基于形態(tài)濾波的水聲通信多音喚醒信號(hào)檢測(cè)方法*

唐立赫，張錦燦，王志欣

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

水聲通信機(jī)通常部署在水下固定或移動(dòng)平臺(tái)，依靠平臺(tái)提供的能源進(jìn)行信號(hào)發(fā)射和接收。由于水下平臺(tái)能源十分有限，通常要求在沒(méi)有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，水聲通信機(jī)保持在低功耗狀態(tài)，核心處理模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)，僅依靠低功耗值班電路維持喚醒信號(hào)檢測(cè)功能，檢測(cè)到喚醒信號(hào)后值班電路才啟動(dòng)核心處理電路，進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)雜運(yùn)算，完成通信信號(hào)的解析處理，因此水聲通信機(jī)能否準(zhǔn)確捕獲喚醒信號(hào)十分重要[1]。海洋環(huán)境中各種噪聲會(huì)影響到喚醒信號(hào)的捕獲準(zhǔn)確性，因此，本文將形態(tài)濾波方法引入到水聲通信機(jī)喚醒信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中。形態(tài)濾波方法相比于其他方法，在處理過(guò)程中可估計(jì)出噪聲包絡(luò)，同時(shí)保證信號(hào)幅度不畸變、相位不偏移，可以提高水聲通信機(jī)捕獲喚醒信號(hào)的準(zhǔn)確性[2-5]。

1 水聲通信多音喚醒信號(hào)

一般的水聲通信信號(hào)格式如圖1所示，喚醒信號(hào)與后續(xù)同步信號(hào)和數(shù)據(jù)之間會(huì)存在多途保護(hù)間隔。常用的喚醒信號(hào)有線性調(diào)頻信號(hào)、單音信號(hào)、多音信號(hào)。線性調(diào)頻信號(hào)需通過(guò)匹配濾波方法捕獲，但濾波器輸出信號(hào)的檢測(cè)閾值配置需根據(jù)試驗(yàn)條件動(dòng)態(tài)調(diào)整，環(huán)境適應(yīng)性較差；單音信號(hào)檢測(cè)通常無(wú)需進(jìn)行時(shí)頻變換，使用陷波濾波器（Notch filter）實(shí)現(xiàn)，但存在一定的漏檢和誤檢風(fēng)險(xiǎn)；多音信號(hào)兼顧算法計(jì)算復(fù)雜度和捕獲準(zhǔn)確性，是一種常用的水聲通信喚醒信號(hào)類型。

圖1 水聲通信信號(hào)一般格式

多音信號(hào)是在水通機(jī)工作頻帶內(nèi)，選取多個(gè)不同頻率正弦波信號(hào)疊加形成的。假設(shè)不同頻率個(gè)數(shù)為M，則多音喚醒信號(hào)xawaken(t)的計(jì)算公式為：

式中：Ak，fk，θk和tk分別為第k個(gè)正弦波的幅值、頻率、初始相位和信號(hào)持續(xù)時(shí)間。在M=3時(shí)，喚醒信號(hào)功率譜如圖2所示。

圖2 M=3的多音喚醒信號(hào)功率譜

多音喚醒信號(hào)的檢測(cè)通常采取頻域能量過(guò)門限檢測(cè)，即通過(guò)分析接收信號(hào)的頻譜，根據(jù)某些已知頻點(diǎn)上是否存在約定的信號(hào)，來(lái)判斷是否接收到了喚醒信號(hào)，處理流程如下：

（1）通過(guò)快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）獲得待檢測(cè)信號(hào)的頻譜Y(ω)；

（2）根據(jù)采樣率和FFT點(diǎn)數(shù)獲得頻率分辨率，并計(jì)算Y(ω)對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)fk處的頻域能量Pk；

（3）計(jì)算接收信號(hào)通信頻帶內(nèi)噪聲能量均值Pn；

（4）定義GT為頻點(diǎn)檢測(cè)閾值，如果Pk/Pn>GT，即對(duì)應(yīng)頻率的頻域能量與噪聲能量的比值大于檢測(cè)閾值時(shí)，則判定為檢測(cè)到對(duì)應(yīng)頻率信號(hào)；

（5）如果M個(gè)單頻信號(hào)均檢測(cè)到對(duì)應(yīng)頻率信號(hào)，則判定成功捕獲喚醒信號(hào)。

在外場(chǎng)試驗(yàn)中，多音喚醒信號(hào)受到水聲信道頻率選擇性衰落、航船及環(huán)境噪聲、水聲通信機(jī)換能器接收靈敏度曲線不平坦的綜合作用，噪底高低起伏，導(dǎo)致頻點(diǎn)檢測(cè)閾值GT確定困難，造成了喚醒信號(hào)捕獲困難的情況[6]。

2 形態(tài)濾波方法

形態(tài)濾波器不同于傳統(tǒng)的帶通濾波器，是一種廣泛應(yīng)用于圖形和機(jī)器視覺(jué)問(wèn)題分析的數(shù)學(xué)工具，它采用一套獨(dú)特的運(yùn)算來(lái)描述圖像的結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)尋找圖形中各元素與各部分之間的關(guān)系來(lái)解決圖形噪聲抑制、特征提取、邊緣檢測(cè)、圖像分割等問(wèn)題[7]。

形態(tài)濾波器的基本思想是利用一個(gè)矩形（或圓形）結(jié)構(gòu)元素探針來(lái)收集圖像的信息，操作探針對(duì)圖形進(jìn)行掃描，可根據(jù)圖像各個(gè)部分間的相互關(guān)系來(lái)了解圖像的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)，運(yùn)用結(jié)構(gòu)元素探針修改信號(hào)局部特征，抑制接收信號(hào)頻譜中的峰值、低谷噪聲，以及白噪聲，獲得信號(hào)更本質(zhì)的形態(tài)[8,9]。

形態(tài)濾波器包含膨脹（Dilation）、腐蝕（Erosion）、開（Opening）和閉（Closing）4種基本運(yùn)算。設(shè)E為待處理圖像，B為結(jié)構(gòu)元素探針，4種運(yùn)算符的定義如下：

將待檢測(cè)信號(hào)的功率譜看作為圖像輸入，膨脹運(yùn)算會(huì)減小信號(hào)頻譜的谷值，擴(kuò)寬峰頂；而腐蝕運(yùn)算則會(huì)降低信號(hào)的峰值，加寬谷域。腐蝕運(yùn)算通過(guò)最小值濾波器，獲得功率譜的下包絡(luò)，膨脹運(yùn)算通過(guò)最大值濾波器，獲得功率譜的上包絡(luò)。

先腐蝕后膨脹的過(guò)程稱為開運(yùn)算，開運(yùn)算通常可以剔除圖像結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，使圖像輪廓平滑，可剔除功率譜中的混響小分支；先膨脹后腐蝕的過(guò)程稱為閉運(yùn)算，閉運(yùn)算一般能融合功率譜窄小、細(xì)長(zhǎng)的缺口，填補(bǔ)功率譜輪廓上的縫隙[10]。

3 工作原理

為實(shí)現(xiàn)算法功能驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一款以國(guó)產(chǎn)ARM芯片GD32F450為核心的水聲通信機(jī)，該水聲通信機(jī)主要由值班模塊、處理模塊、前放模塊、功放模塊、換能器和電子艙等組成，完成水下通信信號(hào)編碼發(fā)射與解調(diào)解譯等工作，其工作原理如圖3所示。

圖3 工作原理

執(zhí)行接收任務(wù)時(shí)，首先對(duì)收發(fā)合置換能器收到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、采集與檢測(cè)，檢測(cè)到喚醒信號(hào)后，值班電路為主處理模塊上電；其次進(jìn)行同步檢測(cè)、解調(diào)與解碼等處理，將解析出的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給上位機(jī)，期間關(guān)鍵數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)需要存放至存儲(chǔ)單元。

接收到上位機(jī)水聲通信信號(hào)發(fā)射任務(wù)時(shí)，首先對(duì)待發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、調(diào)制，產(chǎn)生模擬信號(hào)；其次通過(guò)功放模塊將信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)換能器進(jìn)行信號(hào)發(fā)射。

4 海上試驗(yàn)驗(yàn)證

2021年12月，三亞崖州灣海域開展了水聲通信試驗(yàn)，在10 km距離針對(duì)喚醒信號(hào)進(jìn)行的檢測(cè)中，未采用形態(tài)濾波算法時(shí)，受到水聲信道、環(huán)境噪聲及系統(tǒng)本身電噪聲影響，采集到的喚醒信號(hào)噪底上下起伏，變化很大，如圖4所示，造成了疊加在噪底上的多單音喚醒信號(hào)累積功率譜（dB）和幅值相差較大，無(wú)法通過(guò)統(tǒng)一的檢測(cè)閾值來(lái)判定是否接收到喚醒信號(hào)。

圖4 原始喚醒信號(hào)功率譜

通過(guò)形態(tài)濾波方法，對(duì)水聲通信機(jī)采集到的喚醒信號(hào)功率譜的環(huán)境噪底進(jìn)行擬合，如圖5所示，圖中下方曲線是形態(tài)濾波方法擬合出的噪底曲線。可以看出，環(huán)境噪聲的變化趨勢(shì)較好地反映在噪底曲線中。

圖5 形態(tài)濾波估計(jì)出的噪底

將原始功率譜與估計(jì)出的噪底曲線進(jìn)行相減處理，即可得到形態(tài)濾波后的累積功率譜，如圖6所示，從圖中可以看到，在濾除了噪底包絡(luò)后，3個(gè)單音喚醒信號(hào)更加突出，也更容易通過(guò)配置檢測(cè)閾值完成喚醒信號(hào)的捕獲。

圖6 形態(tài)濾波后的功率譜

在南海崖州灣開展的試驗(yàn)中，試驗(yàn)海域水深30～50 m，水聲通信機(jī)布放深度約10 m，在3～10 km距離上對(duì)多音喚醒信號(hào)的形態(tài)濾波捕獲方法的效果進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了其有效性。圖7為拉距測(cè)試所選取的點(diǎn)位衛(wèi)星定位信息。

圖7 試驗(yàn)海域

水聲通信機(jī)采用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所自研水聲通信機(jī)，通過(guò)凱夫拉繩子吊放與兩試驗(yàn)船船舷位置，采用筆記本電腦軟件進(jìn)行指令與數(shù)據(jù)交互，搭建雙向水聲通信鏈路，水聲通信機(jī)如圖7所示。

分別在5 km、7 km和10 km重復(fù)發(fā)射信號(hào)30次，均可實(shí)現(xiàn)喚醒信號(hào)檢測(cè)，檢測(cè)概率均為100%，驗(yàn)證了本方法信號(hào)檢測(cè)有效性。圖9為海試10 km信號(hào)時(shí)域波形，在兩條豎線中間為檢測(cè)到的喚醒信號(hào)位置。

圖8 水聲通信試驗(yàn)設(shè)備

圖9 喚醒信號(hào)位置

圖10和圖11分別為海試7 km和10 km距離上喚醒信號(hào)形態(tài)濾波前后檢測(cè)結(jié)果。

圖10 7 km距離的海上試驗(yàn)喚醒信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

圖11 10 km距離的海上試驗(yàn)喚醒信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了常用水聲通信信號(hào)喚醒信號(hào)形式和檢測(cè)方法，提出了適用于水聲通信機(jī)的多音喚醒信號(hào)形態(tài)濾波檢測(cè)方法，形成了一套新的水聲通信機(jī)喚醒信號(hào)捕獲流程。通過(guò)開展海上試驗(yàn)，證實(shí)了形態(tài)濾波方法的加入，更能夠在累積功率譜上凸顯信號(hào)和抑制噪聲。試驗(yàn)結(jié)果也表明，該方法能在復(fù)雜海洋環(huán)境噪聲情況下，以較低的算法復(fù)雜度提供較高的檢測(cè)概率，并顯著降低了喚醒信號(hào)檢測(cè)閾值配置復(fù)雜度。