CN111089645B - 一种低功耗单频水声信号检测和识别方法 - Google Patents

一种低功耗单频水声信号检测和识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低功耗单频水声信号检测和识别方法，该方法直接将调理后的单频水声信号输入至超低功耗MCU，通过较低运算量的数字算法实现对单频水声信号的检测和识别，消除模拟检波电路对单频水声信号检测所需能量，同时该方法通过数字算法实现单频水声信号的识别，抗干扰能力强于模拟检波电路；该方法无需硬件修改即可用于其他频率的单频水声信号检测，同时，该方法实现所需功耗明显低于传统模拟检波电路，具备长期水下工作能力。本发明体积小、重力轻、便于实现，在水下通讯、定位等场景中具有较大应用价值。

Description

一种低功耗单频水声信号检测和识别方法
技术领域
本发明属于水声测量技术领域，具体涉及一种低功耗单频水声信号检测和识别方法。
背景技术
单频水声信号常被用于超低功耗值班电路的唤醒信号，这些类型的电路系统长时间工作于水下，由电池为其供电，在工作期间没有外部电量输入，长期(多年)工作的需求使得信号采集和处理电路的功耗是其中一个重要的技术指标。
在现有技术中，对单频水声信号的检测和识别采用模拟检波电路实现，如说明书附图3所示。通过电阻电容及模拟芯片实现检波电路、噪声门限电路、比较器电路、脉宽检测电路实现对滤波调理后的单频信号进行检波，检测结果在发送至控制器、处理器进一步处理。
采用该种方式的模拟检波电路功耗在数十毫瓦以上，对于长期(多年)工作于水下、难于补充电量的海洋装备等设备而言，该功耗不可忽略，同时该模拟检波电路只针对某种频率的单频水声信号。因此，如采用该种方式需要增大电池容量，不仅增加系统的体积和总量，而且于模拟电路易受外界干扰而降低了系统的稳定性。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供了一种低功耗单频水声信号检测和识别方法。
具体采用了以下设计结构及设计方案：
一种低功耗单频水声信号检测和识别方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤S1：微处理器初始化程序，设置检测门限值D1；
步骤S2：设置控制采样率为信号中心频率的四倍，连续采样获取32点数据x(k)(k＝0，1，2，3...31)，计算式平均值为
Figure GDA0003396837230000021
步骤S3：取四个中间值A0、A1、A2、A3，其中计算频率估计门限Amp，
Amp＝[(A0-A2)2+(A1-A3)2]/16
步骤S4：保存前一次计算的D0值和本次最新计算的D0值，并且将D1更新为前一次计算D0值的3倍；
步骤S5：以相邻x(k)(k＝0，2，3...31)连续计算得到检测信号的幅值A的平方A2＝x2(k)+x2(k-1)；
步骤S6：设定包络门限设定值D1，进行包络检测作为信号有效的鉴别依据，
Figure GDA0003396837230000022
Amp≥D1
通过连续过门限的点数与采样周期的乘积超过单频信号的脉宽时判别本次检测有效，否则继续检测。
优选的，所述微处理器初始化程序包括变量初始赋值、时钟配置、中断设置、各端口配置、AD初始化配置和启动。
优选的，所述检测门限值D1为微处理器自身ADC输入最大幅值的一半。
优选的，所述四个中间值A0、A1、A2、A3的计算式为，
A0＝x(0)+x(4)+x(8)+x(12)+x(16)+x(20)+x(24)+x(28)
A1＝x(1)+x(5)+x(9)+x(13)+x(17)+x(21)+x(25)+x(29)
A2＝x(2)+x(6)+x(10)+x(14)+x(18)+x(22)+x(26)+x(30)
A3＝x(3)+x(7)+x(11)+x(15)+x(19)+x(23)+x(27)+x(31)；
优选的，所述x(k)和x(k-1)分别为，
Figure GDA0003396837230000023
Figure GDA0003396837230000031
其中A为信号幅度，
Figure GDA0003396837230000032
为信号在k时刻的相位；
优选的，该方法所需电路包括ER34615锂亚硫酰氯电池组(1)、水听器(2)、前放电路(3)、信号调理电路(4)、、JTAG编程接口(6)，其中ER34615锂亚硫酰氯电池组(1)同时与前放电路(3)、信号调理电路(4)、微控制器(5)相连接；水听器(2)与前放电路(3)相连接；前放电路(3)与信号调理电路(4)相连接；信号调理电路(4)与微控制器(5)相连接；微控制器(5)与JTAG编程接口(6)相连接。
优选的，所述ER34615锂亚硫酰氯电池组(1)为该方法实现所需电路提供3.3V直流电源；水听器(2)完成水下远程传输的微弱水声信号获取并传输至前放电路(3)，前放电路(3)将水听器(2)输出信号进行放大并传输至信号调理电路(4)，信号调理电路(4)对放大信号进行带通滤波处理并传输至微控制器(5)，微控制器(5)对滤波后的信号进行采集与数字化，JTAG编程接口(6)完成微控制器(5)程序下载。
本发明的工作原理如下：
ER34615锂亚硫酰氯电池组为电路提供3.3V直流电源；水听器将远程传输的微弱水声信号转换为毫伏级电压信号后传输至前放电路；前放电路将输入信号进行预处理，转换为单端信号并放大35dB后传输至信号调理电路；信号调理电路对前放输出信号号进行带通滤波处理后输至微控制器AD采集端口；微控制器AD端口完成输入信号采集并数字化、连续采集32点并存储。
续采集的32点数据在微控制器完成进一步信号处理，完成频率估计门限计算公式和包络计算进行计算和包络检测，通过连续过门限的点数与采样周期的乘积超过单频信号的脉宽时判别本次检测有效，否则继续检测。
本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：本发明提供了一种低功耗、低运算量的单频水声信号检测和识别方法，无需模拟检波电路，直接将调理和的单频水声信号输入至超低功耗MCU，通过数字算法实现单频水声信号的检测和识别，抗干扰能力强于模拟检波电路，该单频水声信号检测算法运算量较低，特别适合运算能力较弱的低功耗MCU实现该方法，极大降低了系统对功耗的要求。
附图说明
图1为本发明的工作流程图；
图2为本发明所需电路原理图；
图3为现有技术的电路原理图
附图标号：1—ER34615锂亚硫酰氯电池组；2—水听器；3—前放电路；4—信号调理电路；5—微控制器；6—JTAG编程接口。
具体实施方式
下面结合附图以及具体的实施例对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明。
实施例：
如说明书附图1-2所示，一种低功耗单频水声信号检测和识别方法，首先由水听器2获取水声信号，并将水声信号传输至前方电路3，水声信号在前方电路3进行35dB放大后传输至信号调理电路4，信号调理电路4对放大后的水声信号进行通滤波处理并传输至微控制器5，在微控制器5进行采集与数字化，具体的步骤如下：
S1：微处理器初始化程序，初始化程序包括变量初始赋值、时钟配置、中断设置、各端口配置、AD初始化配置和启动，其中变量初始赋值将检测门限值D1赋值为微处理器片上AD量程的0.5倍；时钟配置完成微控制器运行配置为24.5Mhz，运行在低功耗模式；中断设置完成定时器中断使能允许、AD中断使能允许，然后设置检测门限值D1，D1为微处理器自身ADC输入最大幅值的一半。
S2：AD初始化配置将AD采样率设置为单频水声信号心频率的四倍，连续采样获取32点数据x(k)(k＝0，1，2，3…31)，计算式平均值为
Figure GDA0003396837230000051
S3：取四个中间值A0、A1、A2、A3，计算频率估计门限Amp，其中
A0＝x(0)+x(4)+x(8)+x(12)+x(16)+x(20)+x(24)+x(28)
A1＝x(1)+x(5)+x(9)+x(13)+x(17)+x(21)+x(25)+x(29)
A2＝x(2)+x(6)+x(10)+x(14)+x(18)+x(22)+x(26)+x(30)
A3＝x(3)+x(7)+x(11)+x(15)+x(19)+x(23)+x(27)+x(31)
Amp＝[(A0-A2)2+(A1-A3)2]/16
S4：保存前一次计算的D0值和本次最新计算的D0值，并且将D1更新为前一次计算D0值的3倍；
S5：以相邻x(k)(k＝0，2，3…31)连续计算得到检测信号的幅值A的平方，
Figure GDA0003396837230000061
Figure GDA0003396837230000062
A2＝x2(k)+x2(k-1)；
其中A为信号幅度，
Figure GDA0003396837230000063
为信号在k时刻的相位；
S6：设定包络门限设定值D1，进行包络检测作为信号有效的鉴别依据，
Figure GDA0003396837230000064
Amp≥D1
通过连续过门限的点数与采样周期的乘积超过单频信号的脉宽时判别本次检测有效，否则继续检测。
该方法对单频水声信号检测和识别时，频率估计门限计算公式单次计算所需运算为2次乘法运算，31次加法运算，2次移位运算；对比现有的采用频谱分析方法，快速傅里叶变换(FFT)所需运算量为30次乘法、80次加法运算。因此本专利所提出方法具有较低运算量，消耗能耗较低。
10)通过试验测试，采用该方法进行100次单频水声信号检测和识别，识别次数大于98次，识别效率优于98％。
本发明的保护范围不仅仅局限于上述实施例，上述实施例只是为了帮助解释和说明本发明，而不是对本发明的保护范围进行限制，只要设计与本发明的设计相同或者是只要是等同替换的都落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种低功耗单频水声信号检测和识别方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤S1：微处理器初始化程序，设置检测门限值D1；
步骤S2：设置控制采样率为信号中心频率的四倍，连续采样获取32点数据x(k),k＝0，1，2，3…31，计算式平均值为
Figure FDA0003412388360000011
步骤S3：取四个中间值A0、A1、A2、A3，其中计算频率估计门限Amp，
Amp＝[(A0-A2)2+(A1-A3)2]/16；
步骤S4：保存前一次计算的D0值和本次最新计算的D0值，并且将D1更新为前一次计算D0值的3倍；
步骤S5：以相邻x(k)，k＝0，1，2，3…31，连续计算得到检测信号的幅值A的平方A2＝x2(k)+x2(k-1)；
步骤S6：设定包络门限设定值D1，进行包络检测作为信号有效的鉴别依据，
Figure FDA0003412388360000012
Amp≥D1
通过连续过门限的点数与采样周期的乘积超过单频信号的脉宽时判别本次检测有效，否则继续检测；
所述检测门限值D1为微处理器自身ADC输入最大幅值的一半；
所述x(k)和x(k-1)分别为，
Figure FDA0003412388360000013
Figure FDA0003412388360000014
其中A为信号幅度，
Figure FDA0003412388360000015
为信号在k时刻的相位。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗单频水声信号检测和识别方法，其特征在于：所述微处理器初始化程序包括变量初始赋值、时钟配置、中断设置、各端口配置、AD初始化配置和启动。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗单频水声信号检测和识别方法，其特征在于：所述四个中间值A0、A1、A2、A3的计算式为，
A0＝x(0)+x(4)+x(8)+x(12)+x(16)+x(20)+x(24)+x(28)
A1＝x(1)+x(5)+x(9)+x(13)+x(17)+x(21)+x(25)+x(29)
A2＝x(2)+x(6)+x(10)+x(14)+x(18)+x(22)+x(26)+x(30)
A3＝x(3)+x(7)+x(11)+x(15)+x(19)+x(23)+x(27)+x(31)。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗单频水声信号检测和识别方法，其特征在于：该方法所需电路包括ER34615锂亚硫酰氯电池组(1)、水听器(2)、前放电路(3)、信号调理电路(4)、微控制器(5)、JTAG编程接口(6)，其中ER34615锂亚硫酰氯电池组(1)同时与前放电路(3)、信号调理电路(4)、微控制器(5)相连接；水听器(2)与前放电路(3)相连接；前放电路(3)与信号调理电路(4)相连接；信号调理电路(4)与微控制器(5)相连接；微控制器(5)与JTAG编程接口(6)相连接。
5.根据权利要求4所述的一种低功耗单频水声信号检测和识别方法，其特征在于：所述ER34615锂亚硫酰氯电池组(1)为该方法实现所需电路提供3.3V直流电源；水听器(2)完成水下远程传输的微弱水声信号获取并传输至前放电路(3)，前放电路(3)将水听器(2)输出信号进行放大并传输至信号调理电路(4)，信号调理电路(4)对放大信号进行带通滤波处理并传输至微控制器(5)，微控制器(5)对滤波后的信号进行采集与数字化，JTAG编程接口(6)完成微控制器(5)程序下载。
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