（水声工程专业论文）多通道水声信号数据预处理的虚拟仪器技术.pdf

a b s t r a c t m u l t i c h a n n e iu n d e r w a t e ra c o u s t i cs i g n a lp r e p r o c e s s i n g i st h ee s s e n t i a lp a r to f t h es o r n as i g n a lp r o c e s s i n g ，e s p e c i a l l y i nal o ws n r i nt h e r e s e a r c h o f m u l t i r e s o l u t i o nd i r e c t i o n f i n d i n gw i t hv e c t o rt r a n s d u c e r s ，t w oe x p e r i m e n t a t i o n s w e r ed o n ei ne x a m i n i n gt h ed i r e c t i o n a l i t ya n ds p a c er e l a t i v i t y w ep r o p o s e am e t h o d i n p r o c e s s i n g m u l t i c h a n n e l d a t aw i t hs o f t w a r e u s i n g v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n t e c h n o l o g y i nt h ef i r s t p a r t o ft h et h e s i s ，w ed i s c u s st h ep o o le x p e r i m e n t a t i o n sa f t e ra n i n t r o d u c t i o nt ov e c t o rt r a n s d u c e r s d u r i n gt h e s ee x p e r i m e n t n i o n s ，w es u m m a r i z e d s o m ek e yp o i n t si ni m p r o v i n gt h ec a p a b i l i t yo f o u rd a q e q u i p m e n t s i na n o t h e rp a r t ， ar e t r o s p e c t i o no f w a v e l e tm e t h o dw a sg i v e na n da l s os o m es i m u l a t i o n sw i t hd a t aw e g o tf r o m t h e s et e s t sw e r ed o n e t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i ss t u d yl i e si nt h et h i r dp a r tw h i c hg i v e saw h o l e l o o k a tt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f am u l t i c h a n n e l p r e p r o c e s s i n gs y s t e m f o r u n d e r w a t e ra c o u s t i cs i g n a l s ，t h ek e yt e c h n i q u e sw e r eg i v e n i nd e t a i l s k e yw o r d s ：m u l t i - c h a n n e l s i g n a lp r e p r o c e s s i n g ，u n d e r w a t e r a c o u s t i c ，v e c t o r t r a n s d u c e r s i n t e r a c t i v e ，v i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o nt e c h n o l o g y , w a v e l e t ，v i s u a lc 十十， s o f e , v a r ee n g i n e e r i n g u 1 1 论文题目的来源 第一章绪论 本文结合高分辨技术的矢量水听器方位估计研究，在二维压差式矢量水昕 器水池实验的基础上，利用子波方法对水声信号降噪处理进行了仿真，完成了多 通道信号可视化交互式预处理软件的设计与开发，对开发中的若干关键性技术进 行了详细的介绍。 1 2 研究的目的和意义 随着数字化设备，特别是数字计算机的大量使用，越来越多的用户希望通 过可视化的操作，将设备中大量的数据变成有用的信息。该研究的目的是在 w i n d o w s 3 2 位操作系统平台上实现多通道水声信号的可视化交互式的数据预处 理，方便地提取需要的信息。可视化技术与人机交互技术是该研究的重点，也是 该系统优于传统数据预处理设备的地方。 下面将实现数据预处理的软件方法和硬件方法进行比较： 1 ) 软件的方法进行数据的预处理受实验条件和现场环境的影响较小，可以方便 地实现数据的离线处理。 2 ) 软件的方法一般都较硬件的方法节省投资和使用场地。 3 ) 软件方法实现的系统在开放性和灵活性上优于硬件实现，修改与维护易于实 施。 4 ) 软件方法实现的系统在与网络或其它外围设备互连时容易进行操作。 1 3 研究的背景 本文的研究背景是矢量水听器的应用研究。对水声信号处理技术的研究是 进行声纳设备研究与开发的重要环节。信号处理技术的应用是提高声纳信号检测 能力的关键。进行数字信号处理的前提是对被研究信号的离散化，因此数字式数 据采集设备在离散信号的获取中起到十分关键的作用。人们希望对采集的过程有 里些三些苎童堡圭童皇垒圣丝三童丝垒 更多的监视与控制，进而对采集的数据进行初步的分析和处理，这样虚拟仪器技 术就应运而生。它是传统的测量仪器与数字计算机的结合，通过计算机接口技术 将原来需要用仅表指针显示的测量数据用显示器中的图形来实现。同时它还大大 扩展了传统仪器的概念，不仅仪器的操控和测量结果的显示是借助计算机显示器 以虚拟面板的形式来实现的，而且数据的传输、分析、处理、存储都是由计算机 软件来完成。 数据采集技术、虚拟仪器技术和数据分析处理技术的发展为信号的采集、 检测、测量和预处理提供了有利的条件，开展信号预处理软件的研究是虚拟仪器 技术发展的重要环节。人们已经从原始的模拟设备的使用中解放出来。采用通用 计算机作为理论研究或工程应用的核心信息信号处理部件已为众多的科学和工 程人员接受并取得了十分满意的效果。 对矢量水听器的应用研究是在水下目标声隐身技术不断提高和对水下目标 检测距离要求不断增加的前提下提出的。由于该类水听器具有体积小、易于布放 及高性能价格比等诸多的特点，除了在军事上进行水下目标的检测外，目前在民 用水下探测设备的研制中也有很好的应用前景。 声信号处理算法的研究和开发一般经历从数学模型到机器语言的多个过 程，其间一般还要经历诸如图形化信号处理语言( 如k h o r o s ，p g m ) 、文字的信 号处理语言( 如m t a l a b ) 、高级语言( 如c ，c + + ) 这些过程。由于通用处理器运 算速度的不断提升，高级语言开发的信号处理软件在许多场合已可以提供像专业 d s p 芯片一样的性能。另外，高级语言的可移植性好、开发周期相对较短，因此 在信号处理软件的开发中越来越多地被应用。 在实验中我们将得到大量的原始数据，如何对这些数据进行筛选把他们变 成有用的信息并保存起来是进行后续研究的前提。这一工作是由数据预处理环节 完成的。数据预处理的基本要求是不破坏原始数据中的有用信息。真实可靠地反 映测量的结果。我们知道，声纳系统接收的信号一般都有多个通道，同时这些通 道问信号的相位也是我们需要的信息。因此，对多通道信号的数据预处理成为本 文研究的重点。 前面已经提到，虚拟仪器技术是以通用计算机为控制器，由软件来实现人 机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统。软件是该系统的核心在选定 2 重i ! 三些垄童塑圭耋堡垒塞堑三童丝垒 系统控制用计算机以及一些标准化的仪器硬件模块或板卡后，软件部分就成为构 建和使用虚拟仪器的关键所在。 1 4 研究领域发展与应用概况 早在2 0 世纪7 0 年代人们已经开始采用直接测量声场能量的方法，同时利用 声压和振速来测量声场中的声强。由于只测量声压的标量方法无法满足对多个噪 声源检测的需要，利用上述声强测量法得到了充分的重视。以前一直困扰该方法 进行的主要原因是振速测量的复杂性，这使得其应用受到了很大的限制。 最早尝试测量振速是在2 0 世纪3 0 年代由德国军方展开的，而第一台振速接 收装置是1 9 4 2 年在美国海军水声测量实验室研制成功的。前苏联在该方法上的 研究也较早，上世纪5 0 年代在莫斯科大学就已经开展了强度矢量测量技术及理 论的研究。到1 9 7 5 年前苏联已经研制了用于强度测量的仪器、总结了测量方法 和测量的基础理论。除了这两国之外，英国、法国和h 本也在该方法的研究中有 了一些成果。该方法也逐渐被应用到了潜艇噪声测量、鱼雷、和水下目标探测系 统中。例如由美国海军研制的d i f a r 系统，就是结合振速水听器和无线电声纳浮 标研制而成的。 近年来，对于矢量水听器的理论研究非常活跃，d s p a i n 等人在文献 3 0 中将矢量水听器用线性约束最小方差( l c m vl i n e a r l yc o n s t r a i n e d m i n i m u m - v a r i a n c e ) 方法进行波束方向预估计。s h c h u r o v 在文献 3 2 中并没有 用矢量水听器来作声源定位的研究，而是用类似的阵列结构测量环境噪声。 n e h o r a i l 和p a l d i 在文献 3 1 中首先将矢量水听器的测量模型引入到信号处理 领域中来。他们提出了一个描述估计性能的量( 均方角度误差m s a e ) ，并且推导 得到了相应的表达式和针对矢量水听器的m s a e 的方差下界。h o c h w a l d 和n e h o r a i 探讨了关于矢量水听器的进行角度估计的分辨率问题。h a w k e s 和n e h o r a i 将谱 估计中的c a p o n 方法移植到矢量水听器构成的阵列中，另外，h a w k e s 和n e h o r a i 分析了以矢量水听器作为阵元的阵列几何结构的设计。w o n g 和c h i 分析了矢量 水听器的波束方向性。h a w k e s 和n e h o r a i 研究了矢量水听器安置于硬表面和弹 性表面的不同特性和性能等等。 在国内，有哈尔滨工程大学的洪连进关于矢量水听器的设计问题的讨论， 里些三些垄茎塑圭耋垒垒叁堑= 塞堡垒 探讨了有关矢量水听器的工作原理。孙贵青提出了复声强的概念，并将其应用于 矢量水听器中。 声纳从它的面世到现在有了很大的发展和变化。特别是近二十多年更是如 此。声纳的变化和水声信号处理的发展是一致的，或者说水声信号处理每出现一 个新技术都导致声纳的一次大变化。矢量水听器技术的研究也已经有几十年的历 史，其制作工艺有了很大的提高。我国在该类水听器的研制和应用上也有了不少 的成果。为了充分发挥矢量水听器的优势，即接收信息量比声压式水听器大的特 点，对由它接收的信号的预处理技术就显得格外重要。如何有效的将接收到的各 类信息妥善地加工，然后送去进一步的分析是发挥这一优势的一项关键技术。 所谓虚拟仪器技术就是以通用计算机为控制器，由软件来实现人机交互和 大部分仪器功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器技术是计算机技术与仪器技术 发展的产物。它来源于人们对自动测试技术的不断提升。早在2 0 世纪5 0 年代， 美国军方为解决军用电子设备维护中遇到的问题开展了s e t e 计划。到了2 0 世纪 6 0 年代，电子计算机开始用于测试领域，当对由于标准化、通用化的仪器产品 还未出现，研究的重点放在了设备间的硬件接口设计上。后来，随着一些接口标 准的出现，如g p i b 总线系统和c a ! c l a c 总线系统，人们已不用花太多精力在接口 的设计上了。然而，这些仪器的功能是由生产者决定的用户对仪器的使用是被 动式的。 2 0 世纪8 0 年代中期，随着通用计算机信息处理能力的大大提高，以计算机 作为硬件支撑来实现传统仪器的功能成为可能，虚拟仪器的概念最早被n i 公司 提了出来。该公司在虚拟仪器的研究和生产方面一直处于领先地位，在制定虚拟 仪器的总线标准和虚拟仪器软件开发方面有许多成功的经验。例如，1 9 9 7 年n i 公司公布的p x i 总线标准成功地将p e 机中的p c i 总线技术与w i n d o w s 操作系统 以及c o m p a c t p c i 规范定义的机械标准巧妙地结合在一起，形成了一种性能价格 比极高的虚拟仪器系统。如何在这些平台上优化虚拟仪器软件的性能成为我们研 究的又一重点。 1 5 本文的组织结构 本文共分五章，第一章绪论，介绍本文的研究背景、研究的目的和意义、 4 研究领域发展概况和本文的研究内容。第二章矢量水听器及实验，介绍矢量水听 器的基本理论、实验方法和数据处理。第三章基于子波方法的水下噪声分析，介 绍了子波分析的基本理论并进行了仿真。第四章是本文的重点，讲述了多通道水 声信号数据预处理软件的设计与开发方法，对其中的些关键技术进行了详细的 介绍。第五章是全文的总结及研究展望。最后是本文的参考文献和致谢。 1 6 本文的主要工作及内容安排 本文结合高分辨技术矢量水听器方位估计研究，在二维压差式矢量水听器水 池实验的基础上，利用子波算法对水声信号降噪处理进行了仿真，完成了多通道 水声信号数据预处理软件的设计与开发，对开发中的若干关键性技术进行了详细 的介绍。 本文的工作分为理论分析、实验测试和软件实现三个部分。研究的重点是基 于多通道水声信号的可视化交互式数据预处理软件的实现方法。对数据预处理中 遇到的一些关键性问题进行了研究和总结。这些方法不仅对今后矢量水昕器的水 池及外场实验的数据处理达到可视化交互式的方便目的，从而提高效率、节省时 问和经费；而且对其它水声设备的实验有借鉴作用。 第二章矢量水听器及实验 在消声水池进行的水声测量实验是本课题研究的重要组成部分，它将为进行 湖上实验和海上实验积累必要的数据和测量经验。数据的采集采用基于p c 构架 的数据采集卡，由软件控制采集的进行。本章在对矢量水听器的结构给出仔细分 析后，总结了进行矢量水听器开发时的注意事项和矢量水听器实验的具体步骤。 2 1 引言 水听器和水听器阵是声呐和水声设备的检测单元。自1 9 1 8 年法国物理学家 郎之万研制了第一个压电石英水听器以来，水声传感器大多是声压接收器。很长 一段时间内，声压水听器几乎是水声接收传感器的代名词，在此基础上的声呐系 统仅处理声场的声压信息。由于声压是标量信息，单个声压水听器是无指向性的， 所以只有通过将多个声压水听器组合成声基阵，才能接收声信号的方位特性。 由于矢量水昕器结构上的特点，它可以同时检测到声压和质点的振速信息， 这对目标的检测是十分有利的。另外由于矢量水听器特殊的结构，使得它对一些 各项同性的噪声干扰有本身的抑止作用，这对后续的信号处理也是十分有用的。 本章通过矢量水听器与传统声压水听器的比较，分析了矢量水听器的接收特性。 在结合课题中用到的压差式矢量水听器的基础上，给出了多通道信号检测和数据 预处理系统的结构模型和软件设计方案。 2 2 矢量水听器 2 2 1 矢量水听器简介 矢量水听器是质点振速水昕器和声压水听器的复合体。声压水昕器测量空间 声压，质点振速水听器测量声场中的质点振动速度。两个或者三个在空间上处于 互相垂直轴线上的速度传感器构成了质点振速水听器。所有这些水听器可以共 点、同步接收水下信号的矢量场信息。每一个速度水听器测量水下声速度矢量场 ( 质点振速) 的一个笛卡尔坐标分量。一个四元矢量水听器可以测量得到有三个 笛卡尔坐标组成的声速矢量场，加上声压标量信息，构成水下完整的信息。质点 振速水听器是矢量水听器的核心和基础，根据所采用的质点振速水昕器的结构， 矢量水听器可分为同振型和不动外壳型：按照换能器原理可以分为压电式、电动 式、电磁式、磁致伸缩式和光纤式；按照维数可分为一维、二维、三维矢量水听 器；按照物理量可以分为质点振速式、质点振动加速度式和质点位移式等等。 2 2 2 数学模型 描述水下声矢量场一般需要五个物理量，除了声压p ( r ，t ) 之外，还有质点振速 v ( r ，f ) 的三个正交分量 v 。r ，t ) v ，r ，t ) v 。r ，t ) j 和介质密度p ( r ，t ) 。他们分别表示 理想流体介质的质量守恒、动量守恒和状态方程m ，。 a p _ ( r , t ) + v _ p ( r ，f ) v ( r ，f ) 】：0 优 p ( 州) 掣! + v p ( ) ：o 讲 咖( ，t ) = c 2 d p ( r ，t ) ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 其中，( 2 一1 ) 为质量守恒方程，也叫连续性方程；式( 2 2 ) 为动量守恒方程， 也称运动方程或e u l e r 方程；式( 2 3 ) 为状态方程。 若信号包括多个不相关、单频成分，各信号间频率可分辨，则信号通过个 各向同性的介质入射到一个由( 三维质点振速水听器和一个声压水听器) 四部分 组件构成的矢量水听器上时，第k 个水声信号在矢量水听器上的阵列流型表达式 为： “( 妒t ，0 t ) v ( 饥，口 ) w ( 砂。) l ( 2 4 ) 其中，第1 ，2 ，3 个分量分别对应于三个质点振速水听器，最后一个分量 对应于声压水听器的测量值。可见，矢量水听器测量得到的是一个矢量参数。 在各向同性均匀无限大的理想流体介质中，对于单频声波，矢量水听器测 咄以 咖 裁， ，引1 量的声压p ( r ，f ) 和质点振速v ( r ，f ) 的三个正交分量v ，( r ，f ) 、v ，( r ，f ) 和v ：( r ，f ) 分别 可以表示为： p ( r ，r ) = a ( r ) e x p 一i c o t 一似r ) ) ( 2 5 ) 咐力= 志卜一等卜归心u iv 。( r ，f ) = v ( r ，t ) s i n 妒c o s o v ，( r ，t ) = v ( r ，t ) s i n f f s i n # 【v ；( r ，f ) = v ( r ，t ) c o s 妒 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 其中，0 【0 , 2 百) 为入射波的水平方位角，哆【o ，丌) 为入射波与z 轴的夹角 咖为相位，u = i c o s os i n 谚+ j s i n os i n e + k c o s 廿，为单位矢量。 2 2 3 矢量水听器的信号检测 被动式声呐又称噪声测向声呐，它通过检测目标的辐射噪声来发现目标，并 测定其相对方位、距离等参数。只能测定目标方位的称为噪声测向声呐，若能测 定目标距离的则称为噪声测距声呐。在被动声纳的检测方法中有两个分支，一种 是以提高信噪比为目标的检测方法，如匹配滤波器和维纳滤波器；另一种是信号 的统计检测方法，该方法利用目标信息的统计特性判别目标的有无。结合矢量水 听器寻找适合于低信噪比条件下的目标检测方法是目前的一个研究热点。 作为噪声测向声呐，它接收的信号是目标辐射噪声。通常认为目标信号是远 场点源信号，有随机性，信号波形无法预知。而作为干扰的噪声则有海样噪声、 本舰噪声和其它船只航行噪声等，它们也都具有随机性。所以说普通的被动声呐 是在随机噪声场中检测未知随机信号( 即辐射噪声) ，实际上是一个能量接收机。 事实上这些目标信号也不是完全未知的，它们和干扰噪声之间还有一定的差别。 所以，我们就根据两者在某些参数特征上的差别，来检测辐射噪声的目标。 普通被动声纳的信号预处理系统结构由它的接收特点决定，为了得到更多 的目标信息就要不断增大基阵的体积，同时也加大了布放和信号处理的难度。在 要求机动性和高消耗量的场合，这种实现方法给使用者带来了难以解决的矛盾。 特别是在民用设备的使用中，更难以对大的基阵产生兴趣。由于矢量传感器本质 上有偶极子类型的结构，无论对频率多么低的声波来讲，永远具有一个8 字形指 向性，这一特点使矢量传感器成为空间尺度有限，重量轻，且对低频声波提供一 定空问处理增益的新型基阵。 2 3 矢量水昕器实验 2 3 1 二维压差式矢量水听器指向性实验 2 3 1 1 实验设备 该实验采用1 0 4 9 型正弦噪声发生器作为信号源，采用4 4 4 0 门系统作源信 号处理。接收端经过1 0 0 0 0 倍的差动放大电路后，采用1 6 1 7 型带通滤波器处理， 然后由b r u e l & k j e r 2 6 3 6 作接收端的检测放大。最后采用t e k t r o n i x l o o m 数字示 波器和t o p 2 0 0 1 2 采集卡( 安装于一台p 1 6 6 、6 4 m 的微机上) 进行信号的监视和 采集。 2 3 1 _ 2 声场 实验在西北工业大学消声水池进行，仪器设备的布放参见图( 2 - i ) 。信号源 的工作频率为3 k h z ，幅度为3 7 m y ，脉宽为i m s 。矢量水听器水平放置，与声源均 位于水下3 m 距离2 m 。 2 3 1 3 矢量水听器的8 字型指向性 矢量水听器具有特定的8 字型指向性，本实验旨在测试和验证其方向性图 极小点的尖锐程度是否符合设计要求。实验结果( 见表2 - 2 ) 表明，性能较好的一 只其极小点处的值达到- - 2 6 d b 。因而在改进矢量水听器的加工工艺后就可以得到 理想的检测单元。利用该类传感器测得的其所在平面各个方向上的质点振速及声 能流分量可以准确地用于测定目标方位。 2 3 1 4 信号的采集方法 按照采样定律：若有个时间信号函数厂( f ) 其最高频率分量为厶h z ，则此 1 时间信号函数在时间域内完全可由一系列时间间隔等于或小于彳 秒的样本来 j “ 确定。因此在3 k h z 的测试信号下，采用i o k h z 以上的采样频率在理论上是可行 的。实验进行中先后用到的两套采集卡所支持的最高采样频率略有不同，性能差 异见下表： 表2 一l ；采集卡的主要指标 信号采集卡使用平台最高采样率实时显示硬件接口 t o p 2 0 0 1 2 w in d o w s 9 8 2 0 0 k s p s无 i s a t o o l 0 0 1 6w i n d o w s 9 8 或2 0 0 0 l o o k s p s5 0 k s p s 及以下 p c i 信号的采集是在t o p d l l 动态链接库支持的t o p 系列数据采集卡上完成的。 新的驱动控制提供了支持w i n d o w s 9 8 和2 0 0 0 系统的a p i 接口，在第4 章介绍了 它的使用方法。 图2 一l矢量水听器的指向性实验 2 3 1 5 数据处理及结果 实验通过旋转装置调节水听器与声源的角度，在设定的间隔下得到各角度下 的实验数据。根据需要选取间隔的大小，本实验采用5 。的间隔，在信号变化较快 的地方采用1 0 的间隔。图2 4 至2 7 是由实验数据绘出的指向性图。此类图形的 绘制在进行水声测量时是经常会遇到的，在第四章中介绍了利用数据预处理软件 在实验现场绘制图形的实例。 信号源发出的单频信号经门电路及功率放大电路后成为具有一定宽度及时 间间隔的测试信号。由于传输和反射的原因，在接收端的信号发生了畸变，但仍 然具有原信号在频率和发射周期上的特征。图2 2 是5 1 2 0 0 个采样点的实验数据 的波形。可以从中明显地看到池壁反射和其它干扰因素对水听器接收信号的影 响。该组信号中我们关心的是其头部振荡信号的幅值，图2 3 是从中截取前1 0 2 4 点后得到的波形，这样我们就可以更加清晰地对信号进行测量和其它分析。以上 的数据是通过多通道水声信号数据预处理软件得到的，第四章将要详细介绍的它 的设计与实现方法。 图2 - 2 池壁反射等对水听器接收信号的影响 图2 3 经预处理软件截取得到的信号 如下表2 2 是a 号和c 号矢量水听器指向性测量数据的最大最小值及分贝数 分贝数的计算采用定义： 驴2 0 l o g 去， ( 2 - 8 ) 其中，v 为测量值，v 。为参考值，这里用的是每组数据中的最大值。 表2 - 2 ：矢量水昕器增益 水听器信号频率接收端最大值最小值分贝值性能评价 a 号3 k h zx 轴 1 8 0 m y5 0 o m v一1 1 1 不理想 3 k h zy 轴2 4 0 m v9 0 m v一8 5 2不理想 c 号 5 k h z1 - 3 端1 9 格2 0 格- 2 0好 2 4 端1 9 格1 0 格 一2 6理想 3 k h z1 - 3 端1 7 格1 0 格- 2 5理想 2 - 4 端1 7 格1 0 格- 2 5理想 从上表最后一列不难发现，c 号水听器的接收特性更好，即在8 字指向性中 的极小点更加尖锐一些。为此，还比较了不同频率下的该参数，结果表明：矢量 水听器在实验所用的两个频率下指向性的尖锐程度变化不明显。限于消声水池的 吸收能力，本实验未能在低于3 k h z 的频率下采集到理想的数据，该工作只能在 改善水池的吸收能力后或改在其它自由场中进行。 1 5 1 日0 t 8 0 2 7 0 图2 4a 号水昕器x 方向的指向性图( 3 k h z ) 9 0 1 5 2 舶 图2 5a 号水听器y 方向的指向性图( 3 k h z ) 2 0 0 1 曰口 1 9 d 1 0 2 7 ；0 图2 6c 号水听器x 方向的指向性图( 3 k h z ) 9 0 1 s 0 0 2 7 0 图2 7c 号水听器y 方向的指向性图( 3 k h z ) 利用示波器读取信号的幅值等参数是较常用的方法，特别是一些性能较好的 数字存储示波器，其读数更加方便。然而，人工观察将引入许多偶然误差，而我 们已经有了记录设备，即数据采集仪；若能通过仪器自动记录该结果将使得测量 的精度得到改善，同时也排除了人为因素。测量仪器的数字化在计算机科学及产 业快速发展的今天是有目共睹的，然而我们发现：设备间的接口问题仍然是制约 其高效使用的关键，先进的设备常常被孤立起来，未能充分发挥其优势。 下面举例来说明这一问题：我们来观察图2 8 所示的波形，它有三个幅值相 当的波峰，若要读取该波形的最大值我们只有进行估计了，这势必引入人为的误 差。若将该波形的数据利用软件进行计算，那么得到的结果其误差限是由采集卡 的量化精度决定的。不会引入人为的误差。作为参考，这里还绘制了经数据预处 理软件取出的实验数据的波形，如图2 9 。如果数据以文本文件的格式保存，我 们可以用任何文本编辑软件，如m i c r o s o f t 记事本软件，直接看到每一点的读数。 当数据点数较多时这种通过编辑软件读数的办法也不可行，因此有必要设计其它 的软件来实现方便的读数。 图2 8 数据采集器中要进行人工读数的波形 2 0 04 0 06 0 08 0 0 图2 9转换后的数据绘制的波形( 1 0 2 4 点) 在实验中还对采样数据的频域特性作了初步分析。如图2 一l o 是一次采样数 据中5 1 2 点的f f t 幅度谱。图2 一1 1 是一次采样所有数据的频谱图。另外，图2 一1 2 绘出了一次采样中的5 1 2 点数据的功率谱 0 h z2 5 k h z 砌f,hz巧khz 图2 1 0 一次采样中的5 1 2 点数据的f f t 幅度谱 图2 - 1 1 一次采样中所有数据的频谱图 1 7 r 7 1 1 1 1 1 1 r 一 22 * h z 5 0 k h z 7 5 “z 图2 一1 2 一次采样中的5 1 2 点数据的功率谱 2 3 1 - 6 实验结论 通过实验验证了矢量水听器8 字型指向性，测得了其极小点处的增益在一2 0 d b 左右( 见表2 - 2 ) 。在本次实验中，水听器输出的信号是经过同一差动放大器后 进行测量和数据采集的。为了观测水听器各路信号间的相位关系，提出了下一实 验设想： 西北工业大学硕士学位论文笠二童矢量水盟器及实验 1 ) 增加前置预处理放大滤波单元的通道数( 至少8 路) 2 ) 对矢量水听器的相位特性进行测量，增加数据采集的通道数( 同样至少8 路) ， 要求各通道间同步，相位误差不大于4 度。 3 ) 增加声源数目，测试矢量水听器的多源接收能力 2 3 2 二维压差式矢量水听器阵实验 2 3 2 1 新增实验设备 在上次实验的基础上，将原来采用的基于i s a 总线的4 通道采集卡更换为基 于p c i 总线的4 卡1 6 通道同步采集器。其主要技术参数如下： 1 ) 实时存盘采样，最高采样率l o o k s p s 通道。 2 ) 量化精度，一3 2 7 6 8 3 2 7 6 7 点。 3 ) 实验数据的海量存储，文件格式为二进制w a v 文件。 4 ) 通道间相位差：平坦响应频带内不大于0 3 度( o 2 0 k h z ) 5 ) 4 4 通道同步采样，1 0 0 k s p s 时通道间相位差小于4 度。 6 ) 信噪比：大于7 6 d b 7 ) 数据存储总量：主机可用内存大小 8 ) 连接器：5 路b n e 输入，1 6 针多卡同步接口，3 4 针数字i o 接口 2 3 2 2 声场 实验仍在西北工业大学消声水池进行，测试频率3 5 k h z 范围。本次实验 采用两只同型号二维压差式矢量水听器，两只水听器间距0 9 m 固定于刚性支架 两头。为测得通道间相位关系，为各接收端编号如图5 。声源与水听器组布放于 同一水平面，位于水下3 m 处，声源距水听器组几何中心2 m 。水听器组可绕其几 何中心作3 6 0 度转动。 2 3 2 3 换能器布放 2 3 2 3 1 单源 实验首先采用单声源，通过实验数据分析两只矢量水听器接收的信号在相位 上的关系。实验中用如图2 1 3 和2 一1 5 的两个特殊角度进行了参数校正。从实验 数据的波形图2 1 4 和2 一1 6 ，可以明显地看到各通道信号在相位和幅值上的区别。 6 重些三些垄耋堡圭耋堡垒耋堇三茎叁茎坐重量垒塞墼 兰旦 ； f = 5o k h z 发送间隔i m s s l 2 5 i v 声源 3 2 誊去井4 ：09m： 各接收端的相对位置ir 图2 1 3 相位幅值校正参考位置i 图2 1 4 参考位置i 的各通道波形 l - 兰生一 ：f = 5 0 k h z ；发i 苦问隔i m s 0 声源s l p “ 各接收端的相对位置2 矢量水听 2 图2 一1 5 相位幅值校正参考位置2 1 7 0 9 m l! 屯 吲十 里! ! 三些叁耋堡圭茎堡垒塞垄三童一叁童圣坠堑堡垒；| ! 垒 o 9 7 自0 5 0 2 t 05 0 2 轴05 皤1 4 图2 - 1 6 参考位置2 的各通道波形 2 3 2 3 2 双源 采用双声源的目的是判断矢量水听器阵在接收多个同频率的信号时区分信 号的能力，是对海上或湖上复杂声场条件下实验的前期准备。图2 - 1 7 是双源实 验时矢量水听器阵的布放平面图。要求数据采集器各通道同步采样，当采集器工 作在连续采样模式时，信号是可以完全被捕获的，但是在提取有效信息时，由于 声源与采集设备不同步，就需要进一步的处理来找出测量信号。图2 一1 9 是未经 提取时的实验数据。图2 1 8 是双源时采集到的多通道信号示例。 掣兰一“ 图2 1 7 双源实验水听器的布放平面图 斗哟牛： 量 矢一 图 一 意 一 一布 一 放 布 一 器 一 听 一 水 一 验 钮一 实 o 一 潮尘 礁 声 一 一 一源一声 一 n晦_07 4 1 1 融日n 3 7 z 图2 1 8 双源时采集到的多通道信号示例 图2 1 9 采用连续采集方式得到的数据 2 3 2 4 换能器阵的相位特性实验 2 3 2 4 1 数据处理方法 采集来的数据是w a v 格式的二进制文件，用软件可以取得其对应波形到达传 感器的时间和幅值等参数。对数据处理方法的改进主要是从数据的存储结构上作 了改进，主要完成了w a v 格式文件向文本文件、文本格式数据文件( 有为数不少 的数据以该格式存放) 向w a v 文件的转换。本文第4 章详细讲述了采用软件进行 数据预处理的方法及其实现，对用于存放波形文件的数据结构给予了仔细的分 析。 2 3 2 4 2 相位差的计算方法 利用采集到的数据计算通道间信号的相位差，需要选择波形中的特征点作为 计时参考点，还要选择其中某一参考点作为信号的计时起点。c l # j 还可以通过制 作同步电路的方法使得接收信号与发射信号产生固定的时间间隔，改进实验的效 果。在计算中需要参考采样率，由下面的方法得出通道间信号的相位关系。 各信号问的时间间隔为： 扯：虬，n ( 2 - 9 ) j 其中，出为时间间隔，厶。为采样频率，为两路声波对应点间所差的采 样点数。若 k 。，是声波的一个周期对应的采样点的总数，则间隔出的两路信号 的相位差为： 妒：2 x 当 ( 2 _ 1 0 ) 帆。， 。 2 3 2 4 3 实验的改进 对实验的进一步改进是模拟两个非同步发射、不同频率的声源，这就需要在 信号发射端设置必要的控制电路。在软件上可以通过增加对声源最高频率检测电 路，自动设置采集电路的采样率。在实现上一般可采用微机的串行通讯口来发送 和接收数据，其硬件连接较为方便。另外采集卡也可接收同步信号，在做好适 当的转换电路的情况下也可直接利用采集卡的外触发信号接收端来接收声源端 的控制信号。 2 4 小结 本章对矢量水听器及其实验进行了介绍，结合实验数据的分析提出了若干实 验改进方法。实验数据验证了矢量水听器具有的8 字型指向性和尖锐的最小值 点，同时也验证了该指向性对频率是不敏感的。双源实验为复杂声场条件下的实 验进行了必要的准备。 第三章基于子波方法的水下噪声分析 3 1 引言 水下噪声，除海洋环境噪声外，还包括目标( 舰船、潜艇、鱼雷) 辐射噪声和 舰船自噪声等。其中，海洋环境噪声和舰船自噪声是声纳系统的主要干扰背景之 一，目标辐射噪声是被动声纳系统的声源，系统通过对目标辐射的接收来实现目 标检测。 在对水下目标进行识别、定位、测距等分析时有两类途径：一类是利用水声 信号的时空特性来提高水昕器接收到的信号的信噪比，另一类是通过对接收信号 本身特征的分析来发现其中隐含的信息，也就是基于特征提取的方法。特征提取 是通过对研究对象的物理性质建立数学模型，寻找最能反映该物理性质的量的过 程。进行特征提取首先是对物理量进行测量，得到的数据构成了所谓的测量空间。 此后，通过某种映射方式将这些数据转换成分类识别系统能够使用的数据，也就 是将测量空间的数据映射到特征空间。通过这样的映射，是为了将维数较高的测 量空间所表示的模式转换为特征空间的较低维数的模式。 水下噪声是一种随机过程，然而由于水声信道的时变性、空变性以及水声信 号传播的多途径效应等，造成水声信号具有较强的非平稳性和非高斯性。因此， 人们己开始研究从非平稳的角度来提取特征信息。 功率谱特征是目标识别中用得最多的特征之一。该方法分为参数化方法和非 参数化方法两种。非参数化的周期图法是在窗口内对有限数据进行分析的，因此 这样得到的估计的偏差和方差间有一个不可克服的矛盾。参数化方法是利用先验 信息对产生数据样本的随机过程选择一个准确的模型，或至少是一个与实际过程 非常接近的模型。以此模型为基础从观测数据中估计出的参数，通常为一个比 较好的谱估计值。理论上只要模型合适，这种方法可使估计的偏差和方差同时 最小。参数化方法的一个显著优点是它比非参数化方法具有更高的频率分辨率。 近年来，基于a r 、a r m a 模型的参数化方法己在水下目标识别中得到广泛的应用。 从非平稳的角度进行特征提取的方法主要有：时间一频率分析方法、短时 f o u r i e r 变换、g a b o r 变换、循环平稳信号分析与处理、子波变换( w t ) 等。其 2 里i ! 三些垄童丝圭茎堡垒耋墅三童垒主垂鎏童童塑坐三塞童坌堑 中子波变换的独特的多分辨和时频局部性质使得它在处理非平稳信号时有特殊 的作用。在处理非高斯信息方面，高阶谱估计方法的使用是目前的个研究热点。 用这种方法可以衡量信号与普通高斯信号的偏离程度，它的使用是不受高斯性假 设和平稳性假设的约束的。 3 2 噪声特性分析 被动声纳依靠接收目标辐射噪声来工作，其所在声场中主要存在三类噪声， 即海洋环境噪声、本舰噪声和目标辐射噪声。对该类声纳接收到的信号进行信号 处理的目的就是从混有这三类噪声的信号中提取目标信息，实现对目标的探测。 3 2 1 海洋环境噪声 海洋环境噪声来源广泛，主要有潮汐和波浪的海水静压力效应、地震扰动、 海洋湍流、行船、海面波浪、海洋分子热噪声。对这类噪声的研究，已有不少的 统计数据，例如对1 0 0 2 5 0 0 0 h z 的海洋环境噪声做出的v 0 k n u d s o n 图谱( 如图 3 一1 ) 和描述深海环境噪声的w i n z 谱级图( 如图3 2 ) 。 此外，还有一类被称作间歇源的噪声源，它们是种暂时存在的噪声源，如 能发声的海洋生物、降雨等。 海洋环境噪声是由大量的噪声源辐射噪声所组成的，按照中心极限定律：当 噪声源数量n 足够大时其振幅应服从高斯型分布。深海和浅海的测量结果表明， 在一般深度上，振幅分布确实是高斯型的，但在近海面由于噪声源数量不够大 自然噪声分布比高斯型尖锐。 藿 妻 霎 囊 k 、 墼武，、一詹k 。1 卜：嘈s s 、一譬照氏 、0 、。n 遘汝 、 。? 瀑喜斟。， 、晚瓣渊州 i 妒i 秽 0 0 25i d o 251 0 0 0 02，】0 0 0 0 02 51 0 0 0 0 0 0 图3 - lk n u d s o n 图谱 舞辜 图3 - 2w e n z 谱级图 3 2 2 目标( 舰船、潜艇、鱼雷) 辐射噪声 目标辐射噪声是由被探测目标发出的，按照声源的发声机理及发声部位一般 分为机械噪声、水动力噪声和螺旋桨噪声。 3 2 2 1 机械噪声 机械噪声是由目标的主机、辅机等动力设备产生的，其中主机产生的噪声是 主要的。 主机包括大型的转轴、轴承、齿轮、以及根据特殊需要设计的往复式发动机、 汽轮机、或电动机。在转动过程中，各种机械振动可通过底座或支架传递到机身， 从而引起振动并向海洋中辐射声波。以这种形式产生的噪声是一个包括系统转动 频率及其谐波分量的窄带信号。振动力往往与转速的平方成正比，因此噪声强度 随着主机的速度而变化。主机系统中还存在着摩擦力，它们产生宽带连续谱噪声 分量，这种宽带噪声分量也与速度大小有关。通常，主机的噪声谱在1 0 0 0 h z 以 下的频域上可看作是强线谱和弱连续谱的叠加( 如图3 - 3 ) 。 辅机包括不属于推进系统的机械装置和电力系统，如空调机、鼓风机、发电 机和各类泵。辅机的运转与主机一般是独立的，由其产生的噪声主要由旋转部件 里些三些叁垄堡圭耋堡篁塞篁三童叁重重鎏童童丝垒至塞重坌堑 的动态不平衡所引起的谐波分量组成，这些声波在幅度和频率上是相对稳定的。 厂 妫 ， 图3 3 三类目标辐射的频谱示意图 a 线谱b 宽带谱c 线谱与宽带谱的叠加 3 2 2 2 水动力噪声 水动力噪声是水流与水下目标间由于水流动力作用产尘的，产生该类噪声的 能量来自水流的运动。流经目标及其附属部分的流体会使其辐射出噪声，这些辐 射嗓声起因于几种不同的流体动力学效应。流经目标支架后缘的湍流可引起结构 振动，而振动又能辐射噪声。超过某一航速后，船体表面上的水流变成湍流。这 些湍流和不稳定水流可以引起船体结构的振动，也可产生辐射噪声。 3 2 2 3 螺旋桨噪声 螺旋桨噪声是由旋转的螺旋桨所辐射的噪声。它由两部分构成，即螺旋桨空 化噪声和螺旋桨叶片振动噪声。 螺旋桨在水中高速旋转，其叶尖线速度可达每秒几十米。这种高速旋转，在 水中造成明显的局部压力下降，当压力下降到某一临界值以下时，就在水中形成 气泡。这些气泡迅速变大，然后破灭，在桨叶的叶尖、叶面甚至根部产生所谓的 空化腐蚀现象。 螺旋桨是在尾流中工作的，由于运动目标及其附属物并非中心对称，使得尾 流速度具有明显的周向不均匀性。这样，在每片桨叶的回转周期中与其相接触的 流体的相对速度就发生周期性的变化，从而使上述空化程度也发生相应的周期性 变化。 此外，由于桨叶的转动，在螺旋桨附近区域的水中将形成叶片频率的流体脉 动压力场，在这种脉动压力的作用下，存在于该区域的大量气泡随外界压力的周 期变化而进行受迫的体积脉动。随着螺旋桨的转动，桨叶区域的大量瞬态空泡发 重些三些垄童塑圭茎堡垒耋堑三童垄圭重鎏查壅丝查三塞生坌堑 生崩溃和反弹，于是便产生声辐射。而螺旋桨区域中，大量稳定空泡的周期性受 迫振动同样能辐射声波，所有这些便构成了螺旋桨空化噪声。 另一类螺旋桨噪声是在水流的作用下，螺旋桨叶片振动而产生的。该振动能 产生某种线谱分量，因此也称其为螺旋桨叶片的唱音现象。 3 2 3 本舰噪声 除了岸基式被动声纳、声浮标等应用外，声纳一般都被安装到舰船的某一部 位，因此在分析其声场时还要考虑由其所在舰船辐射的噪声。同辐射噪声一样， 机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声也是本舰噪声的