次聲信號處理軟件設(shè)計與實現(xiàn)

劉守文，王志峰，楊立學(xué)

（中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

次聲信號處理系統(tǒng)由多個次聲探測陣組成，每個次聲臺陣包含3～5個次聲陣元[1]。次聲探測陣的每個次聲陣元通過中心站將原始數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)上傳至次聲信號處理軟件進(jìn)行處理。次聲信號探測系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 次聲信號處理系統(tǒng)組成

1 軟件組成與功能

次聲信號處理軟件主要包括次聲臺陣參數(shù)配置、次聲數(shù)據(jù)接收與存儲、次聲信號算法處理、數(shù)據(jù)綜合展示、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫管理以及人工干預(yù)研判分析等模塊，軟件組成如圖2所示。

圖2 次聲信號處理軟件組成圖

2 軟件處理流程

次聲信號處理軟件的工作流程如圖3所示。軟件運(yùn)行后，需登錄和連接遠(yuǎn)端探測設(shè)備，設(shè)置各臺站參數(shù)（如臺陣編號、傳感器靈敏度、數(shù)采轉(zhuǎn)換因子等），連接成功后，軟件將自動、實時地接收次聲信號數(shù)據(jù)，并存儲數(shù)據(jù)文件到磁盤中。軟件針對實時數(shù)據(jù)流通過次聲信號算法處理得到告警信息，告警信息一方面錄入數(shù)據(jù)庫，另一方面生成文字報。軟件基于數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)歷史事件查詢操作，通過遠(yuǎn)程操控操作可重啟設(shè)備或進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)下載。

圖3 軟件處理流程

3 軟件模塊設(shè)計實現(xiàn)

3.1 次聲臺陣參數(shù)配置

次聲臺陣參數(shù)配置模塊的主要功能是對臺陣的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置管理，主要包括臺陣名稱、臺陣編碼的配置及每個次聲臺陣下面次聲設(shè)備IP地址及端口號等信息。軟件通過XML配置文件的形式，對次聲臺陣參數(shù)進(jìn)行快速存儲和查詢[2]。

參數(shù)配置的流程如圖4所示。首先是默認(rèn)（歷史）參數(shù)顯示，其次進(jìn)行手動參數(shù)輸入，軟件對輸入的參數(shù)進(jìn)行合規(guī)判定，避免出現(xiàn)系統(tǒng)錯誤。如果參數(shù)設(shè)置違規(guī)，進(jìn)行參數(shù)違規(guī)提示[3]；如果參數(shù)設(shè)置合規(guī)，則進(jìn)行內(nèi)存參數(shù)更改，將設(shè)置的參數(shù)寫入XML配置文件。最后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置成功提示。

圖4 臺陣參數(shù)配置流程

3.2 次聲數(shù)據(jù)接收與存儲

次聲數(shù)據(jù)的實時接收采用可靠傳輸?shù)腡CP/IP協(xié)議，由每一個臺陣的次聲陣元獨(dú)立的數(shù)據(jù)接收線程，實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)傳輸[4]。數(shù)據(jù)的實時接收流程如圖5所示，主要包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)幀幀頭查找、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)校驗和判定、數(shù)據(jù)顯示和存儲等階段。

圖5 數(shù)據(jù)接收流程圖

3.3 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控

軟件對探測設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實時檢測，判斷探測設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、設(shè)備電壓、設(shè)備溫度以及SD卡等是否正常。當(dāng)設(shè)備狀態(tài)產(chǎn)生異常，軟件界面上相應(yīng)的設(shè)備指示燈會發(fā)生閃爍并發(fā)出蜂鳴器報警，相應(yīng)地會產(chǎn)生設(shè)備狀態(tài)異常記錄并更新至數(shù)據(jù)庫[5]。

后期人員對設(shè)備的維護(hù)與記錄也可相應(yīng)地填寫至設(shè)備狀態(tài)維護(hù)數(shù)據(jù)庫中。運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控流程如圖6所示。

圖6 碰撞檢測流程

圖6 數(shù)據(jù)接收流程圖

3.4 次聲信號處理算法及實現(xiàn)

逐次多通道互相關(guān)（Progressive Multi-Channal-Correlation，PMCC）算法是一種有效的次聲信號檢測定向算法[6]，利用了次聲事件信號在不同通道的相干性。而噪聲則不具備這一特性[7]。

作為一種基于相關(guān)的檢測器，PMCC假設(shè)次聲事件距離探測臺陣足夠遠(yuǎn)，因而可將次聲波視為平面波[8]。平面波到達(dá)一個次聲陣元相對于另一個次聲陣元的時延，可利用兩個臺站測量到的次聲信號間的互相關(guān)函數(shù)獲得。對于一個由三個次聲陣元i，j，k組成的次聲臺陣，它們之間的時延滿足閉環(huán)關(guān)系，即：

式中：Δtij表示次聲波到達(dá)第i個陣元和第j個陣元的時間差，Δtjk表示次聲波到達(dá)第j個陣元和第k個陣元的時間差，Δtkj表示次聲波到達(dá)第k個陣元和第i個陣元的時間差。

然而，在存在噪聲的情況下，由于隨機(jī)的組合互相關(guān)計算是不準(zhǔn)確的，因而時延和可能不會正好等于0。對于包含N個次聲陣元的臺陣，定義其一致性為任意3個臺站時延閉環(huán)和的平均值，即：

式中：rijk=Δtij+Δtjk+Δtkj。如果計算出的一致性小于設(shè)定的閾值（接近0的數(shù)值），則判定為次聲事件。

在判定為次聲事件后，可根據(jù)事件延遲估計出次聲信號的方位角和聲速。采用三角定位法，可確定平面上目標(biāo)和子臺陣中心的連線與正北方向的夾角，計算公式為

式中：θ為目標(biāo)方位，(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)為三個臺站的平面坐標(biāo)，τ12為目標(biāo)聲到臺站1和臺站2的時間差，其他符號類似。速度可根據(jù)由角度確定的波程差除以時延得到。因此，與其他檢測算法相比，PMCC算法除了能夠檢測出信號外，還能確定信號的方位角和傳播速度。

算法運(yùn)算流程如圖7所示。首先，對多通道信號進(jìn)行有一定重疊的短時窗劃分，并通過帶通濾波器組濾波；其次，以三點(diǎn)陣為基本單元計算平均的閉環(huán)時間差、方向角及速度；最后，對滿足閉環(huán)時間差約束的時頻單元按頻率、事件、方向角及速度進(jìn)行聚類，如果聚類得到多個簇，每個簇對應(yīng)1個目標(biāo)事件。每個事件信息包括到達(dá)時間估計、方位角估計以及視速度估計。

圖7 PMCC算法流程圖

圖8和圖9顯示了1段長度為2 h的連續(xù)波形的PMCC檢測結(jié)果。圖8為每個時間-頻率點(diǎn)的方位角分布，圖9為每個時間-頻率點(diǎn)的水平速度分布。圖8和圖9均包含6個“簇”，對應(yīng)6個事件。

圖8 PMCC檢測方位角分布結(jié)果圖

圖9 實時波形顯示

圖9 PMCC檢測水平速度分布結(jié)果圖

4 試驗驗證

通過外場試驗實時采集次聲信號，實時信號波形顯示界面如圖10所示。將多個次聲陣元的實時波形信息顯示在同一個屏幕上，橫軸為次聲波形顯示的時間戳，縱軸為次聲波顯示的幅度值，顯示的時間長度可以調(diào)整，可以調(diào)整為1～5 min的顯示時間寬度。軟件在右側(cè)顯示監(jiān)測的事件方向和波達(dá)時間。

設(shè)備狀態(tài)分為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)兩個方面，采用指示燈的方式進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的判定。當(dāng)狀態(tài)燈為紅色，說明為“故障”；當(dāng)狀態(tài)燈為綠色，說明為“正常”。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及設(shè)備狀態(tài)下圖10所示。

圖10 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及設(shè)備狀態(tài)顯示圖

5 結(jié) 語

隨著次聲信號處理的應(yīng)用越來越廣泛，相應(yīng)的次聲信號處理軟件的設(shè)計意義重大。本文結(jié)合目前的次聲信號處理技術(shù)設(shè)計了次聲信號處理軟件，并通過軟件進(jìn)行了實際的信號接收和處理，有效驗證了軟件的功能和性能。