楊洪濤，王 偉，王欣悅

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

利用高壓水射流技術(shù)與聲音識別技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行特殊靶物(地雷)探測是一種全新的技術(shù)[1]。該技術(shù)利用傳聲器陣列，采集高壓水射流噴嘴陣列沖擊淺埋地表的靶物時(shí)產(chǎn)生的反射聲信號，通過聲音識別技術(shù)對反射聲音信號分析處理，進(jìn)而識別靶物的形狀和材質(zhì)[2-3]。由于所采集的反射聲信號包括反映靶物的反射聲信號、裝置運(yùn)行的噪聲信號以及環(huán)境噪聲，為了提取出能反映靶物的形狀和材質(zhì)的特征值，必須采用小波降噪、獨(dú)立成分分析、小波包分解、支持向量機(jī)等算法對反射聲信號進(jìn)行降噪、解混、特征值提取和識別[4-6]。該項(xiàng)目各個(gè)算法程序是利用LabVIEW程序開發(fā)的，在研究過程中由于各個(gè)算法的輸入輸出數(shù)據(jù)類型不同，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)軟件無法在線運(yùn)行，因此本文開展高壓水射流靶物探測系統(tǒng)的軟件集成研究，匹配各個(gè)算法程序之間的數(shù)據(jù)格式，縮短程序運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)靶物在線探測。

1 高壓水射流靶物探測系統(tǒng)工作原理

1.1 高壓水射流靶物探測系統(tǒng)組成

高壓水射流靶物探測系統(tǒng)由高壓水發(fā)生裝置、靶物探測裝置和信號采集裝置等部分組成[7]。高壓水發(fā)生裝置采用前混合磨料高壓水射流裝置，靶物探測裝置主要包括安裝支架、高壓水射流噴嘴陣列和YG-201型傳聲器陣列，信號處理裝置包括信號調(diào)理器、USB6229數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等，如圖1所示為傳聲器陣列與靶物相對位置的示意圖，多個(gè)傳聲器均勻分布在一定大小的圓弧上用于采集靶物反射聲信號，根據(jù)靶物產(chǎn)生的聲音信號傳輸?shù)矫總€(gè)傳聲器的時(shí)間延遲，可計(jì)算出其相對于傳聲器陣列的位置[8]。

圖1 傳聲器陣列示意圖

1.2 高壓水射流靶物探測系統(tǒng)工作原理

高壓水射流靶物探測系統(tǒng)工作原理是利用噴嘴陣列產(chǎn)生高壓射流沖擊地表和靶物，通過傳聲器陣列采集所產(chǎn)生的反射聲信號，對其進(jìn)行分析處理，提取出反映靶物位置、形狀和材質(zhì)的特征值，并與已知的靶物標(biāo)準(zhǔn)信號特征值進(jìn)行比較，判斷所探測的靶物形狀和材質(zhì)，同時(shí)對靶物進(jìn)行定位，并利用三維顯示模擬顯示出其相對傳聲器陣列的位置。

高壓水射流靶物探測系統(tǒng)的反射聲信號處理流程如圖2所示。要實(shí)現(xiàn)靶物形狀、材質(zhì)識別和定位，必須首先利用小波降噪方法對傳聲器陣列采集的各路反射聲信號進(jìn)行降噪，利用基于時(shí)延估計(jì)的聲源定位算法對降噪的信號進(jìn)行運(yùn)算，獲得各種聲源的位置坐標(biāo)。利用獨(dú)立成分分析算法(ICA)對反射聲信號進(jìn)行解混重構(gòu)，分離出真實(shí)包含靶物信息的某路反射聲信號。當(dāng)水射流束沖擊兩種不同物體分界面時(shí)，會產(chǎn)生突變信號。利用模極大值方法對該突變信號進(jìn)行進(jìn)一步處理，結(jié)合裝置探測速度，即可確定靶物邊界點(diǎn)，同時(shí)利用靶物邊界點(diǎn)擬合出靶物的形狀[9]。在此基礎(chǔ)上，提取靶物邊界點(diǎn)內(nèi)的反射聲信號進(jìn)行小波包分解和能量分析，提取反映靶物材質(zhì)的特征值，送入應(yīng)用支持向量機(jī)算法建立的靶物材質(zhì)識別模型進(jìn)行處理，完成靶物形狀和材質(zhì)的識別。結(jié)合前述的聲源定位結(jié)果，利用編寫的三維顯示程序，顯示特定靶物(地雷)埋設(shè)位置。

2 系統(tǒng)軟件集成

2.1 系統(tǒng)算法數(shù)據(jù)

本文利用多個(gè)傳聲器組成圓弧形傳聲器陣列采集靶物反射聲音信號，利用數(shù)據(jù)采集卡和信號調(diào)理器傳輸進(jìn)計(jì)算機(jī)，應(yīng)用LabVIEW軟件平臺編寫數(shù)據(jù)采集及處理程序。當(dāng)利用LabVIEW軟件編程時(shí)，由于大部分應(yīng)用程序較為復(fù)雜，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)類型并不能滿足整個(gè)程序的要求，需通過轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型以實(shí)現(xiàn)整個(gè)程序的數(shù)據(jù)通訊。LabVIEW中包含多種不同的數(shù)據(jù)類型，包括標(biāo)量數(shù)據(jù)類型，比如整形數(shù)、布爾量、雙精度浮點(diǎn)數(shù)等，也包括較復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，如數(shù)組、波形、簇等數(shù)據(jù)類型。而轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型也有多種不同的方法，可通過程序中的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類型的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，也可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換函數(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換[10]。

在高壓水射流靶物探測系統(tǒng)中，為了能夠提取出反映靶物形狀和材質(zhì)的特征值，利用小波降噪、獨(dú)立成分分析、小波包分解、支持向量機(jī)等算法對反射聲信號進(jìn)行處理。由于各個(gè)算法的輸入輸出數(shù)據(jù)類型不同，無法實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間的流通，極大地增加了信號處理過程的繁瑣度。本文通過對各個(gè)算法的輸入輸出數(shù)據(jù)類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使各個(gè)算法程序之間的數(shù)據(jù)格式相互匹配，達(dá)到縮短程序運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)靶物實(shí)時(shí)探測的目的。

2.2 系統(tǒng)算法集成

根據(jù)圖2反射聲信號處理流程圖可知，采集的高壓水射流沖擊靶物的反射聲音信號屬于動態(tài)數(shù)據(jù)，在對其進(jìn)行降噪處理時(shí)，降噪函數(shù)的輸入端為動態(tài)數(shù)據(jù)，輸出端數(shù)據(jù)類型同樣為動態(tài)數(shù)據(jù)類型。反射聲降噪后一方面用于聲源定位，另一方面直接輸入迭代式ICA進(jìn)行反射聲信號解混。而聲源定位算法輸入端接收的數(shù)據(jù)格式為數(shù)組，因此必須利用動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)，將降噪后的反射聲動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換成一維數(shù)組進(jìn)行輸入，保留采樣點(diǎn)數(shù)值和時(shí)間。在聲源定位算法中，利用一定的算法將數(shù)組轉(zhuǎn)化為有符號的32位整型數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)化為雙精度浮點(diǎn)數(shù)，輸入到所調(diào)用的MATLAB Script節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用MATLAB編制的用于計(jì)算靶物與傳聲器陣列相對幾何關(guān)系的多元非線性方程程序中，計(jì)算輸出靶物形體尺寸半徑和所處的位置坐標(biāo)。該輸出數(shù)據(jù)類型屬于雙精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型，可以直接用于靶物的形狀和位置的三維顯示。同時(shí)，降噪后的反射聲動態(tài)一維數(shù)組數(shù)據(jù)可以直接作為迭代式ICA算法的輸入，經(jīng)過算法運(yùn)算后的輸出端信號數(shù)據(jù)類型為雙精度浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)組。在迭代式ICA計(jì)算過程中，可以利用動態(tài)數(shù)據(jù)函數(shù)將輸出的數(shù)組數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換成動態(tài)數(shù)據(jù)顯示在波形圖中，用于觀察輸出信號的變化過程。

圖2 反射聲信號處理流程圖

迭代式ICA處理后的數(shù)據(jù)需與標(biāo)準(zhǔn)信號的數(shù)據(jù)需進(jìn)行相干系數(shù)分析，用于選出能反映靶物特征值的一路最優(yōu)信號。相干系數(shù)分析的輸入端數(shù)據(jù)類型為雙精度浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)組，而標(biāo)準(zhǔn)信號的數(shù)據(jù)類型為動態(tài)數(shù)據(jù)，因此必須利用從動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)將標(biāo)準(zhǔn)信號的數(shù)據(jù)類型從動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成雙精度浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)組，與迭代式ICA處理后的雙精度浮點(diǎn)數(shù)數(shù)組一起作為相干分析的輸入，輸出的相干系數(shù)為雙精度的浮點(diǎn)數(shù)，利用各路反射聲信號相干系數(shù)大小確定出能反映靶物特征值的一路最優(yōu)信號。

利用模極大值算法對該路最優(yōu)信號進(jìn)行處理，獲得信號突變點(diǎn)，用于確定靶物的邊界位置。模極大值算法輸入端是數(shù)組類型，因此可以將雙精度浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)組類型的最優(yōu)信號直接作為輸入，計(jì)算后輸出有符號的32位整數(shù)，利用該整數(shù)對最優(yōu)靶物反射聲信號進(jìn)行截取，獲得可以用于后續(xù)材質(zhì)識別的雙精度浮點(diǎn)數(shù)數(shù)組類型的最優(yōu)信號段，并將該整數(shù)輸入三維顯示程序計(jì)算顯示出靶物的尺寸半徑[11-13]。

本文采用分析反映不同材質(zhì)的最優(yōu)信號段能量分布作為識別靶物材質(zhì)的特征值，而能量分布分析方法采用能量歸一化處理程序，其輸入端為數(shù)組類型，因此截取出來的最優(yōu)反射聲信號段可直接作為輸入進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后的輸出數(shù)據(jù)類型仍然為雙精度浮點(diǎn)數(shù)數(shù)組類型。

確定反映靶物材質(zhì)的反射聲信號能量分布后，本文采用支持向量機(jī)算法進(jìn)行靶物材質(zhì)的識別判斷。本文采用LabVIEW編制支持向量機(jī)算法程序，其輸入端為雙精度浮點(diǎn)數(shù)類型的數(shù)組，因此可以將上述確定的反射聲信號能量分布數(shù)據(jù)直接輸入，計(jì)算后輸出有符號的32位整數(shù)，將該整數(shù)輸入三維顯示程序計(jì)算顯示出反映靶物材質(zhì)的特征值。確定靶物材質(zhì)特征值后，綜合利用上述各算法計(jì)算結(jié)果，利用三維顯示程序和靶物的尺寸半徑及三維坐標(biāo)模擬顯示出靶物相對傳聲器陣列的位置。

本文利用上述系統(tǒng)算法的集成方法和LabVIEW軟件編制了集采集、處理和三維顯示一體化的程序，解決了信號處理過程不兼容、不匹配的問題，達(dá)到了實(shí)時(shí)探測并觀察探測結(jié)果的目的。LabVIEW系統(tǒng)前面板圖如圖3所示。

3 模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證軟件程序的運(yùn)行效果，搭建了高壓水射流靶物探測系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)采用YG-201型號的多路傳聲器組成圓弧形傳聲器陣列，并結(jié)合USB6229數(shù)據(jù)采集卡搭建系統(tǒng)采集部分的仿真實(shí)驗(yàn)臺，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4(a)所示。采集一段時(shí)間為15s，采樣率為50kHz的電鈴信號模擬成靶物的反射聲音信號，以傳聲器陣列中心位置作為整個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，設(shè)經(jīng)過0點(diǎn)并垂直于A、B連線為Y軸，以經(jīng)過O點(diǎn)垂直于Y軸為X軸建立坐標(biāo)系，單位為mm，其坐標(biāo)系示意圖如圖4(b)所示。其中O表示傳聲器陣列的中間傳聲器，A、B表示兩邊的傳聲器，P表示靶物的位置，靶物設(shè)定的位置坐標(biāo)為(-10，250)。采集該段信號并通過集成后的程序進(jìn)行處理，根據(jù)計(jì)算得出的靶物位置與實(shí)際位置進(jìn)行比較，可判斷該程序是否可以滿足要求。

對三路傳聲器采集的靶物信號利用上述集成的系統(tǒng)程序進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，探測到的靶物位置為(-11.2，240.5)與實(shí)際的位置相差9.6mm，滿足系統(tǒng)誤差要求，軟件程序可實(shí)現(xiàn)從采集到處理結(jié)果顯示一體化。通過對算法程序改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了信號從處理到結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，顯示結(jié)果如圖3所示，在探測的過程中，探測的靶物可能不止一個(gè)，每個(gè)靶物的縱橫坐標(biāo)均可通過算法處理獲得，并通過三維顯示在一個(gè)場景中模擬顯示出每個(gè)靶物相對于傳聲器陣列的位置，紅色表示傳聲器陣列所在坐標(biāo)系原點(diǎn)位置，綠色表示靶物的位置，探測的靶物設(shè)定為地雷，其形狀為圓形，仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)定一個(gè)靶物，其半徑和坐標(biāo)如圖3所示，靶物材質(zhì)特征分布不同表示不同的材質(zhì)，圖中顯示的是電鈴(模擬靶物)信號的特征分布[14-15]。

圖3 系統(tǒng)前面板

(a)模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖 (b)坐標(biāo)系示意圖圖4 模擬實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采集的三路聲音信號如圖5所示。

圖5 采集的電鈴聲音信號

4 結(jié)論

為了提高高壓水射流靶物探測系統(tǒng)的探測效率，利用LabVIEW對信號處理算法的各個(gè)模塊的輸入和輸出的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換和程序的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)之間的流通，達(dá)到了實(shí)時(shí)采集和結(jié)果顯示一體化程序，極大地縮短了信號處理過程的時(shí)間。搭建了系統(tǒng)信號采集與處理的仿真實(shí)驗(yàn)臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，信號處理程序?qū)崿F(xiàn)集成化，達(dá)到了實(shí)時(shí)處理采集的聲音信號，并顯示其相對位置的目的，極大地提高了高壓水射流靶物探測系統(tǒng)的探測效率。

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