（通信与信息系统专业论文）渔探仪的信号探测与识别.pdf

摘要 本文是科研瑗溪“渔探仪”的一部分，主要工作是在露有的设备积硬件 基础上，完成信号豹采集、信号静抗噪声处瑗、茸标的方位估计和分类识别 系统的初步研究和开发。 本文的研究工作是将接收机接收到的信号采集进入计算机，利用已有熊 理论对傣号进行处理，丈致估计难曩标豹性质和方位，并利用神经网络理论 对目标进行初步的分类识别研究。可以将本文的工作大致分为五个部分：数 据采集、信号探测、分类识别、终端显示、实验分析。 在数据采集阶段，通过对步 都电路和数字输入输出卡的匹配分柝，剥用c 语言对数据采集卡进行编程，将混合整序后的八路串行输入完整无误的采集 到处理机中，很好的实现了帧同步和字同步。 在信号探测阶段，剥用已有的基于矢量水瞬器的检测和方位估计理论， 对尊嫒矢量求听器的接收信号进行了抗干扰和方位估计娃理。 在分类识别研究中，探讨了两种目标信号特征提取的方法：一是l o f a r 谱特征的提取，分析了信号时频两域的变化特征，采用了主分量提取的方法 降低丁特征矢量憋维数；一是基于夺波趣分析的能萋特征提取方法，有效的 提取信号各频带内的能差特征。熳后将提取的特征送入p n n ( 概率神经网络) 进行分粪识别。 终端显示是便于操作的需要，将并发的所有功能以一个乎台的方式显示， 本文开发了基于v i s u a lc + + 的终端平台，便予实验或者用户操作。 最后，通过两次水下实验的结果，验证了所开发的软硬件的功能。 关键宇：滢掇仪；数据采集；信弩探溅；韪标识剐；特征提取 晗尔滨工程大学颈士学位论文 a b s t r a c t t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni so n ep a r to ft h ep r o j e c t - f i s h e r yd e t e c t o r , i t f i n i s h e dt h ei n i t i a lw o r ko fs i g n a lc o l l e c t i o n ，s i g n a ! p r o c e s s i n g , e s t i m a t i o no fd o a a n d r e c o g n i t i o n ， i nt h i sp a p e r , w ec o l l e c ts i g n a l sf r o mt h er e c e i v e ra n ds t o r e dt h e mi n c o m p u t e r w eu s et h ep r i m a r yp r i n c i p l et op r o c e s s t h es i g n a l sa n de s t i m a t e d o a 。a tl a s tw eh a v ear e c o g n i t i o no ft h et a r g e t ，t h ew o r ko ft h i sp a p e rc a l lb e d i v i d e di n t of i v e p a r t s ：s i 酬c o l l e c t i n g , s i g n a l d e t e c t i o n ，c l a s s i f i c a t i o n r e c o g n i t i o n , t e r m i n a ld i s p l a ya n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s d u r i n gt h es t a g eo f d a t aa c q u i r i n g , w eu s ec t op r o g r a m m et h ef op r o c e d u r e a f t e rm a t c h i n gt h eo u t e ra n di n n e rc i r c u i t w ea c q u i r e dt h er i g h to r d e ro fd a t aa n d r e a l i z e dt h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o na n db i ts y n c h r o n i z a t i o n i nt h es t a g eo ft h es i g n a ld e t e c t i o n ，w em a k eu s eo ft h eb a s i cp r o c e s s i n g p r i n c i p l et or e m o v e t h en o i s ea n de s t i m a t ed o a i nr e c o g n i t i o n ，w ed i s c u s st w ow a y so ff e a t u r ee x t r a c t i o n ：o n ew a yi st o e x t r a c tt h ef e a t u r eo fl o f a r s p e c t r u m - a n a l y z et h et - ff e a t u r ea n dr e d u c et h e d i m sb ye x t r a c t i n gt h em a i nm e m b e r 。t h eo t h e rw a yi sp o w e rf e a t u r ee x t r a c t i o no n t h eb a s i so f w a v e l e tt r a n s f o r r u a t i o n a tl a s t , t h ef e a t u r e sa r ep a s s e di n t ot h en e u r a l n e t w o r k s ( p n n ) t or e c o g n i z e t h et e r m i n a ld i s p l a yi st om e e tt h ed e m a n d so fu s e r s w ed i s p l a ya l l f u n c t i o n si no n ei n t e r f a c e 。w ed e v e l o pa l li n t e r f a c eo nv c + + , w h i c hi sc o n v i n i e n t t ou s e r s f i n a l l y ，w et e s tt h ep r o p e r t yo f t h ew h o l es y s t e mb yt w oe x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：f i s h e r ) , d e t e c t o r ，d a t aa c q u i r i n g ，s i g n a ld e t e c t i o n ， t a r g e tr e c o g n i t i o n ，f e a t u r e se x t r a c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出。除文中已注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 作者( 签字) ： 日期：驭璋月o 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 课题来源、任务秘要求 本课题为陕西省立项的科研项目一渔探仪的一部分。该项目的主要任始是 完成濑探仪系统的设计、开发与研究的预研工作。具体为以下几个方谢； l 、宠戒逸摄纹疆箨寒荽努豹浚诗与牙发； 2 、完成软件处理部分的开发与实现； 3 、可视化的实现。 要求开发的渔探仪熊够达到以下凡个方厦的婺求： l 、这翳琵瑰裔麓渔探佼雯运酌搽涮疆离 2 、能远距离的实现水下目标的定位与跟踪 3 、能实现对水下目标的分炎识别 4 、套薅单骥了瓣癸褒与擦佟 1 2 研究背景和立题意义 一塞戳来，鼓动声呐藏是謦跨璎究镁蠛豹霪杰和难点，萋于被动声购瓣 目标探测和定位、两标豹分类识荆是近年来水声信号处理的热点。本论文是 科研项目“渔探仪”研究的一部分，研究工作的重点是渔探仪的信号搽测和 目标识别。 麓着重琵经济瀚发震，久翻瓣海洋资源静嚣求弱益增翔，渔韭资灏的开 发越来越受到重视。渔探仪作为探测海洋生物淡源的一种手段，安装在船上， 在船航行时利用声波探测鱼群及其他渔业生物的有无、方位、距离及种炎。 瀵探仪辨疆究农缀睾藏开戆7 ，我国7 0 零健秘麓就逡瑷了渔搽纹，凌嚣 矫更草时期就出现了。渔探仅的发展大致经魇了这样的一个阶段：声波搛测、 模拟技术、显示技术一声波探测、数字技术、照示技术。8 0 年代以前的濑探 仪在利用声波探测时，由于采用模拟技术，发射和接收的参数均将半量程时 戆鼗攥作为该量镤豹标准参数遂行颈萋，震予疆定参数式，阂筵壤难缳诞在 堕玺遗王塑盔堂堡圭堂燕造塞 整个数程范围内都能实现比较理想的探测和鼹示。鱼群和大鱼难以区分，尤 其楚在噪声杂渡多豹永瑟辩运稻凝毒疆霾波海底辫近嚣，要难臻无误遮耀甑 鱼情爨是难上加难。9 0 年代中尉期以英国雷松公司( r a y m a r i n e ) 为代表的 渔业系统开发商将数字处理模块加入渔探仪中，研制了新一代的渔探仪系统， 它不键携根据海越秘探测深度垒动缝寒频率效调整竣出功搴、声波频率，还 能舀动地无数级魏调攘脉冲重笺频率、接段带宽、接收增益、颜色增益舔参 数实现水下鱼情和海底状况真实稃现，彩色画网稳定，水面附近不再有杂波， 海底轮廓真实，水中惫儿清晰可辨。该设备不仅性能卓越，丽且使用方便， 瑟舂调整均霹完全蠡动送行，不褥要手工诱熬，令人啜菇瓣壹。往焉该滤搽 声纳，你不但能够发现鱼和鱼群，可以瞄准舔一条鱼，而胤由于该设备鼠有 非凡的性能，它甚楚可以当作声纳，用来探测搜索水下其窀令你感兴趣的物 体，水下慷况一嚣了然。 从上面的分毫f 子霹班看蓟，掇然这两代渔搽仪在信号处联技术上先后肖了 重大突破，但它们所应用的基本原理是一致的：鱼鳔是声波的良好反射体， 从换能器发射声波短脉冲，接收惫群的回波脉冲，然后利用视频进行显示， 它l ；蟊发射躲；孛帮嚣波琢狰豹辩鬻蓑溪定薤簧，记录囊懿睡波灰度蟊壅澎大夺 判断氨群的大小、种类，其实质怒主动声呐，工作频率为几十千赫兹，它们 均有一个显著的缺点，就是作用距离短，一般不超过一海里。 本文酝磅究静激攘便其实魇麓坡魂声嘲。蠡j l 予近年来矢囊零暇爨技零瓣 发展，它不仅能测爨声场中声蕊信息，还能湖步测量旨标的矢量信息，它为 目标的探测提供了鼹便利的条件。利用矢量水听器直接接收鱼群的声矢黻信 息，谶一步探测鱼群的方位、大小及种类。由予不需要发射声波，该渔探仪 豹工佟频率保，终溺距离远，其露更热广瘸弱发震兹最。蒸予矢量东褥嚣豹 探测投术是近几年水下信号处理的热点，矢墩水昕器能同步测量声场中的声 压和搬速信息，对声压和振速进彳亍联合处理，不仅能够得到很好的检波效果， 蠢量辩接竣阵戆掺肉瞧褥至l 更磐愆效果，因越，基于矢量承褥爨戆基栋搽溅 和定向熙有广澜的研究前景。水下目标的识剐融于箕信号鹣复杂程度帮卒串经 网络理论的缓慢发展，一直是目标识别中的难点，研究能够反映信号的特性 的特鬣提取方法和分类网络将馒水下基标的分辨迈入一个新躲台除。 堕堑鎏三堡盔堂堡主鲎笪鲨塞 1 3 研究内容 本论文工作为渔探仪的一部分，渔探仪系统的总体初步设计如图1 1 示： 图1 1 系统初步设计框图 本论文所做的工作为其中的以下几个部分： 1 、数字输入卡的选取和数据采集程序的开发 渔探仪的前端接收机为矢量水听器，矢量水听器在传统的声压水听器的 基础上，增加了接收声场矢量信息的功能，它能同步测量声场中质点的声压 和振速信息，渔探仪的前端矢量水听器为压差式矢量水听器，它能接收到声 压信息，x 方向和y 方向的振速信息，声压的振速信息和声压信息联合处理 能够得到目标的方位信息，同时对声压和振速作相关处理能够提高接收信号 的信噪比。渔探仪前端接入两个矢量水听器阵，每个阵由4 个声压水听器组 成，因此构成8 路并行输入，8 路并行输入经过预处理及a d 转换后，通过 数字输入输出卡送进处理机进行处理，由于数字输入输出卡与前端电路的 时钟需要匹配才能完成输入功能，本文在第二章对程序控制内外电路同步进 行了软件设计。 2 、目标探测、方位估计软件开发 矢量水昕器能空间共点同步测量声场中的声压和阵速信息，开发的渔探 哈尔滨工程大学硕士学位论文 仪系统前端有两个矢量水听器，是为了满足进一步进行多目标的定位和检测 研究的需要，本文只研究一个矢量水听器的接收信息。在第三章中，对声压 和振速作相关处理，得到了信噪比的增益，能够有效的抵消掉声压信息中的 海洋环境各向同性噪声，使目标信号很好的凸现出来；目标的振速信息反映 了目标的方位，因此可以利用目标的声压和振速的联合信息对目标的方位进 行估计，第三章对接收到的声压和振速信息进行互相关处理，从时域和频域 两个角度对信号的方位进行了估计，即互相关法和复声强法。互相关法是利 用声压直接和x 方向和y 方向的振速作相关处理，声压和x 方向作相关得到 的是带有方位角c o s o 的信息，两者之间相差一个常系数；声压和y 方向作相 关得到的是水平方位角s i n 0 方向的信息，因此两者相比便可得到0 的信息。 复声强法是将声压和x 方向的振速、y 方向的振速分别作互谱运算而分别得 到目标水平方位角c o s 和s i n o 的信息，两者相除而得到口的正切值。 3 、特征提取、目标识别软件开发 在第四章中，进行了目标的分类识别。长期以来，被动声呐的目标识别 一直是人们研究的重点和难点，在这里，分别对目标信号的l o f a r 谱和小波 变换进行特征提取，目标的l o f a r 谱图分析是近1 0 年来以来较具代表性的被 动声纳信号处理方法之一，它通过对信号的连续采样数据做傅里叶变换而构 成信号表达的三维立体图，可反映信号的非平稳特性，信号的l o b a r 谱图是 从时频两个角度对信号进行描述，当信号的特征随着时间发生比较明显的变 化时，不能应用传统的傅里叶表示方法。l o f a r 谱图特征输出维数较多，为 了降低学习训练的时间，同时又能充分反映原来目标的特征，本文采取了提 取主分量的特征降维方法，主分量分析消除了原有特征矢量问的相关性，将 占有原有矢量大部分能量的变换后的矢量保存下来，而有些数据只占有原有 数据的小部分能量，则弃之不用。分析表明，主分量分析能很大程度的降低 维数。小波分析方法是一种窗口大小( 即窗口面积) 固定但其形状可以改变， 时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法，即在低频具有较高的频 率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的 频率分辨率，这种特性使得小波变换具有对信号的自适应性。常用的小波分析 算法是多分辨率分析，即m a l l a t 算法本文通过对目标信号进行小波变换处 理，然后提取各频带的能量特征进行识别。神经网络是对于人的大脑的一种 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 简单模拟，通过对网络进行学习训练，使其达到一定的记忆目的，当有输入 时，网络会根据已记忆的信息给出一定的输出。现有的网络常常应用的有感 知器、线性神经网络、b p 神经网络、径向基函数网络和自适应网络等，近几 年由于模糊数学的发展，又出现了模糊理论和神经网络的结合网络一模糊自适 应网络。本章应用了径向基函数网络( r b f ) 的变形形式一概率神经网络，径 向基函数网络是以函数逼近理论为基础而构造的一类前向网络，这类网络的 学习等价于在多维空间中寻找训练数据的最佳拟合平面。概率神经网络常用 来解决分类问题，当训练样本数据足够多时，它收敛于一个贝叶斯分类器， 而且推广性良好。 4 、显控软件的开发 在第五章中，对基于w i n d o w s 环境下的岸站声呐实时控制软件进行了开 发，通过v c + + 与m a t l a b 的混合编程，达到了实时控制采集和处理的目的， 该软件已经应用于2 0 0 4 年9 月的陕西冯加山水库实验中，效果良好，且性能 稳定。 5 、试验数据分析 在第六章中，对实验数据进行了处理，通过处理结果显示，信号的噪声 抵消能够达到1 0 1 5 d b 的增益，目标的方位估计结果与实际上大致相符，由 于目标数据的特征库建立不够充分，分类识别还处于初步探索的阶段，由仿 真信号的识别结果来看，上述的目标识别方法具有进一步深入研究的价值。 堕笙堕三墨丕堂堡主堂焦堡塞 第2 章混合整序采集设计 本文所设计的渔探仪的前端为两个矢量水听器，然后接入8 路a d 变换 及预处理器，最后将预处理后的数字量通过p c i 接口接入计算机进行处理， 本节所讨论的就是该渔探仪的p c i 接口及数据采集程序，预处理机将8 路数 据分时送入计算机，每路数据的采样频率为2 0 k h z ，因此要使不遗漏数据，8 路数据串行送入计算机的速度须为1 6 0 k h z ，由于单只矢量水听器送入的四组 数据分别代表了声源的声压信息，x ，y ，z 方向的振速信息，因此每八路数据 的头尾必须进行帧同步，而每路数据之间必须进行字同步，通过仔细研究， 选用了凌华公司的p c i 一7 2 0 0i o 卡，在w i n d o w s 2 0 0 0 下利用c 语言进行数据 采集编程，通过检验，对工作频带内各个频率的正弦信号进行数据采样，再 运行程序进行采集，能达到很好的效果。 2 1 预处理机的基本结构和功能 本文所研究的渔探仪的系统的基本结构如图2 1 所示： 图2 1 渔探仪的基本结构图 其中，低噪声前置放大器、抗混带通滤波器、可变增益放大器、采样保 持器、模数变换器及时空采样混合整序总线驱动器统一称为预处理机，p c i 接口主要是连接该预处理机和信号处理机，在实验阶段，信号处理采用计算 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 枫进行处理，计算机目前的总线接口大多为p c i 接口，故接口卡的选择极其 重要。 灏处理机的外部接口为8 路模拟量输入，8 路数字量输出，另外输出的 还有一个帧同步脉冲和一个传输宇同步时钟，预处理机输出数据时序如图 2 。2 掰示； c l o c k ： ( 1 6 0 蛳o ) ! 厂 兰厂 ! 厂 ! r ! 厂 ! 门! r ! 厂 ! 厂 ! r lll1 ) ! 阿 竖厂一 图2 2 预处理枫输出时序图 由时序图可以糟到：帧同步脉冲周期是传输脉冲的8 倍，因为设计的混 台整廖驱动器是将接收囊静著行8 踺数提按照l 一2 3 4 5 6 7 8 一l 的颁序串行送入计算机，要使不爱失数据，帧同步脉冲的频率必须和系统的 采样频率一致，为2 0 k h z ，而传输字同步时钟的频率须为帧间步脉冲的8 倍， 即为1 6 0 k h z ，图中掰示数据在传输时钟的上拜沿为稳定状态，所以程序必须 聚涯筏时锋靛上秀漤褥数螽采逡诗舞辊，遮藏是较 孛设诗必须徐涯豹第一令 同步，第二个同步就是帧同步，由图中可以者出，帧同步时钟的上升沿也就 是传输时钟的第一路脉冲上升沿到达之时，所以要保证必颡从第一路开始采 集，露不是钛中阕瓣莱一路嚣始，必矮鼹峻鹈步对镑鹃澎交楚( 上舞溪戴下 降沿) 或低电平静时候开始检测传输时钟髂上升沿，由予考虑到程序的运行 需要一定的时间，梭测到帧同步时钟的上升沿褥检测传输时钟的上升沿脊可 能错j 建第一路的脉冲丙从第二路开始采集，最优的方法是梭测峻同步时钟的 f 洚潜或是低窀乎。扶浚上静分褥可戳蒋知，援西卡静选取和采集程净妊须 z娥 ” n 0 +l 封仨 强醯 酸n 哈尔滨：c 程大学硕士学位论文 保证两个同步的实现，而程序的运行时间必须傈证不能漏搏数据，传统的数 据采煞大黎采躅一令同步藩镑，颡魏嚣令嚣掌串瓣同步绘疆俘攀寒了一定鹣难 度，同时，在软件j 二两个同步之间的切换往往时间很长，很可能出现漏掉前 几路数据，而从后两几路数据开始采集的现象，从而出现阎步混乱。 2 2 数字量数援采集卡的选取 缀过对系统各方面性能的综合考虑“，采用了凌华公司的p c i - 7 2 0 0i o 卡，p c i - 7 2 0 0 卡具帮3 2 位数字爨输入输出邋避，传输速肇每秒能达到1 2 礁 b y t e s ，它其寿西j 跨传输模式；1 p r a g r a mi o ( 壶接编程输入赣爨) 。 2 ，i n t e r n a lt i m e rp a c e rt r a n s f e r ( 内部时钟同步传输) 。3 e x t e r n a lir e g s t r o b ei n p u t ( 外部触发输入) 。4 h a n d s h a k ed a t at r a n s f e r ( 握手数据传 赣) 。鬻毒8 w o r d s ( 3 2 一b i t ) 熬f i f o 。p c i 一7 2 0 0 磐套一个3 7 警瓣熬连接捺秘 一个4 0 管脚的连接器，分别带肖1 6 b i t 的数掇通道，由于必需要用到1 6 b i t 数据邋道，再加上需要用外部时钟触发，因此采用了带有低1 6 b i t 通道和外 部时钟接口的连接器，它具有3 7 个管脚。其外部结构国如蹋2 3 所示： 图2 3p c i 一7 2 0 0 连接器示意图 其中： a 强i n 聪篁：数据辏a 遴瀵 d a t ao u t p u t ：数据输出通邋 ia c k ：a c k 握手信母 i： 握手信号_ r e q r e q 8 堕堡鎏三型盔堂堡主堂焦丝塞 i t r g ：输入信号，启动数据采样 2 3 数据采集程序 由上节分析知道，p c i 一7 2 0 0 有四种数据采集方式，由于接收机的输入数 据采集需要两个同步时钟，其中帧同步脉冲用来寻找八路数据的头，传输时 钟脉冲用来寻找数据的稳定状态，所以要采用外部触发的方式，即用帧同步 脉冲来触发数据采集的开始，由于八路数据总是按照特定的顺序周而复始进 入采集卡，所以只需要找到第一路的开始时刻即可。而传输数据的同步时钟 可以直接利用卡内部时钟进行同步。所以整个采集利用外部触发和内部时钟 同步传输的方式。 编程环境采用w i n d o w s 2 0 0 0 下的v c 编程环境，p c i - 7 2 0 0 为w i n d o w s 2 0 0 0 提供了卡的驱动程序和动态连接库( d l l s ) ，命名为p c i s d a s k ，按照程序的需 要，选用下面的函数和结构体来进行数据采集： d a t at y p e s ( 数据类型) ： u 8：8 - b i ta s c i ic h a r a c t e r ( o 一2 5 5 ) ( 8 位整型数) i1 6 ：1 6 一b i ts i g n e di n t e g e r ( 一3 2 7 6 8 3 2 7 6 7 ) ( 1 6 位有符号整型数) u 1 6：1 6 一b i tu n s i g n e di n t e g e r ( o - 6 5 5 3 6 ) ( 1 6 位无符号整型数) 1 3 2：3 2 一b i ts i g n e di n t e g e r ( - 2 1 4 7 4 8 3 6 4 8 2 1 4 7 4 8 3 6 4 7 ) ( 3 2 位有 符号整型数) u 3 2：3 2 一b i tu n s i g n e di n t e g e r ( o - 4 2 9 4 9 6 7 2 9 5 ) ( 3 2 位无符号整型 数) f 3 2：3 2 一b i ts i n g l e p r e c i s i o nf l o a t i n g p o i n t ( 3 2 位单精度浮点 数) f 6 4：6 4 一b i ts i n g l e p r e c i s i o nf l o a t i n g p o i n t ( 6 4 位单精度浮点 数) f u n c t i o nr e f e r r e n c e ( 函数类型说明) ： 1 1 6r e g i s t e rc a r d ( u 1 6c a r d t y p e ，u 1 6c a r dn u m ) ，该函数初始化数 据采集卡的硬件和软件状态，该函数返回一个和已经安装好的卡对应的代号， 这个函数必须在调用其他函数之前调用，因为它对卡进行初始化和分配地址， 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 卡是即插即用型的，它对应的地址是由b i o s 临时分配的，所以在每次使用之 前必须利用该函数进行分配。函数的参数中c a r d t y p e 表示所用的卡的类型， 即卡的名称，在本程序中为p c i 一7 2 0 0 ，c a r dn u m 为卡的序号，由于只用了一一 个这样类型的卡，本程序中定义为0 。该函数返回初始化的结果，如果初始 化成功，返回值为0 或正值，如果有错误，则返回错误信息，有以下几种类 型的错误：e r r o r t o o m a n y c a r d r e g i s t e r( 安装的卡太多) ， e r r o r u n k n o w n c a r d t y p e ( 卡类型未知) ，e r r o r o p e n d r i v e r f a i l e d ( 打开驱动 失败) ，e r r o r o p e n e v e n t f a i l e d ( 事件打开失败) 。 b ii n i t i a l m e m o r y a l l o c a t e d ( u 1 6c a r d n u m b e r ，u 3 2 * m e m s i z e ) ，该函数为 连续的数据采集提供内存分配，返回内存分配的映射首地址，函数的参数 c a r d n u m b e r 是初始化数据采集卡返回的卡的i d 号，m e m s i z e 为分配的内存的 大小，单位是k b ( 1 0 2 4 个字节) ，如果函数分配地址成功，返回n o e r r o r ，如 果有错误信息，可能有以下几种类型的错误：e r r o r i n v a l i d c a r d n u m b e r ( 卡 的代号无效) ，e r r o r c a r d n o t r e g is t e r e d ( 卡没有注册) 。 d i 一7 2 0 0 _ c o n f i g ( u t 6c a r d n u m b e r ，u 1 6t r i g s o u r c e ， 1 1 6e x t t r i g e n ，u 1 6 t r i g p o l ，u 1 6i r e qp 0 1 ) ，该函数确定数据采集的触发沿和采集模式，必须在 数据采集前调用这个函数。参数说明： c a r d n u m b e r ：注册后有计算机返回的卡的i d 号； t r i g s o u r e e ：连续采集时同步时钟源的选择，有如下几种选择： t i r g i n t p a c e r ( 内部时钟同步传输) ，t r i g e x t s t r o b e ( 外部信号触发) ， t r i g _ h a n d s h a k e ( 握手传输) 。由于在硬件上没有握手信号的应答，所以选择 内部时钟进行同步传输。 e x t t r i g e n ：外部触发使能，是否选择外部启动信号，如果选用d i a i t i n g ， 当it r g 的上升沿或下降沿来时才启动数据采集卡进行数据采集，为 d i _ n o w a i t i n g 时，数据采集立即开始。本程序中因为必须在第一路数据到达 时开始采集，所以应设为d i w a i t i n g ，启动信号选用帧同步信号。 t r i g p o l ：启动信号沿的选择，d i t r i g - r i s i n g 为上升沿启动， d i t r i g f a l l i n g 为下降沿启动，由前面的分析知道，只有选择下降沿，才 能更好的同步。 ir e q p o l ：握手信号的沿选择，在本程序中没有用到，所以不加详细说明。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d ic o n t r e a d p o r t t o f i l e ( u 1 6c a r d n u m b e r ，u 1 6p o r t ，u 8 * f i l e n a m e ， u 3 2r e a d c o u n t ，f 6 4s a m p l e r a t e ，u 1 6s y n c m o d e ) ，该函数以特定的速度从 指定的通道上连续采进数据，并将数据存入指定的硬盘文件上。参数的说明 如下： c a r d n u m b e r ：卡的代号。 p o r t ：输入数据通道标号，由于采集中只用到一个卡，其中端口全部接上， 所以设为o ； f i l e n a m e ：用来存放数据的文件名。 r e a d c o u n t ：设定的采集数据样本数。 s a m p l e r a t e ：采样频率，它与传输系统的传输频率有关，由于接收机的传输频 率为1 6 0 k h z ，所以本程序中设为1 6 0 k h z 。 s y n c m o d e ：是否采用同步输出模式，s y n c ho p 为同步输出方式，只有在数据 采集完成后该函数才返回，a s y n c ho p 为非同步方式。 数据采集应用以上的数据结构和函数形式，按照硬件的要求编程。“”1 ， 其程序设计流程图如图2 4 所示： 2 4 采集结果分析 经过编译，调试，最后将接收机、数据采集卡和计算机连接起来，在发 射端用正弦信号进行输入，采集到的信号分离成八路，结果表明：采集系统 能很好地将各路数据还原，各路数据之间没有串扰的现象，说明整个采集系统 在八路数据之间能很好地同步，变换某一通道的输入，采集到的相应通道也 变换，图2 5 是发射端接入不同正弦信号的采集结果，其中a ，b ，c ，d ，e ，f ，g ，h 是按照第一路到第八路的顺序排列的，输入信号是正弦信号，频率依次为 2 0 0 h z 、l o o h z 、2 0 0 h z 、2 5 k h z 、2 k h z 、4 k h z 、5 k h z 、2 0 0 h z ，a ，b ，c ，d ，e ，f ，g ，h 是a ，b ，c ，d ，e ，f ，g ，h 的傅立叶变换。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 4 数据采集程序流程图 ( a ) 第一路采集信号波形 ( b ) 第二路采集信号波形 帅删删州洲删 卜_ i 喘_ 苗广盎i 商露打旨1 占矗i 捌喵l m _ 譬小m1 打靠土 ( c ) 第三路采集信号波形 ( d ) 第四路采集信号波形 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( e ) 第五路采集信号波形 ( f ) 第六路采集信号波形 ( g ) 第七路采集信号波形 ( h ) 第八路采集信号波形 ( a ) 第一路信号谱分析 ( c ) 第三路信号谱分析 ( b ) 第二路信号谱分析 ( d ) 第四路信号谱分析 ( e ) 第五路信号谱分析 ( f ) 第六路信号谱分析 堕笙堕三塑盔堂堡主堂堡笙塞 ( g ) 第七路信号谱分析 ( h ) 第八路信号谱分析 图2 5 各路信号采集波形及谱分析 2 5 本章小结 本文通过对外部电路和数字输入输出卡的匹配分析，利用c 语言对数据 采集卡进行编程，将混合整序后的八路串行输入完熬无误的采集到处理机中， 很好的实现了帧同步和字同步。通过输入正弦波进行调试实验，能将采集到 的数据以图形形式完整的恢复出来，和输入端进行比较达到一致。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章基于声能流的信号检测与定位 传统的信号检测和估计方法可以分为两类【6 【_ ”：一类是利用匹配滤波检 测已知信号，匹配滤波器是在最大信噪比准则下的最佳线性检测系统，它也 可以通过相关器来实现，在某种程度上来说它们是等价的。另一类是在信号 未知的情况下，在随机噪声场中检测随机信号，这种情况下信号的最佳检测 是在最大似然比准则下讨论的，所谓的最大似然比准则，是指虚警概率小于 某事先给定值的前提下使检测概率达到最大。 本文所研究的渔探仪属于被动声纳，它的接收机为矢量水听器。被动声 纳的任务是在随机噪声场中检测未知的随机信号。海洋环境噪声和本舰噪声 构成随机噪声场，鱼群目标及其他主动声纳寻的信号构成所要检测的未知随 机信号。因此本文所研究的信号检测方法是在最大似然比准则下寻找最佳检 测方法。由于采用的是矢量水听器接收，矢量水听器能空间共点同步测量声 场中质点的声压p ( f ) 和质点振速v ( r ) 的三个正交分量 v ；o l v ，o l v ：o ) 。由于 所用的水听器为四个声压水听器组成的压差式水听器，所以只讨论振速的平 面分量，这里探讨基于最大似然比准则下的声压和振速的互相关处理检测目 标的线谱的方法，以及利用压差式矢量水听器进行方位估计的平均声能流估 计方法和互谱声强估计法，这些方法都是基于最大斯然比准则下的监测和估 计方法。 3 1 引言 我们知道”“，平面压差式矢景水听器能测量声场中质点的声压p ( f ) 和质 点振速v o ) 的两个正交分量扣，v ，o ) j ，因此可以利用p o ) 和v o ) 的各种组合 来进行信号检测，本章讨论了由lp ，vi 组合组成的检测器，及声能流检测器。 通过计算机仿真和实验证明，声能流检测器能够抵消各项同性的各种噪声 “，得到很好的提取目标特征的效果。由于渔探仪使用的接收系统采用压差 式矢量水器，用压差来代替声源的振速信息，从而进行目标的定位，试验效 果表明，定位误差很小，能够基本达到要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 压差式矢量水听器 渔探仪的前端接收系统为压差式矢量水听器，图3 1 是其示意图。 图3 1 压差式矢量水昕器 图3 1 中，l 、2 、3 、4 分别表示四个声压水听器，1 、3 为x 方向上的 两个声压水昕器，2 、4 为y 方向上的两个声压水听器，l 、2 、3 、4 四个水 听器的输出任意一个均可作为接收的声源的声压，x 方向上的压差 v ，= p ，一p ，( 3 和1 号水听器接收的声压差) ，y 方向上的压差v 。；p ：一p 。( 2 号和4 号水听器接收的声压差) ，由于z 方向上的分量很小，一般很少考虑v 及垂直方向上的方位，x 方向上和y 方向上的压差包含了信号的振速信息。 从水听器接收到的声压p 和振速信息v 。v 。用来作为检测和方位估计的目标 信息。 3 3 信号的检测”1 h 1 2 埘”4 3 3 3 1 理论知识 对于平面波，声压和质点振速有简单的线性关系： p = p c v ( 3 - 1 ) 其中，p 表示介质密度，c 表示介质中的声速，对于空间共点同步测量的矢 量水听器而言，p c = c o n s t 。 矢量水听器空间共点同步测量声压p o ) 和质点振速v ( t ) 的各正交分量 v x v 。n v ：o ) ，利用g i v e n s 变换，可以得到质点振速在任意观测方向上 的投影v ： 1 6 堕签鎏三墨盔翌塑圭兰焦煎塞 v r = v jc o s s i n 0 十v ，s i n s i n o 十v ：c o s o = a v ( 3 - 2 ) 其中，a = c o s ( 妒一妒, ) s i n o s i n o ，+ c o s o c o s o r ，幼，或) 表示观测方向。当观测 方囱对准声滋，瑟溆，o a = ，8 簿，露： v = v( 3 3 ) 若考虑观钡8 方向对准声源的情况，则矢量水听器的输出可以写为： z = v r ( 3 4 ) 由此可以褥到矢量水昕嚣的协方差艇降r ： r ：f z z t ( 3 5 ) 其中，) 表示霹空乎筠，t 表示矩簿转鬟。霹器 垂秘，在各逡圈程溱声场中， 矢量水听器的噪声协方麓矩阵心“”： 耻墨姊 浯鳓 和信号的协方差矩阵畏。： 也= l l 萨； 7 ) 其中，爵袭示噪声秘率，表示售弩秘率。 3 3 2 三种检测器的比较 一般假设“，声压的噪声致参) 愁均菹为零，方差为盯：，带宽为妒，长 度为r 懿蘩黻商薪自噪声；质点振逮鹣噤声罴均僮为零，方慧为疗：，繁 宽为矿，长度为t 的带限高斯白噪声。考虑如下三种检澳4 器： 基于声愿水听器的功率检测器f ： f ；虿1f p 2 每净 ( 3 _ 8 ) 基于质点振速水听器的功率检测器驴： 歹= 三 节：每瓷 (39)t 玉 、7 基于矢艟水听器的声能流检测器，： i 7 咐小狭a 糕天罕坝士罕憾佑义 ，= 喜p 白边 ( 3 郴) 蓿考虑如下的倍噪比定义： s n r 删g 嘲l 其中，s 为带巍w 内静信号功率，n 为带宽w 内静噪声功率。对予 三乏上 三种检测器，当1 t 1 1 时，其储噪比分别为： 蹲硼t 察圈 洚m 啤删s 圈 仔 黜，= 川g 霸别 ( 3 - 1 4 ) 豢蠢搽速捡测耩扩帮声能流狻溺器f 穗瓣予声莲捡测器芦翡壤盏分翻 为： g r ；s n r r s n r = 1 0 1 9 雾 卟洲，一姗，- = 1 0 1 9 瞬净 警噪声场为各向两性，即拶j * 盯：时，脊： j g ，= 1 0 1 9 4 6 w t ( 3 - 1 6 ) g f = 1 0 1 9 3 “毒缮 ( 3 - 1 7 ) 幽( 3 一1 6 ) o - 3 褥，声能流检测器的增益与对间带宽积聊1 的平方根成正 比，但内于实际上考虑信号和噪声的相关性，积分时间必须是有限的，信号 和噪声也都是带限魄，增益也不可携是无限鲍。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 3 编程仿真实现 在这里，用m a t l a b 软件实现三种检测器的增益仿真和实验数据验证结 果，其算法流程图如图3 2 所示 是 图3 2 增益实现流程图 3 3 4 增益仿真结果 图3 3 给出了振速检测器增益的理论曲线( 直线) 和仿真曲线( 圆圈) 。 图3 4 给出了声能流检测器增益的理论曲线( 直线) 和仿真曲线( 圆圈) 。由 图中可以看出，结果符合得很好。图3 5 为采集的某信号噪声抵消前和噪声 抵消后的频谱图，发射信号为8 0 0 h z 和3 k h z 的单频信号，信号带宽为 1 0 0 5 k h z ，可以看出噪声抵消的效果很好。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 痞 皇 声匏游检测器增益 ：0 ：6 ： 三器憾i ： 然 _ ： 毹 i ；) ； 6 ，： 泔+ 7 i 上 6 j (， ， 崩 _j i j 一j 图3 3 质点振速检测器的增益曲线图3 4 声能流检测器的增益曲线 “。j- k 。j 。j ( a ) 信号声压频谱图( b ) 信号声能流频谱图 图3 5 信号声压和声能流频谱图比较 3 4 目标的方位估计 3 4 1 压差式矢量水昕器的声能流定向原理n 6 7 1 1 ” 由n a v ie r - s t o k e s 方程导出的线性声学运动方程为 p 詈一卸 ( 3 _ 1 8 ) ( 3 - 1 8 ) 中，p 为介质密度，为振速，p 为声压，由上式可以推得x 方向 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上的搬遮分量“，可以由x 方向上熊的很近的两点( 心 翡声压篷p ；，p 2 逶经求褥 = 圭f 如一n 枷 ( 3 1 9 ) “，2 石j 慨一n 一 设爨撅潢足远场条传，嚣标声滚入越方晦与矢爨传感器毂位霆关系如隧3 + 6 辑示： 图3 。6 压差式矢豢蕊感器与爨撩穰墨懿关系示意匿 矢最传感器阵的蠲个阵元记为1 ，2 ，3 ，4 。设矢量转撩器阵的偶板予长 度为n ( 即阵元1 和3 的间距或2 和4 之间的间距) ，声速c ，信号频率为f 0 ， 目标方位角为毋，则4 个阵元的输如为： 胪枷m 一( 爿s m ( ，矧 。， 式中，i = 1 , 2 ，3 ，4 。a 。表示声压信母的幅度，这飘假设a ，= a ，在低频应用时， 矢量赞感嚣竣塞豹声暴售号为： p = p l + p 2 + 芦3 + p 4 圳c o s 哳料帮降 ) 咖疗卜 2 程 ) c o s 口 卜， “4 a c o s ( 2 顽o f j 由( 3 - 1 9 ) 得到： 剿： = a p l 圳豳陬硒 ：程 ) 叫( 3 - 2 2 ) m 4 剃侩 ) 咖( 2 嘁r ) c 。洲 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 驴l 警s i n 哳净p 净2 3 ) 由( 3 - 2 3 ) 和( 3 - 2 2 ) 可知，压差和振速“，均具有c o s 指向性，即k 含 有虬信息，它们之间只差了一个常系数，在工程实现上经常应用压差代替振 速。同理可以得到y 轴方向上的声压差： = p 2 一p 4 圳s t n 枷t n m 罢五) s ；n p c 。谢， 。4 剃f 罢厶1 。i n ( 2 矾f ) s m 口 同理可得，压差式矢量传感器阵输出的y 轴方向上的振速为： 驴1 警蜘哳如卜 净z 5 ) 由( 3 - 2 5 ) 和( 3 - 2 3 ) 知道，x 轴和y 轴方向上的振速呈两个正交的偶 极子指向性，其定向原理如图3 7 所示，先将声压信号p 傲9 0 。相移得到 p7 ，这是因为声压信号与振速信号相位相差9 0 。，这里相移可以通过h i i b e r t 变换实现，然后再分别与x ，y 轴方向上的声压差以，做相关处理，分别得