本發(fā)明涉及水聲信號設計和檢測，尤其是涉及一種海洋儀器安全信標的水聲信號設計和檢測方法。

背景技術：

隨著海洋資源開發(fā)和海洋科學研究近年的不斷發(fā)展，在海洋環(huán)境中使用的儀器和設備也越加豐富和頻繁，同時一些貴重儀器或設備在海洋環(huán)境中的意外丟失的幾率也隨之增加，而由于海洋環(huán)境的特殊性，儀器設備甚至作業(yè)人員落水后搜尋往往十分困難，因此，在貴重儀器或設備中往往需要加入水聲信標等安全裝置以便搜尋。([1]楊松,張瓊，曲元鑫，曲加圣.水聲信標在救助與打撈中的應用[j].中國應急救援,2015,(4):48-50.)

海洋儀器中水聲信標是為海洋環(huán)境工作人員或重要海洋儀器落水后進行搜索與打撈提供判斷依據和位置信息所設計，為救助與打撈節(jié)省人力與時間。傳統(tǒng)水聲信標等安全裝置中的信號設計往往采用較為簡單的cw(continuouswave)單頻脈沖，通過能量和頻率測量達到檢測目的，如現有飛機上的黑匣子水聲信標，即采用單頻脈沖作為發(fā)射信號。但是，水聲信道是極復雜的信道，因多途效應、頻散效應、海水介質的不均勻性、邊界不平整性等均會引起聲信號在信道中的起伏和畸變，因此，水聲信號設計需要考慮在不同復雜信道環(huán)境下均能檢測到的寬容性。([2]李啟虎.聲納信號寬容性檢測指數的初步分析[j].應用聲學,2013,32(3):217-223.)使用cw單頻脈沖信號在水聲信道傳輸中會存在嚴重畸變甚至被噪聲淹沒等問題，從而影響檢測端的有效檢出或造成虛警，即cw單頻脈沖信號寬容性較差，容易與水聲信道的極端復雜性失配，從而降低檢測有效性。

本發(fā)明設計兩個雙曲調頻(hyperbolicfrequencymodulated，hfm)信號組合加保護間隔作為發(fā)射信號。與cw單頻脈沖信號相比，hfm信號具有更好的相關性和多普勒不變性，因此在復雜多變的水下環(huán)境中擁有更好的檢測能力，兩個hfm信號的組合還能計算出多普勒頻移。hfm信號的調頻規(guī)律為雙曲函數，設信號時長為t，幅值為a，起始頻率為f1，結束頻率為f2，則hfm信號可表達為：

其中斜率為：

hmf信號做匹配相關后可以產生尖銳的相關峰，而海洋噪聲之間的相關性則很小，因此通過相關檢測的方法可以簡單、有效地檢測出發(fā)射端信標中的發(fā)射信號。但由于水聲信道的時、空、頻變特性和海洋噪聲的影響會造成相關峰值的起伏，傳統(tǒng)劃定固定門限的檢測方法可能造成信號的漏檢或虛警。本發(fā)明正是基于hmf信號的相關性和多普勒不變性，并對水聲信道中噪聲的進行有效值計算，使得門限可根據歸一化的相關峰值和信號有效值的比值自動進行調整，從而減小了虛警概率。設ri為通過水聲信道后的接收信號，ci為本地hfm信號，l為本地hfm數字信號的長度(1≤i≤l)，水聲信道假設為帶噪聲的瑞利衰落信道，則有：

ri＝ae^jθci+ni

其中，a為經過水聲信道后的幅度變化，服從瑞利分布，θ為相位誤差，ni為信道中疊加的高斯白噪聲序列。設ds為接收數字信號與本地上掃頻雙曲調頻副本信號hfm1做相關運算，得到的歸一化相關峰值(相關峰值除以l)，則有：

其中r(0)為副本信號歸一化的自相關峰值，同樣可得到接收信號的有效值rs為：

在水聲信道中噪聲與hfm信號的相關性很低，且噪聲有效值較小(仿真結果表明信噪比在-20db以上)的情況下，上述接收信號歸一化的相關峰值與接收信號有效值的比值w可表達為：

可見當接收檢測端接收到信號時，w值與hfm信號的相關峰值有關，是一個較大的值；而在僅有噪聲的情況下，采用相同算法計算得到的噪聲與本地信號的歸一化相關峰值與噪聲有效值之比k值則相對較小且比較穩(wěn)定。根據以上公式，可根據k值的大小設定閾值來判定是否有信號，與傳統(tǒng)簡單幅度等門限判斷方法相比較，該方法所獲得的閾值較為穩(wěn)定。

hfm信號除了具有較尖銳的相關峰，另一個優(yōu)點是多普勒不變性。多普勒不變性表現為有多普勒的時頻曲線與沒有多普勒的時頻曲線形狀一致，即時頻曲線只是時間上整體偏移，因而即使在發(fā)生多普勒頻移時也具有較好的相關性。利用上掃頻和下掃頻2個雙曲調頻信號(hfm1和hfm2)接收后的相關峰偏移時間δt可以計算出擬監(jiān)測的海洋儀器安全信標端相對檢測端的移動速度v為(其中c為水聲信道中的平均聲速)，從而大致得知安全信標的方位：

可見，利用雙曲調頻信號的相關特性和多普勒不變性，通過計算水聲信道的多組噪聲有效值得到先驗的噪聲估計，可以有效的檢測信號并計算出相對移動速度([3]張學森,孔繁慧，馮海泓.用雙曲線調頻信號實現水聲通信的頻偏估計和同步[j].聲學技術,2010,29(2):210-213)。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種海洋儀器安全信標的水聲信號設計和檢測方法。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)安全信標中的水聲信號發(fā)射端設計上掃頻和下掃頻2個雙曲調頻信號(hfm1和hfm2)并加入保護間隔后依序組合在一起，生成組合信號；

2)安全信標中的水聲換能器將步驟1)生成的組合信號轉換成聲波在海洋水聲信道中擴散傳輸；

3)信號接收檢測端通過水聽器或水聽器陣列將水聲信道中傳播的聲信號接收，經前置放大、濾波和模/數轉換電路后得到接收數字信號；

4)將步驟3)所得的接收數字信號與本地參考上掃頻雙曲調頻信號hfm1(信號長度為l)做滑動相關運算，得到歸一化的相關峰值平均值ds值(相關峰值除以l)，同時計算步驟3)所得的接收數字信號的有效值得到rs；

5)將步驟4)所得的歸一化的相關峰值平均值ds值與接收數字信號有效值rs相除得到比值w；

6)在信號未到達時獲取水聲信道的噪聲采樣信號樣本并計算與本地上掃頻雙曲調頻副本信號hfm1做相關后的歸一化的相關峰值dn1值，同時計算噪聲信號有效值rn1，求dn1和rn1將比值k1，獲取y個噪聲采樣并通過同樣的算法得到k2，k3……ky；所述y為噪聲采樣樣本數量；

7)將步驟6)所得的k2，k3……ky值統(tǒng)計經驗概率分布并計算均值作為信號檢測的閾值th；

8)將步驟5)所得的比值w與步驟7)所得的閾值th比較，若w大于th，則判斷有檢測出信號，并可根據步驟7)所得的經驗概率分布得到虛警概率；

9)在步驟8)檢測端檢出信號的基礎上，將步驟3)所得的接收數字信號分別與本地上掃頻hfm1和下掃頻hfm2副本信號做相關運算，得到兩個相關峰的最大時刻t1和t2；

10)將步驟9)所得的t1和t2的計算相關峰時間偏差δt,進而計算安全信標與檢測端的相對移動速度。

在步驟1)中，所述安全信標中的水聲信號發(fā)射端設計上掃頻和下掃頻2個雙曲調頻信號的起止頻率由換能器帶寬確定。

在步驟4)中，所述歸一化的相關峰值是指將相關峰值除以本地參考數字信號的長度l。

在步驟6)中，y值應取較大以保證較多樣本使經驗概率分布接近實際概率分布。

本發(fā)明采用兩個雙曲調頻信號組合作為發(fā)射信號并且通過預估噪聲有效值以達到自動門限檢測從而減小虛警概率的方法，同時該方法可計算出擬監(jiān)測的海洋儀器安全信標與接收端信標之間的相對速度，從而大致得知安全信標的方位。

與現有水聲信標等安全裝置中的信號設計與檢測方法相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1)信號設計采用雙曲調頻信號具有尖銳的相關峰，且與水聲信道噪聲的相關性很小，能夠在低信噪比下檢測信號，且雙曲調頻信號具有多普勒不變性，可用于計算相對移動速度。

2)本發(fā)明是利用計算接收信號歸一化的相關峰值和有效值比值的方法能設定合理閾值并得到虛警概率，解決了現有固定門限檢測的虛警或漏檢的問題，本質上是通過計算水聲信道噪聲的有效值實現動態(tài)的調整相關峰檢測門限，解決了相關峰固定門限檢測與水聲信道環(huán)境失配所造成的虛警或漏檢的問題。

3)本發(fā)明具有廣泛的應用前景。包括在飛機黑匣子上的水聲信標設計和檢測、在所有貴重海洋儀器、水下潛器、潛水員等上均可采用本發(fā)明的水聲信號設計和檢測方法進行水聲信標等安全裝置的設計。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的原理示意圖。

圖2為設計信號的時頻示意圖。

圖3為接收檢測端的信號檢測流程圖。

圖4為根據圖3仿真計算10000組噪聲副本的kj(1≤j≤y＝10000)，統(tǒng)計得到的經驗概率分布直方圖。

圖5為在多個信噪比下，根據圖3計算方法接收信號ri和接收噪聲ni分別計算所得到的w和k值的仿真結果圖。

圖6為在檢測有信號的條件下，接收信號與上下掃頻兩組雙曲調頻信號hfm1和hfm2相關波形。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

圖1為本發(fā)明實施例的原理示意圖。首先，在海洋儀器上的水聲信標的發(fā)射端發(fā)射可根據換能器帶寬設計的如圖2的上下掃頻2個雙曲調頻信號(hfm1和hfm2)，并通過發(fā)射換能器轉換成聲波在海洋水聲信道中擴散傳輸。在實際中信號設計時長要綜合考量信噪比和功耗，選取合適的時長，如在仿真中采用上下掃頻的信號長度均為50ms，保護間隔可根據水聲信道的多途時延擴展而設定。

在接收檢測端通過水聽器或水聽器陣列將水聲信道中傳播的聲信號接收經前置放大、濾波和模/數轉換電路后得到接收數字信號ri(1≤i≤l)，如圖3所示將接收數字信號與本地上掃頻雙曲調頻副本信號hfm1做相關運算，得到的歸一化的相關峰值ds值，同時計算接收數字信號的有效值得到rs，最后計算得到比值w，即有：

同時，如圖3中需要對水聲信道中的噪聲特性有先驗計算，采集y個噪聲信號，利用和接收信號相同的計算方法得到y(tǒng)個kj值，根據這y個kj值可以統(tǒng)計得出如圖4所示的噪聲k值的經驗概率分布，y的值越大，得到的經驗概率分布統(tǒng)計越接近實際概率分布，實際中一般y值不小于100，仿真中則采用10000個噪聲樣本。

由圖5的仿真結果可以看出，在信噪比大于-20db時,接收信號計算得到的比值w要比噪聲副本計算的比值k大，具有顯著的區(qū)分度，因此根據k值設定合適的固定閾值，即可作為判斷檢測信號有無的依據。在圖3中采用將y個kj值的平均值作為閾值th,其實根據圖4可知選定閾值后即對應知道虛警概率，選取越高的閾值，虛警概率越低，但有漏檢的可能。從圖5可見，當信噪比大于-20db時,可以選取y個kj值中的最大值kmax作為閾值，即th＝kmax，可使得虛警概率為0。

如圖6所示，雙曲調頻信號具有很好的相關峰，但因水聲信道的復雜性可能造成峰值起伏，而接收數字信號分別與本地上掃頻hfm1和下掃頻hfm2信號做相關運算，得到兩個相關峰的最大時刻t1和t2，即可算出相關峰的時間偏移量δt＝t2-t1-t-tp，其中tp為信號保護間隔時長，將其代入圖3中的公式即可求得設備安全裝置與檢測端的相對移動速度v，根據相對移動速度v可大致得知安全信標的方位。

本發(fā)明在以往水聲信標等安全裝置較為簡單的信號設計和檢測的基礎上，提出采用上下2個掃頻信號組合作為信號設計，其尖銳的相關峰和多普勒不變性有利于在低信噪比和發(fā)生多普勒頻移情況下的信號檢出，同時采用計算噪聲信號歸一化的相關峰值和有效值的比值k的方法能設定合理閾值并預估虛警概率，解決了現有依靠相關峰固定門限檢測的虛警或漏檢的問題。利用該檢測方法，能大大降低檢測時的虛警概率，同時計算得到的相對移動速度提供的大致方位信息也能為發(fā)現海洋儀器或設備提供線索和依據。

在圖1中，設計的信號由安裝在海洋儀器上的水聲信標發(fā)射端發(fā)出，接收端通過算法檢測信號并估計相對移動速度。

在圖2中，設計的信號由上掃頻和下掃頻兩組雙曲調頻信號hfm1和hfm2組成，信號時長為t(數字化得到的數字信號采樣數為l)，起始頻率為f1，結束頻率為f2。

在圖3中，計算方法主要有相關運算和有效值(rms)計算，其中ri為信號到來時的接收信號，ci為本地雙曲調頻信號hfm1的序列，ni為信號未達時采集的噪聲副本序列，1≤i≤l，l本地hfm1信號序列的采樣數，計算噪聲的經驗概率分布要求噪聲采樣副本越多越好，即y值應取較大值(實際中y≥100)；在檢測出信號的基礎上可計算相對移動速度v，其中δt為兩組相關峰值的時間偏移量，在圖6中有進一步說明，c為水聲信道中聲速平均值。

在圖4中，仿真中采用高斯白噪，采樣噪聲副本時長為50ms，本地選取調頻信號hfm1的幅值為1，f1＝3khz,f2＝8khz。

在圖5中，表明信噪比在-20db以上時，w和k值具有很好的區(qū)分度，可用k值設定門限區(qū)分出有效的w值，仿真條件同圖4。

在圖6中，兩組相關峰對應的時間為t1和t2，圖3中的時間偏移量δt＝t2-t1-t-tp，其中tp為信號保護間隔時長。