CN108337002A - 一种多通道声信号重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多通道声信号重构方法，步骤为：一、采用高低频信号采集模块采集高频信号和低频信号，将高频信号、低频信号送往数字可编程逻辑阵列模块；二、数字可编程逻辑阵列模块中的压缩感知模块将高频信号进行压缩输出稀疏表示信号；三、将多通道的稀疏表示信号和低频信号发送至处理器模块；四、处理器模块将稀疏表示信号和低频信号通过调制后发送至远程主机；五、远程主机将稀疏表示信号进行重构，并将重构后的高频信号与低频信号进行叠加得到完成的水声信号。在本地对高频水听器信号进行压缩稀疏表示，在远程主机中高频信号经重构后与低频信号进行信号叠加以实现对原始信号分析，在降低水声信号采集的数据传输量的同时不丢失低频信号。
Description
技术领域
本发明属于水声信号处理方法技术领域，具体涉及一种多通道声信号重构方法。
背景技术
海底地震是指位于海洋的地下岩石突然断裂而发生的急剧运动，海底地震的监测对于研究海底地震分布规律和发生机制具有重要意义，也是板块构造理论的重要基础，海底地震的级别也成为海啸监测的重要指标。
地下岩石突然断裂产生的能量会以弹性波动的形式向四周传播出去，地震波在传播中遇到弹性不同的介质分界面时，一部分能量反射回到原来的介质中，形成反射波；一部分能量透过界面继续向前传播形成透过波。因此，对海底地震的监测成为可能，由于海底地震产生弹性波的频率、功率和能量比较复杂，海底地震仪一般要求设计成非常宽的输入动态范围和最大可能的频率脉宽。为了得到充足的信息量以及需要满足奈奎斯特采样定理，需要采集的信号量也越来越大，在实际采样过程中解决这一问题的方案通常采用信号压缩技术，即使得在保证信息不丢失的情况下，用远低于奈奎斯特采样定理要求的速率对信号进行采样，同时又可以重构原信号。如申请号为CN201710593772.4的现有技术1公开了一种低能耗水声数据压缩与重构方法，采用小波字典矩阵将水声信号进行稀疏化表达，在构建完稀疏表示的框架下，采用AL0范数约束算法，求出该框架下的稀疏解；利用求稀疏解的结果和字典矩阵Ψ。最终可以将压缩的水声信号进行恢复。
但由于弹性波低频部分的强度衰减较慢，而高频部分的强度衰减较快，对于高频部分的信号监测要求仪器具有很高的频率脉宽，需要记录大量的数据，而现有的信号压缩技术的实施需要设备具有很高的运算能力，而且对于多通道信号的采集通常需要多个实现信号压缩技术的模块或者专用设备，导致硬件成本增加，也不能很好的实现多通道信号的压缩同步性。
发明内容
为了解决背景技术中的以上技术问题，本发明的目的在于提供一种多通道声信号重构方法，具备能够获取原始低频部分信号、便于高频信号压缩和重构的优点，提出的水声信号的获取和重构系统，能够大幅度降低硬件成本。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多通道声信号重构方法，所述的多通道声信号重构方法包括如下步骤：
步骤一、采用所述高低频信号采集模块分别采集高频信号和低频信号，将所述高频信号、低频信号送往数字可编程逻辑阵列模块；
步骤二、数字可编程逻辑阵列模块中的压缩感知模块将所述高频信号进行压缩输出稀疏表示信号；
步骤三、将多通道的所述稀疏表示信号和低频信号打包后发送至处理器模块；
步骤四、所述处理器模块将打包后的稀疏表示信号和低频信号通过调制后发送至远程主机；
步骤五、所述远程主机将稀疏表示信号进行重构，并将重构后的高频信号与低频信号进行叠加得到完成的水声信号。
所述的多通道声信号重构方法中采用一种多通道声信号重构系统，所述的多通道声信号重构系统包括数字可编程逻辑阵列模块、处理器模块，所述系统还包括多个低频水听器、多个高频水听器、与所述低频水听器配合的滤波器和AD转换模块、与所述高频水听器相配合的滤波器和AD转换模块；所述多个低频水听器、高频水听器分别依次与相对应的滤波器连接，所述滤波器与AD转换模块连接，所述AD转换模块与数字可编程逻辑阵列模块连接，所述数字可编程逻辑阵列模块与处理器连接。
所述一个低频水听器、与所述高频水听器相配合的滤波器和AD转换模块、一个高频水听器以及与所述低频水听器配合的滤波器和AD转换模块组成一路水声信号监测通道，所述系统具有多路水声信号监测通道；
所述多路水声信号监测通道连接至数字可编程逻辑阵列模块，其中所述数字可编程逻辑阵列模块包括多个压缩感知模块，高频水听器信号经过AD转换和滤波后与压缩感知模块连接，而低频水听器信号经过滤波和AD转换后暂存至数字可编程逻辑阵列模块，所述压缩感知模块输出高频数据压缩过的稀疏表示信号，所述稀疏表示信号和经过滤波和AD转换后的低频水听器信号组成水声监测数据包发送至处理器模块；
所述处理器模块还与水声调制模块连接，所述水声调制模块用于将所述水声监测数据包转换成水声信号后发送至远程主机；
所述远程主机运行信号重构算法，以实现压缩感知信号的重构实现，将重构后的高频水听器信号与所述低频水听器监测的信号进行叠加以还原完整的水声信号，并完成进一步的处理和分析。
优选的，所述高频水听器选用最高能达到5KHz的频率范围，而低频水听器选用频率范围能够达到4-20Hz的水听器即可；
优选的，所述滤波器可选用模拟滤波器，根据高低频水听器的频率范围选用合适的滤波器，以滤除低频海浪噪音以及高频机器运转振动噪声；
优选的，所述数字可编程逻辑阵列模块可选用FPGA实现，所述FPGA可根据高频水听器数目设置压缩感知模块，压缩感知模块中的压缩感知处理维设计一个与变换基不相关的M*N维测量矩阵对原始信号进行观测，得到M*1 维测量向量；所述远程主机中的信号重构算法具体包括产生一个傅里叶变换矩阵与测量矩阵相乘得到恢复矩阵，产生测量次数，然后采用最小二乘法求解变换系数，由变换系数设计出傅里叶重构信号；
优选的，所述FPGA模块还包括将所述稀疏表示信号和低频水听器信号进行打包的数据打包模块，所述数据打包模块连接多个压缩感知模块，负责将多通道的所述的水声监测数据包依次发送至处理器模块；
优选的，所述FPGA模块还包括FSK调制模块以配合处理器模块完成水声数据发射；
优选的，所述FPGA模块还可以实现数字滤波，在高频信号进行压缩感知之前将高频信号中的噪声滤除；
优选的，所述处理器模块采用ARM11或者STM32等嵌入式处理器模块实现。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）本发明的多通道声信号重构方法通过优化的信号重构方法，在本地对高频水听器信号进行压缩稀疏表示，在远程主机中高频信号经重构后与低频信号进行信号叠加以实现对原始信号分析，在降低水声信号采集的数据传输量的同时不丢失低频信号。
（2）本发明的多通道声信号重构方法在本地对高频水听器信号进行压缩稀疏表示，在远程主机中高频信号经重构后与低频信号进行信号叠加以实现对原始信号分析，在降低水声信号采集的数据传输量的同时也不丢失低频信号；
（3）本发明的多通道声信号重构方法采用数字可编程逻辑阵列实现多通道水听器信号采集，不仅节约硬件成本也能灵活的实现压缩感知算法，方便更新数据处理方式，便于系统改进；
（4）本发明的多通道声信号重构方法的数字可编程逻辑阵列还能配合处理器模块完成水声信号编码，减少处理器模块的数据处理量。
附图说明
图1为本发明的多通道声信号重构方法中采用的多通道声信号重构系统示意图；
图2为本发明的多通道声信号重构方法中的高低频信号采集模块框图；
图3为本发明的多通道声信号重构方法中的多通道声信号重构系统图；
图4为本发明的多通道声信号重构方法的框图。
在图1-3中：1-1高低频信号采集模块1、1-2高低频信号采集模块2、1-3高低频信号采集模块3、2数字可编程逻辑阵列模块、3处理器模块、4水声发射模块、5-1高频水听器、5-2低频水听器、6-1第一前置滤波器、6-2第二前置滤波器、7-1第一AD转换模块、7-2第二AD转换模块、2-1压缩感知模块1、2-2压缩感知模块2、2-3压缩感知模块3、2-4数据打包模块、2-5FSK调制模块、2-6数字滤波模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅附图1、4，一种多通道声信号重构方法，其包括如下步骤：
步骤一、采用所述高低频信号采集模块分别采集高频信号和低频信号，将所述高频信号、低频信号送往数字可编程逻辑阵列模块2；
步骤二、数字可编程逻辑阵列模块2中的压缩感知模块将所述高频信号进行压缩输出稀疏表示信号；
步骤三、将多通道的所述稀疏表示信号和低频信号打包后发送至处理器模块3；
步骤四、所述处理器模块3将打包后的稀疏表示信号和低频信号通过调制后发送至远程主机；
步骤五、所述远程主机将稀疏表示信号进行重构，并将重构后的高频信号与低频信号进行叠加得到完成的水声信号。
所述的多通道声信号重构方法采用一种多通道声信号重构系统，该多通道声信号重构系统包括数字可编程逻辑阵列模块2、处理器模块3、高低频信号采集模块1-1、高低频信号采集模块1-2、高低频信号采集模块1-3、水声发射模块4，参阅附图2，所述高低频信号采集模块包括一个高频水听器5-1、一个低频水听器5-2、与所述高频水听器5-1配合的第一前置滤波器6-1和第一AD转换模块7-1、与所述低频水听器5-2相配合的第二前置滤波器6-2和第二AD转换模块7-2；所述高频水听器5-1、第一前置滤波器6-1和第一AD转换模块7-1依次连接，第一AD转换模块7-1的输出为数字高频信号；低频水听器5-2、第二前置滤波器6-2和第二AD转换模块7-2依次连接，第二AD转换模块7-2的输出为数字低频信号；
所述数字可编程逻辑阵列模块2包括压缩感知模块1、压缩感知模块2、压缩感知模块3、数据打包模块2-4以及FSK调制模块2-5；其中所述压缩感知模块1、压缩感知模块2、压缩感知模块3分别采集高低频信号采集模块1-1、高低频信号采集模块1-2、高低频信号采集模块1-3获得的高频信号，将所述高频信号进行稀疏处理（即数据压缩）得到稀疏表示信号后送至数据打包模块2-4，而高低频信号采集模块1-1、高低频信号采集模块1-2、高低频信号采集模块1-3输出的低频信号直接与数据打包模块2-4连接，所述数据打包模块2-4负责将压缩感知模块2-1、压缩感知模块2-2、压缩感知模块2-3输出的稀疏表示信号分别与高低频信号采集模块1-1、高低频信号采集模块1-2、高低频信号采集模块1-3输出的低频信号进行打包，得到打包数据，然后将多个打包数据依次送往数据处理模块3进行处理；
所述处理器模块3在接收到所述打包数据后经过FSK调制模块将打包数据转换成调制信号，使用水声发射模块4进行发射。所述水声调制模块4用于将所述水声监测数据包转换成水声信号后发送至远程主机，所述远程主机运行信号重构算法，以实现压缩感知信号的重构实现，将重构后的高频水听器信号与所述低频水听器监测的信号进行融合以还原完整的水声信号，并完成进一步的处理和分析。
所述数字可编程逻辑阵列模块2可选用FPGA实现，所述FPGA中设置3个压缩感知模块，压缩感知模块中的压缩感知处理维设计一个与变换基不相关的M*N维测量矩阵对原始信号进行观测，得到M*1 维测量向量；所述远程主机中的信号重构算法包括产生一个傅里叶变换矩阵与测量矩阵相乘得到恢复矩阵，产生测量次数，然后采用最小二乘法求解变换系数，由变换系数设计出傅里叶重构信号。
实施例2
一种多通道声信号重构方法，其包括如下步骤：
步骤一、采用所述高低频信号采集模块分别采集高频信号和低频信号，将所述高频信号、低频信号送往数字可编程逻辑阵列模块2；
步骤二、数字可编程逻辑阵列模块2中的压缩感知模块将所述高频信号进行压缩输出稀疏表示信号；
步骤三、将多通道的所述稀疏表示信号和低频信号打包后发送至处理器模块3；
步骤四、所述处理器模块3将打包后的稀疏表示信号和低频信号通过调制后发送至远程主机；
步骤五、所述远程主机将稀疏表示信号进行重构，并将重构后的高频信号与低频信号进行叠加得到完成的水声信号。
所述的多通道声信号重构方法采用一种多通道声信号重构系统，该多通道声信号重构系统包括数字可编程逻辑阵列模块2、处理器模块3、高低频信号采集模块1-1、高低频信号采集模块1-2、高低频信号采集模块1-3、水声发射模块4，参阅附图2，所述高低频信号采集模块包括一个高频水听器5-1、一个低频水听器5-2、与所述高频水听器5-1配合的第一前置滤波器6-1和第一AD转换模块7-1、与所述低频水听器5-2相配合的第二前置滤波器6-2和第二AD转换模块7-2；所述高频水听器5-1、第一前置滤波器6-1和第一AD转换模块7-1依次连接，第一AD转换模块7-1的输出为数字高频信号；低频水听器5-2、第二前置滤波器6-2和第二AD转换模块7-2依次连接，第二AD转换模块7-2的输出为数字低频信号；
所述数字可编程逻辑阵列模块2包括压缩感知模块1、压缩感知模块2、压缩感知模块3、数据打包模块2-4以及FSK调制模块2-5；其中所述压缩感知模块1、压缩感知模块2、压缩感知模块3分别采集高低频信号采集模块1-1、高低频信号采集模块1-2、高低频信号采集模块1-3获得的高频信号，将所述高频信号进行稀疏处理（即数据压缩）得到稀疏表示信号后送至数据打包模块2-4，而高低频信号采集模块1-1、高低频信号采集模块1-2、高低频信号采集模块1-3输出的低频信号直接与数据打包模块2-4连接，所述数据打包模块2-4负责将压缩感知模块2-1、压缩感知模块2-2、压缩感知模块2-3输出的稀疏表示信号分别与高低频信号采集模块1-1、高低频信号采集模块1-2、高低频信号采集模块1-3输出的低频信号进行打包，得到打包数据，然后将多个打包数据依次送往数据处理模块3进行处理；
所述处理器模块3在接收到所述打包数据后经过FSK调制模块将打包数据转换成调制信号，使用水声发射模块4进行发射。所述水声调制模块4用于将所述水声监测数据包转换成水声信号后发送至远程主机，所述远程主机运行信号重构算法，以实现压缩感知信号的重构实现，将重构后的高频水听器信号与所述低频水听器监测的信号进行融合以还原完整的水声信号，并完成进一步的处理和分析。
所述数字可编程逻辑阵列模块2可选用FPGA实现，所述FPGA中设置3个压缩感知模块，压缩感知模块中的压缩感知处理维设计一个与变换基不相关的M*N维测量矩阵对原始信号进行观测，得到M*1 维测量向量；所述远程主机中的信号重构算法包括产生一个傅里叶变换矩阵与测量矩阵相乘得到恢复矩阵，产生测量次数，然后采用最小二乘法求解变换系数，由变换系数设计出傅里叶重构信号。
请参阅附图3，数字可编程逻辑阵列模块2中还包括实现高低频信号数字滤波的数字滤波模块2-6，数字滤波模块2-6也可以使用FPGA实现，所述数字滤波模块2-6包括滤除高频信号中的超高频噪声功能的带通滤波器和滤除低频信号中的高频噪声功能的低通滤波器，所述带通滤波器和低通滤波器优选FIR滤波器，在MATLAB下设计FIR滤波器，得到滤波器参数后采用分布式算法在FPGA中实现FIR数字滤波器。同样的，多个高频水听器对应多个数字滤波器，这样能够实现多通道信号的独立采集和同步处理。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种多通道声信号重构方法，其特征在于，所述的多通道声信号重构方法包括如下步骤：
步骤一、采用所述高低频信号采集模块分别采集高频信号和低频信号，将所述高频信号、低频信号送往数字可编程逻辑阵列模块；
步骤二、数字可编程逻辑阵列模块中的压缩感知模块将所述高频信号进行压缩输出稀疏表示信号；
步骤三、将多通道的所述稀疏表示信号和低频信号打包后发送至处理器模块；
步骤四、所述处理器模块将打包后的稀疏表示信号和低频信号通过调制后发送至远程主机；
步骤五、所述远程主机将稀疏表示信号进行重构，并将重构后的高频信号与低频信号进行叠加得到完成的水声信号。
2.根据权利要求1所述的一种多通道声信号重构方法，其特征在于：所述的多通道声信号重构方法中采用一种多通道声信号重构系统，所述的多通道声信号重构系统包括数字可编程逻辑阵列模块、处理器模块，其特征在于，所述系统还包括多个低频水听器、多个高频水听器、与所述低频水听器配合的滤波器和AD转换模块、与所述高频水听器相配合的滤波器和AD转换模块；
所述多个低频水听器、多个高频水听器分别依次与相对应的滤波器连接，所述滤波器与AD转换模块连接，所述AD转换模块与数字可编程逻辑阵列模块连接，所述数字可编程逻辑阵列模块与处理器连接；
所述一个低频水听器、与所述高频水听器相配合的滤波器和AD转换模块、一个高频水听器以及与所述低频水听器配合的滤波器和AD转换模块组成一路水声信号监测通道，所述系统具有多路水声信号监测通道；
所述多路水声信号监测通道连接至数字可编程逻辑阵列模块，其中所述数字可编程逻辑阵列模块包括多个压缩感知模块，高频水听器信号经过AD转换和滤波后与压缩感知模块连接，而低频水听器信号经过滤波和AD转换后暂存至数字可编程逻辑阵列模块，所述压缩感知模块输出高频数据压缩过的稀疏表示信号，所述稀疏表示信号和经过滤波和AD转换后的低频水听器信号组成水声监测数据包发送至处理器模块。
3.根据权利要求2所述的一种多通道声信号重构方法，其特征在于：所述处理器模块还与水声调制模块连接，所述水声调制模块用于将所述水声监测数据包转换成水声信号后发送至远程主机。
4.根据权利要求2或3所述的一种多通道声信号重构方法，其特征在于：所述远程主机运行信号重构算法，以实现压缩感知信号的重构实现，将重构后的高频水听器信号与所述低频水听器监测的信号进行融合以还原完整的水声信号，并完成进一步的处理和分析。
5.根据权利要求2-4任一项所述的一种多通道声信号重构方法，其特征在于：所述FPGA还包括FSK调制模块以配合处理器模块完成水声数据发射。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180727 |