一種基于非線性濾波器的激光致聲信號識別方法

王永超 韓 東 李 利

(海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

1 概述

近年來，隨著海洋活動日益增多，水聲通信的應用日益廣泛。激光致聲技術作為一種新興的水聲通信技術，在水下數據傳輸、水下機器人遙控、水文數據采集等領域都有廣泛的應用。其原理是利用激光束照射水面，當激光的能量和功率超過某一閾值時，會在水中產生聲波[1]。

如果對激光的作用時間進行控制，使其以固定的時間間隔向水面照射，就能夠在水中產生周期性的聲波脈沖信號，通過編碼就可以實現信息在水下的傳輸。在接收端，接收器對每個約定的時間間隔進行檢測，如果檢測到聲波脈沖則判定為收到碼元1，如果未檢測到聲波脈沖，則判定收到碼元0，進而實現水上與水下的通信。

2 波形識別方法

由于激光脈沖的作用時間極短，因此這段時間在分析中可以忽略不計[2]。激光脈沖作用于水面后，會使水中在極短的時間內產生一個聲波脈沖信號，該信號的振動幅度隨時間衰減(圖1)。

圖1 激光致聲信號

根據聲波脈沖信號的時域波形特點，可以利用非線性濾波器對信號濾波，從而得到各個脈沖信號在時間軸上的起始位置。在后續分析中可以根據識別到的時間軸位置信息確定連續兩個聲波脈沖信號的時間間隔，進而判斷其間是否存在碼元0并實現譯碼。下面介紹利用非線性濾波器對聲波脈沖信號的進行識別和定位。

2.1 信號預處理

在接收器采集信號的過程中，環境背景噪聲、系統噪聲都會對接收信號產生影響，進而干擾后續的分析結果。另外，在分析過程中往往并不需要采集信號的全部信息，在很多情況下只需提取信號中的部分信息即可完成分析，因此在分析前需要對信號進行預處理。

2.1.1 去基線

2.1.2 信號取絕對值

去噪信號s 能夠反映激光作用于水面后產生的聲波波形，通過對s 進行識別，能夠確定每個激光脈沖作用于水面的時間。從圖1 中可以看到，短時間內聲波信號快速上下震蕩，但信號的幅度變化不大，在識別過程中需要用到信號的幅度信息，所以要去除信號在震蕩中符號的影響，因此對s 取絕對值，得到信號的幅度信息|s|(圖2)。

圖2 信號幅度

2.2 非線性濾波

聲波信號在時域波形上區別于背景噪聲，通過設計非線性濾波器對其特征進行提取，當一個濾波器窗口內的各個特征都符合預設閾值時，即認為當前窗口中存在一個由激光引發的聲波脈沖信號，進而根據這些特征在時間軸上的位置確定聲波脈出現的時間。

2.2.1 濾波器設計

非線性濾波器對窗口內的信號進行非線性濾波，從而提取需要的特征，特征的選取由信號本身的特性決定。在工程中，往往選取信號中與背景噪聲區分度較大的時域或頻域特征作為目標特征。通過觀察圖2 中的信號可以發現，每個聲波脈沖在出現時存在明顯的上升沿，且震蕩幅度在短時間內大幅增加，之后隨時間逐步衰減。該時域特點明顯區別于無脈沖時的背景信號，針對這一時域特點設計非線性濾波器，并對特征進行提取。設濾波器窗口滑至第i 個采樣點時，窗口對|s|截取的部分為|Wi|，截取的點數為N1，共設置三個特征：

其中M1、M2為求和區間的邊界，k 為下標，a 為常系數，由實驗環境、激光源功率等多種因素決定，本文中a 的值為3。

3 結果分析

利用該方法分別在實驗室平靜水面及海邊有浪水面條件下進行了實驗，實驗中把聲源和接收器的距離設置為5m，10m，15m，20m，25m，分別測試不同距離時算法對信號的識別率。激光器功率為3w，識別結果如表1 所示。

圖3 聲波脈沖信號定位結果

表1 不同條件下激光致聲信號識別率

從結果可以看到，平靜水面環境下信號的識別率高于海邊有浪環境，原因是海邊水下環境噪聲較大，易對信號的波形造成干擾，同時水下環境比較復雜，對聲波的傳輸造成遮擋、反射、折射等干擾，導致接收信號發生畸變，致使識別率下降。從距離因素看，由于激光器功率有限，在10m 范圍內接收器能夠接收到幅度較強的聲波信號，在此范圍之外聲波信號的幅度隨距離快速衰減，與平靜水面環境相比，海邊有浪環境下信號幅度衰減更快，所以隨著信號源與接收器距離增加，識別率逐步下降。

4 結論

本文提出了一種基于非線性濾波器的激光致聲信號識別方法，算法簡單易于實現，對于激光致聲產生的聲波脈沖信號具有較好的檢測及定位效果。算法的缺點是對于噪聲的抗性不強，對較復雜水下環境的聲波識別率較低。