)信号接收检测端通过水听器或水听器阵列将水声信道中传播的声波接收，经前置放大、滤波和模/数转换电路后得到接收数字信号；

4)将步骤3)所得的接收数字信号与本地参考上扫频双曲调频信号HFM₁做滑动相关运算，将所得相关峰值除以参考上扫频双曲调频信号HFM₁的长度L，得到归一化的相关峰值D_S值，同时计算步骤3)所得的接收数字信号的有效值得到R_S；

5)将步骤4)所得的归一化的相关峰值D_S值与接收数字信号有效值R_S相除得到比值W；

6)在信号未到达时获取水声信道的噪声采样信号样本并计算与本地参考上扫频双曲调频信号HFM₁做相关后的归一化的相关峰值D_N1值，同时计算噪声信号有效值R_N1，求D_N1和R_N1的比值K₁，获取Y个噪声采样并通过同样的算法得到K₂，K₃……K_Y；所述Y为噪声采样样本数量；

7)将步骤6)所得的K₂，K₃……K_Y值统计经验概率分布并计算均值作为信号检测的阈值Th；

8)将步骤5)所得的比值W与步骤7)所得的阈值Th比较，若W大于Th，则判断有检测出信号，并可根据步骤7)所得的经验概率分布得到虚警概率；

9)在步骤8)检测端检出信号的基础上，将步骤3)所得的接收数字信号分别与本地参考上扫频双曲调频信号HFM₁和本地参考下扫频双曲调频信号HFM₂做相关运算，得到两个相关峰的最大时刻T₁和T₂；

10)将步骤9)所得的T₁、T₂以及步骤1)中的信号保护间隔时长T_p和信号时长T计算得到相关峰时间偏差Δt＝T₂－T₁－T－T_p，进而计算安全信标与检测端的相对移动速度。

2.如权利要求1所述一种海洋仪器安全信标的水声信号设计和检测方法，其特征在于在步骤1)中，所述安全信标中的水声信号发射端设计上扫频和下扫频2个双曲调频信号的起止频率由所述水声换能器带宽确定。

3.如权利要求1所述一种海洋仪器安全信标的水声信号设计和检测方法，其特征在于在步骤6)中，Y值应取较大以保证较多样本使经验概率分布接近实际概率分布。