基于多级频谱分析和能熵比的应答器系统设计_王雷.pdf

第 50 卷 第 4 期2 0 2 3 年 4 月Vol.50，No.4Apr.2 0 2 3湖 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）基于多级频谱分析和能熵比的应答器系统设计王雷，马朝飞，张舒皓，高嘉淇（湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）摘 要：为解决传统应答器系统在模拟不同距离水下目标时易受强噪声干扰及转发时延精度不高的问题，提出一种粗-细两级波达时刻估计方法并开发一套高精度时延的可靠应答器系统.该系统主要由以信号采集、信号处理为主的上位机和以功率放大器、换能器为主的下位机组成.其中上位机利用多级频谱分析及其峰均比大于设定门限进行粗估计，初步获取信号的波头；再利用基于能熵比的双门限检测算法进行细估计，获得更精准的波达时刻，进而解决了时延不准的问题；最后，系统下位机通过 TCP 接收上位机传输的应答信号并在预定时刻应答回波信号.湖试结果显示，该系统的时延误差小于 40 ms，具有高精度的转发时延优势，并且在强噪声干扰下具有良好的鲁棒性.关键词：水声应答器；短时分析；信号特征；短时能熵比；端点检测中图分类号：TN955.2 文献标志码：ADesign of Transponder System Based on Multi-level Spectrum Analysis and Energy Entropy RatioWANG Lei，MA Chaofei，ZHANG Shuhao，GAO Jiaqi（College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）Abstract：To solve the problem that the traditional transponder systems are susceptible to strong-noise interference and the transmission delay accuracy is not high when simulating underwater targets at different distances，a coarse-fine two-stage arrival time estimation method is proposed，and a reliable transponder system with high precision delay is developed.The system is mainly composed of the upper system，which collects and processes signals，and the lower system，which amplifies and transducers.The upper system uses multistage spectrum analysis，and its peak ratio is greater than the set threshold for rough estimation，and the signal wave headis preliminarily obtained.Then，the double threshold detection algorithm based on the energy entropy ratio is used toacquire a more accurate arrival time by fine estimation.The problem of inaccurate delay is solved.Finally，the lower system receives the response signal transmitted by the upper computer through TCP and responds to the echo signal at a predetermined time.Lake trails show that the delay error of the system is less than 40 ms，and the system has the advantage of high-precision forwarding delay and has good robustness under strong-noiseinterference.Key words：underwater acoustic transponder；short-time analysis；signal characteristics；short-time energy-收稿日期：2022-08-30基金项目：湖南省自然科学基金资助项目（2022JJ10013），Natural Science Foundation of Hunan Province（2022JJ10013）；湖南省湖湘青年科技创新人才资助项目（2021RC3059），Hunan Youth Science and Technology Innovation Talents Program under Project（2021RC3059）作者简介：王雷（1988），男，河南洛阳人，湖南大学教授，博士 通信联系人，E-mail：zsh_文章编号：1674-2974（2023）04-0147-08DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2023224湖南大学学报（自然科学版）2023 年entropy-ratio；endpoint detection在全球资源严重短缺的大环境下，海洋资源的开发和利用成为解决陆上资源、人均土地资源等问题的关键因素1.主动声呐探测系统作为水下目标探测的关键技术之一，在军事国防、水下资源的开发利用等方面取得了广泛的应用.在主动声呐探测系统开发过程中，采用实际探测目标验证系统性能非常困难且不经济，一般采用水声应答器来模拟水下目标的距离、目标强度等信息，从而简化主动声呐探测系统的性能测试过程2.主动声呐目标探测系统主要利用探测信号与回波信号的时间差来获取目标的距离信息，因而精准延迟转发探测信号是应答器系统模拟不同距离目标的关键技术之一.针对上述需求，本文设计了一种接收探测信号并定时应答的应答器系统.声波作为探测信号传输的载体，在水下信道传播过程中存在可用带宽窄、多径现象、多普勒频移、背景噪声复杂等特性3-4，这些特性将导致发射探测信号出现严重畸变，大大增加了应答器系统检测接收信号的难度.因此，为使应答器系统在上述恶劣环境下配合主动声呐探测系统完成不同距离目标的探测，本文设计并实现了一种目标强度、应答时延等参数灵活可调，可稳定检测信号并准确判别波达时刻，进而按预设时延发射应答信号的应答器系统.国内外学者2，5-6提出了多种软硬件结构不同的水声应答器系统.文献 2 提出一种模拟目标的水声应答器系统，该系统能实现声源级不小于150 dB，带宽 95 105 kHz 的信号应答，但由于水声信道衰减的特性3，高频、声源级 150 dB 左右的水声信号很难实现远距离目标探测.为实现带噪信号的稳健检测，文献 7-9 提出多种不同信号检测算法.文献 9 对声呐系统接收的回波信号进行频谱分析处理，结果表明在一定信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR）下，信号在背景噪声中可以被明显识别，但在远距离低 SNR 水声环境下，单级频谱分析易出现误判问题.1948 年，Shannon提出“信息熵”的概念，将“熵”引入信号处理领域，用于度量某变量的不确定性10，随之许多学者利用信号谱熵特征进行了相关端点检测算法探索.文献 9 提出一种基于谱熵的语音端点检测算法，指出基于谱熵法的语音端点检测方法具备计算量小，在复杂噪声、低 SNR 下仍能保持较好端点判别效果的特性，仿真实验证明在 SNR 低于 0 dB 下，该算法仍具有大于 90%的检测率.文献 11 利用双门限检测结构设计了一种二次雷达接收机，实验测试表明基于双门限检测的接收机能够降低噪声等干扰信号的影响，并在输入信号强度为-60 dB 的仿真实验中仍能有效地接收信号，但水声信号相对于空中信号更易发生畸变，大幅增加了检测难度.基于上述理论及问题，本文针对水声信道特性，提出一种粗-细两级波达时刻估计方法，该方法使得本文提出的应答器系统可以实现水下探测信号的稳定判别及获得精准的波达时刻.该应答器系统可以实现对主动声呐探测系统发出的特定范围种类信号，如单频信号、线性调频信号等不同信号体制，进行稳定检测并判别探测信号波达时刻、转发接收信号或理想信号、自主调整转发信号时延等.该应答器利用工控机进行实时信号采集、数据处理，通过 LabVIEW 实现判别信号显示与参数控制.多级信号判决与检测的算法结合高效率、高功率输出的功率放大器、换能器等硬件使得本应答器具备更精准的时延转发功能和更良好的鲁棒性.与传统应答器相比，本文提出的应答器系统可以长时间稳定判决与应答，其应答信号频率更低、声源级更高、声源级范围更广，转发时延控制更精准，在湖试与海试中具有更广泛的应用价值.1 应答器系统设计1.1 总体结构设计本文提出的应答器系统结构如图 1所示，主要包括水听器、换能器、信号调理器、工控机和显示器.水听器作为该系统的信号接收模块，实现声信号到电信号的变换；工控机作为该系统的数据处理模块，其主要实现判别探测信号及波达时刻、利用TCP网络协议将应答信号数据传至功率放大器，并控制换能器准时应答；换能器接收发波指令后发出应答信号；信号显示模块利用LabVIEW软件构建图形化界面，该界面显示应答器系统的实时采集波形、判别结果、应答波形、接收声压级、应答声源级等信息.结合上述结构，本文设计的应答器系统运行流148第 4 期王雷等：基于多级频谱分析和能熵比的应答器系统设计程如下所述.首先，声呐系统发出某特定范围类型的随机时长、频率信号，由应答器系统的水听器接收该信号，经采集模块实现模数转换，进而将数字信号传送至工控机的数据处理模块；数据处理模块对采集的每帧信号进行频谱分析，当连续3帧信号频谱能量最大值均超过设定阈值，则计算3帧信号的峰均比，若峰均比超过设定峰均比阈值，则代表探测信号到达，取3帧信号频谱能量最大值的平均为本次接收信号的频率，并将该3帧信号所在信号时段作为粗估计结果.之后使用双门限端点检测模块进行细估计，判别本次接收信号的起点和终点，计算本次信号时长，工控机在预定时刻通过TCP协议将应答信号数据传输至功率放大器，最终由换能器实现特定目标强度的声信号应答.本系统利用 LabVIEW 设计了人机交互的图形化界面，应答器系统通过工控机将采集的探测信号、应答信号、频谱分析、端点检测等判别结果均显示在该界面，如图2所示.同时，通过上述判别结果，用户可以通过该界面实时调整判别阈值等参数，提高系统的可靠性.1.2 应答器软件程序设计本文提出的应答器系统主要用于配合主动声呐探测系统探测不同距离目标，其通过粗-细两级波达时刻估计方法获得精准的探测信号波达时刻.与陆上信号不同，水声信道存在多径效应、复杂噪声等信号干扰问题12-13.为提高应答器系统检测水下探测信号的可靠性，本系统首先利用多级频谱分析算法实现波达时刻的粗估计，具体流程如图3所示.1）信号采集为实现实时信号检测，本文设计的应答器系统对每一帧分别进行处理.设该帧接收信号为x（n），且一帧数据采样点数为N.2）计算每帧信号的声压谱级X(k)=fft x(n)=n=1Nx(n)e-2i(n-1)(k-1)/N（1）式中：X（k）代表信号x（n）对应频谱.则当前帧信号的各个谱级声压级P（k）可表示为：P(k)=10lg(2Nfs|X(k)|2)-G（2）式中：k=Nf