基于形態濾波的水聲通信信號同步檢測方法

王志欣，張錦燦，唐立赫

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

水聲通信[1-2]作為目前水下唯一有效的遠距離通信手段，受到廣泛應用。潛艇、無人潛航器和水下信息網之間及其與水面艦船之間的信息傳輸均使用水聲通信。水聲通信過程中，信號同步檢測是通信成功與否的前提。受水聲信道[3-4]影響，通信雙方在不同距離、不同信道環境上進行信息傳輸，接收方接收的通信信號相關性和信噪比變化較大。傳統拷貝相關同步檢測方法[5-6]受接收信號相關性和信噪比影響，相關峰值大小差異較大。采用單一門限值進行同步檢測，門限值較高則信號漏檢率升高，門限值較低則信號誤檢率升高。

形態學濾波[7-8]是一種非線性濾波方法，基于信號的幾何結構特性，利用一定形態的結構元素，對信號進行匹配或局部修正，進而達到信號提取、噪聲抑制的目的。形態學濾波應用于水聲通信信號同步檢測，可以有效抑制水聲信道非平穩色噪聲，降低通信信號的誤檢和漏檢概率。

1 形態學濾波原理

形態學濾波是在數學形態學理論的基礎上，提出的一種基于形狀的非線性濾波方法，被廣泛應用于數字信號處理領域[9]。該方法通過信號和結構元素的形態運算以修正信號的局部特征，進而獲得更本質的信號形態[10]。在信號噪聲抑制應用方面，通過對信號頻譜進行多值形態變換，可以有效抑制信號頻譜中的正脈沖（峰值）噪聲、負脈沖（低谷）噪聲以及白噪聲[11]，在降低虛警概率的同時，提高了信號的檢測概率。

膨脹和腐蝕運算是形態學濾波最基本的運算操作。設f(n)為定義在F={0 ,1,…,N-1}上的信號頻譜；結構元素B為一集合。則f(n)關于集合B的膨脹和腐蝕運算為

膨脹運算：

腐蝕運算：

可見，膨脹運算和腐蝕運算分別是關于結構元素B的最大和最小運算，結構元素B為信號最大最小 運算 的區域 ，且(f⊕B) (n) ≥ (fΘB) (n)。開運算和閉運算則是在膨脹和腐蝕運算的基礎上形成的形態學操作。f(n)關于B的開運算和閉運算操作分別為

開運算：

閉運算：

開運算中信號頻譜小于結構元素的部分會被“開掉”，是非擴張的，因此開運算能夠抑制信號的正脈沖噪聲；閉運算中信號頻譜小于結構元素的部分會被膨脹填充，是擴張的，因此閉運算能夠抑制信號的負脈沖噪聲。通過對開、閉運算進行不同組合形成的濾波器，可對信號中不同類型的噪聲進行濾除，從而實現對信號的噪聲抑制和平滑處理。

本文所使用的開、閉運算組合為

如圖1所示，信號噪聲抑制和平滑處理流程：1）分別對接收信號的頻譜進行開、閉運算和閉、開運算；2）將開、閉運算和閉、開運算的結果進行平均；3）對平均后的結果進行2次開運算，獲得信號的噪聲基底；4）用接收信號的頻譜減去信號的噪聲基底，得到去除噪聲后的信號基底。

圖1 信號噪聲抑制和平滑處理流程Fig. 1 Signal noise suppression and smoothing process

圖2所示為形態濾波前后信號頻譜對比，可見經形態濾波處理后，最終獲得的信號基底去除了色噪聲和信號頻譜起伏的影響，提高了信號的檢測能力。

圖2 形態濾波前后信號頻譜對比Fig. 2 Comparison of signal spectrum before and after morphological filtering

2 水聲通信信號同步檢測幀結構

水聲通信過程中傳統拷貝相關同步檢測方法信號的幀結構如圖3所示。通信信號由同步信號、空白間隔、數據信號組成。其中，同步信號一般為線性調頻（LFM）信號，通過拷貝相關提取峰值位置實現信號同步；空白間隔的加入是為了防止信道多途造成的信號拖尾，導致同步信號對數據信號造成干擾；數據信號則包含通信所傳輸的信息。

圖3 傳統拷貝相關同步檢測信號幀結構Fig. 3 Frame structure of traditional copy correlation synchronous detection

水聲通信過程中，通信雙方隨著距離的遠近以及信道環境的改變，接收端接收的通信信號信噪比和同步信號相關性具有較大差異，導致傳統拷貝相關同步檢測方法在進行相關峰值位置提取時，選取門限值較高則信號漏檢率升高，門限值較低則信號誤檢率升高，無法通過單一門限值實現穩定的信號同步檢測。

本文通過在傳統拷貝相關同步檢測方法信號幀結構的基礎上，在同步信號前加入三單音信號，設計了一種新的信號同步檢測幀結構，如圖 4所示。信號同步檢測時首先對三單音信號進行檢測，當檢測到三單音信號時，則可確認接收到通信信號。截取后續同步信號進行拷貝相關，此時可以確保同步信號在截取的信號中，故無需進行門限檢測，直接取峰值位置即可完成信號同步檢測。

圖4 本文使用的信號同步檢測幀結構Fig. 4 Signal synchronization detection frame structure used in this paper

三單音信號檢測使用門限值檢測的方式，由于是對三單音線譜能量的檢測，故門限值的選取只與信號接收信噪比有關，與信號相關性無關，故不受信道多途等環境因素影響。因此，可通過單一固定門限值完成三單音信號的檢測，并且后續同步信號拷貝相關峰值位置提取無需門限值，故該信號同步檢測幀結構可實現對水聲通信信號的單一固定門限值同步檢測。

3 基于形態濾波的水聲通信信號同步檢測

本文通過設計一種新的信號同步檢測幀結構，在傳統拷貝相關同步檢測方法信號幀結構的基礎上加入三單音信號，并結合形態學濾波技術，提出了一種基于形態濾波的水聲通信信號同步檢測方法。該方法克服了傳統拷貝相關同步檢測方法受水聲信道環境影響導致拷貝相關峰值差異較大，單一固定門限同步檢測導致信號誤檢、漏檢率高的問題，在不同信道環境和通信距離下，仍可使用單一固定門限值完成對水聲通信信號的穩定同步檢測。

本文所提基于形態濾波的水聲通信信號同步檢測流程如圖5所示。該方法具體步驟：1）對采集的水聲信號進行預處理，主要包括：去直流、歸一化、帶通濾波，得到濾波后的時域信號；2）對濾波后的信號進行平均周期圖時間累積（Welch譜估計），獲取時間上的處理增益，降低信道衰落對信號頻譜造成的影響，得到信號頻譜信息；3）對信號頻譜進行形態學濾波，精確估計信號的噪聲基底；4）利用獲取的信號噪聲基底對信號頻譜進行白化處理，消除色噪聲干擾和信號頻譜的起伏；5）信號經白化處理后剩余噪聲可近似為高斯白噪聲，通過單一固定門限進行三單音信號檢測；6）檢測到三單音信號后，截取后續同步信號，通過拷貝相關提取峰值位置完成信號同步檢測。

圖5 基于形態濾波的水聲通信信號同步檢測流程Fig. 5 Synchronous detection process of underwater acoustic communication signal based on morphological filtering

4 海試數據驗證

為驗證本文所提的基于形態濾波的水聲通信信號同步檢測方法的有效性，于2021年11月在三亞某海域進行了水聲通信試驗，采集了不同信道環境和通信距離下的水聲通信數據，對數據進行了分析處理，并與傳統拷貝相關水聲通信信號同步檢測方法進行了對比。

試驗海域水深約為 30 m，發射換能器布放深度10 m，接收水聽器布放深度8 m，分別采集了收發雙方通信距離為5 km，7 km，10 km時的水聲通信信號，采樣率為 96 kHz。通信過程中信號幀結構如圖 4所示，三單音信號頻率分別為 9 kHz，12 kHz，15 kHz，信號時長 256 ms；同步信號為LFM信號，頻率為9～15 kHz，信號時長100 ms；保護間隔均為100 ms；數據段信號為Pattern時延差編碼[12-13]信號。圖6所示為5 km處接收的水聲通信信號時域波形和時頻圖。

圖6 5 km處接收的水聲通信信號Fig. 6 Underwater acoustic communication signal received at the distance of 5km

圖7所示分別為收發雙方相距5 km，7 km，10 km通信時水聲信道環境。5 km通信在一段時間內信道環境基本不變；7 km和10 km通信信道環境變化較為明顯，多徑位置及個數均隨時間改變。可見，在不同通信距離處水聲信道環境差異較為明顯。

圖7 水聲信道環境Fig. 7 Underwater acoustic channel environment

圖8所示分別為收發雙方相距5 km，7 km，10 km通信時傳統拷貝相關同步檢測方法同步信號相關結果。5 km通信同步信號拷貝相關峰值為773.6；7 km通信同步信號拷貝相關峰值為520.5；10 km通信同步信號拷貝相關峰值為83.38。可見，不同信道環境下拷貝相關同步檢測相關峰值差異較大，10 km處相較于實際相關峰值干擾峰值更高，使用單一固定門限同步檢測時，若門限設置設為300，則5 km和7km處可正確檢測，10 km處則會產生漏檢；若門限設置設為80，10 km處則易造成誤檢。

圖8 傳統拷貝相關同步檢測法同步信號相關結果Fig. 8 Synchronization signal correlation results of traditional copy correlation synchronization detection method

圖9所示分別為收發雙方相距5 km，7 km，10 km通信時本文所提方法三單音信號同步檢測結果。頻譜累積長度為三單音信號長度，若三單音信號譜線達到檢測門限則不再繼續累積，直接提取同步段信號進行后續處理；若三單音信號譜線未達到檢測門限，則繼續累積，直到包含全部三單音信號能量。可見，使用同一固定門限值（10 dB）在5 km，7 km，10 km通信距離下，均可實現三單音信號檢測。在檢測到三單音信號后，可確認接收到通信信號，截取后續同步信號段進行拷貝相關，此時可以確保同步信號在截取的信號中，故無需進行門限檢測，直接取峰值位置即可完成信號同步檢測。試驗中，分別在5 km，7 km，10 km處進行了30次通信，均可實現水聲通信信號的同步檢測，誤檢和漏檢概率均為0。

圖9 本文所提方法三單音信號同步檢測結果Fig. 9 Synchronous detection results of three tone signals of the proposed method

5 結束語

水聲通信信號穩定的同步檢測作為水聲通信能否成功的基礎，傳統拷貝相關水聲通信同步檢測方法受水聲信道環境影響，不同信道環境同步信號相關峰值大小具有明顯差異，使用單一固定門限檢測易導致信號漏檢和誤檢，致使水聲通信穩定性和可靠性大大降低。本文在傳統拷貝相關水聲通信同步檢測幀結構的基礎上，加入了三單音信號，并結合形態學濾波技術，在不同信道環境和通信距離下使用單一固定門限即可實現穩定的水聲通信信號同步檢測，通過對海試數據的分析處理證明了本文所提方法的有效性，雖然加入三單音信號占用了有效數據時間，但提高了水聲通信的穩定性。