張 錚 張怡珺

（中船重工第715研究所 杭州 310023）

1 引言

直接序列擴(kuò)頻信號(hào)因其隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)［1］等特點(diǎn)，在需要保密的水聲通信，尤其是潛艇通信中有著極為廣泛的應(yīng)用。為了檢測(cè)非合作條件下的直擴(kuò)信號(hào)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后提出過(guò)多種方法，如功率譜法及其改進(jìn)方法［2］，二次譜法［3］和倒譜法［4～5］，利用信號(hào)自相關(guān)特性的方法［6］，基于循環(huán)譜理論方法［7～8］，高階累積量方法［9～10］等。多種方法在直擴(kuò)信號(hào)的檢測(cè)與估計(jì)方面各有利弊，雖有檢測(cè)差異，但尚做不到某種方法全面領(lǐng)先，尤其是面對(duì)復(fù)雜多變的水聲信道環(huán)境，多種方法的檢測(cè)效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證［11～12］。為此，基于 LabVIEW語(yǔ)言設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款集合了功率譜法、倒譜法、自相關(guān)法及其相應(yīng)的改進(jìn)方法的檢測(cè)軟件，配合采集卡等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水聲直擴(kuò)信號(hào)地實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)、檢測(cè)處理和結(jié)果顯示。

2 軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

2.1 總體設(shè)計(jì)

利用 LabVIEW語(yǔ)言圖形化編程的特點(diǎn)［13～14］，整個(gè)軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，既保證了各軟件模塊之間的相對(duì)獨(dú)立性，便于編寫(xiě)和調(diào)試，又能保證各模塊完成一定的工作任務(wù)，提高了軟件各功能的統(tǒng)一性，增加了程序的可移植性和可擴(kuò)展性。

檢測(cè)軟件主體分為數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理兩大部分，兩部分作為兩大基礎(chǔ)模塊，其他各種功能模塊都作為小模塊嵌入兩大基礎(chǔ)模塊中，具體組成如圖1所示。

整個(gè)檢測(cè)軟件的數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

基于LabVIEW虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)具有一種典型的硬件結(jié)構(gòu)：通過(guò)傳感器將待測(cè)量的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理器如測(cè)量放大器、功率放大器等進(jìn)行預(yù)處理；處理后的模擬信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)軟件處理；最后，數(shù)字信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行后續(xù)處理。本系統(tǒng)所使用的傳感器為水聽(tīng)器，數(shù)據(jù)采集設(shè)備為NI公司的數(shù)據(jù)采集卡。

直擴(kuò)檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊正與硬件結(jié)構(gòu)中的采集設(shè)備對(duì)應(yīng)，通過(guò)軟件設(shè)定、驅(qū)動(dòng)和控制硬件采集設(shè)備的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊采用了經(jīng)典的生產(chǎn)者-消費(fèi)者數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集執(zhí)行的具體步驟為

1）設(shè)定設(shè)備參數(shù)，保證軟件能夠與硬件采集設(shè)備通信；

2）設(shè)定采樣率、采樣模式、每次采集數(shù)據(jù)大小等相關(guān)采集參數(shù)，確保采集設(shè)備按要求采集；

3）在生產(chǎn)者循環(huán)中連續(xù)采集數(shù)據(jù)，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)滿足一定條件后存入數(shù)據(jù)隊(duì)列中。在添加數(shù)據(jù)顯示控件的情況下，可實(shí)時(shí)顯示采集數(shù)據(jù)波形，便于觀察判斷；

4）存入隊(duì)列中的數(shù)據(jù)按順序進(jìn)入消費(fèi)者循環(huán)，信號(hào)處理模塊在消費(fèi)者循環(huán)中提取并處理數(shù)據(jù)。

在一般的采集系統(tǒng)中，經(jīng)常出現(xiàn)一次采集數(shù)據(jù)中未能包含完整的一幀信號(hào)的情況。對(duì)于直擴(kuò)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)采集的一窗信號(hào)中包含信號(hào)部分過(guò)少時(shí)，極大地降低了檢測(cè)性能，容易造成信號(hào)漏檢。為了防止這種情況的出現(xiàn)，本系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)采集模塊做出了一定的改進(jìn)。數(shù)據(jù)采集卡每次采集一窗數(shù)據(jù)并依次將之存入數(shù)據(jù)隊(duì)列，如圖3所示，編號(hào)為A1、A2……An。編程實(shí)現(xiàn)提取隊(duì)列前端元素A1，并預(yù)覽隊(duì)列前端元素A2，由A1、A2組成一包數(shù)據(jù)一起進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，之后再銷毀A1的方案。在完成一次數(shù)據(jù)處理后，A2又作為隊(duì)列前端元素被提取，預(yù)覽隊(duì)列前端元素A3，由A2、A3組成一包數(shù)據(jù)一起處理，之后銷毀A2。由此實(shí)現(xiàn)每次處理一包數(shù)據(jù)后，向后移動(dòng)半包數(shù)據(jù)，能最大可能地保證每次進(jìn)行信號(hào)處理的數(shù)據(jù)中包含盡可能多的有用信號(hào)，提高檢測(cè)效果。

2.3 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊是直擴(kuò)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)算處理核心，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理并輸出處理結(jié)果等功能。為了實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)軟件中兼容包含多種直擴(kuò)信號(hào)檢測(cè)方法，信號(hào)處理模塊采用了一種二級(jí)并行選擇結(jié)構(gòu)，即先從功率譜檢測(cè)、自相關(guān)檢測(cè)和倒譜檢測(cè)三大類檢測(cè)方法中選擇一種，再?gòu)膶?duì)應(yīng)的下拉菜單選項(xiàng)中選擇具體的檢測(cè)方法，以此實(shí)現(xiàn)多種檢測(cè)方法整合在一款直擴(kuò)檢測(cè)系統(tǒng)中。

當(dāng)一二級(jí)方法選擇不對(duì)應(yīng)時(shí)（例如一級(jí)方法選擇倒譜檢測(cè)，二級(jí)方法選擇自相關(guān)法），軟件使用一級(jí)方法的默認(rèn)方法。為了避免上述情況發(fā)生，編程設(shè)定了當(dāng)一級(jí)選擇完成后，自動(dòng)禁用未選擇的其余兩種二級(jí)選擇菜單。

信號(hào)處理部分軟件執(zhí)行的具體步驟為

1）選擇具體直擴(kuò)檢測(cè)方法；

2）根據(jù)選擇方法設(shè)定對(duì)應(yīng)參數(shù)，其中窗長(zhǎng)參數(shù)作用于Bartlett法、Welch法、改進(jìn)倒譜和改進(jìn)自相關(guān)四種方法；步進(jìn)長(zhǎng)度參數(shù)作用于Welch法和改進(jìn)自相關(guān)法；自回歸階數(shù)和NFFT點(diǎn)數(shù)兩個(gè)參數(shù)專用于功率譜檢測(cè)的自回歸檢測(cè)方法；閾值參數(shù)是各種方法檢測(cè)判斷信號(hào)有無(wú)的基準(zhǔn)，因此各種方法都需要此參數(shù)，但不同方法需要的閾值并不相同。

3）經(jīng)生產(chǎn)者結(jié)構(gòu)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)入信號(hào)處理模塊，根據(jù)選定的方法和參數(shù)處理數(shù)據(jù)，最終輸出檢測(cè)波形并判斷信號(hào)存在性。

3 水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的檢測(cè)軟件的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，在信道水池做了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。水池長(zhǎng)45m，寬6m，深5m，水池四壁有吸聲尖劈。發(fā)射換能和水聽(tīng)器全為無(wú)指向性換能器，水聽(tīng)器為BK8104標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器。換能器吊放在水池2m深處，收發(fā)換能器間相距7m，換能器間保持相對(duì)靜止。所用采集卡為NI公司的USB-6356。另外，實(shí)驗(yàn)還需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)運(yùn)行檢測(cè)軟件。

直擴(kuò)檢測(cè)軟件顯控界面如圖3所示，在本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定檢測(cè)參數(shù)為窗長(zhǎng)1024點(diǎn)，步進(jìn)長(zhǎng)度512點(diǎn)，自回歸階數(shù)128，NFFT點(diǎn)數(shù)2048，檢測(cè)閾值根據(jù)檢測(cè)方法設(shè)定。設(shè)定數(shù)據(jù)采集參數(shù)為采樣率50000Hz，采樣方式為連續(xù)采樣，每次采集點(diǎn)數(shù)為50000點(diǎn)，即每次采集1s數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)所用直擴(kuò)信號(hào)采用BPSK調(diào)制，采樣率fs=50000Hz，載波頻率 f0=6000Hz，碼片時(shí)長(zhǎng)0.0005s，偽隨機(jī)碼階數(shù)為8，即用255位偽隨機(jī)碼對(duì)信息碼進(jìn)行擴(kuò)頻，共50個(gè)信息碼。生成的直擴(kuò)信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)聲卡傳遞給發(fā)射換能器發(fā)射。

為了檢測(cè)算法和軟件在較低信噪比條件下的檢測(cè)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持以較低能量發(fā)射信號(hào)，由此導(dǎo)致采集到的信號(hào)幅度較小，但不影響算法檢測(cè)。較具代表性的Welch法、倒譜法和改進(jìn)自相關(guān)法檢測(cè)結(jié)果如圖5～7所示，左側(cè)為有信號(hào)時(shí)局部檢測(cè)界面，右側(cè)為無(wú)信號(hào)時(shí)檢測(cè)對(duì)比圖。

多種功率譜檢測(cè)方法在無(wú)信號(hào)時(shí)的檢測(cè)結(jié)果顯示，水池的水聲信道環(huán)境復(fù)雜，具有多個(gè)很強(qiáng)的單頻信號(hào)，其中3kHz，6kHz，13.25kHz和16.5kHz等幾個(gè)信號(hào)幅度較強(qiáng)，在一定程度上影響功率譜方法檢測(cè)。另一方面，在無(wú)信號(hào)時(shí)功率譜檢測(cè)方法并未受這幾個(gè)單頻信號(hào)影響，判定信號(hào)存在，這也說(shuō)明了軟件的信號(hào)處理部分能在一定程度上抑制單頻干擾影響，保證檢測(cè)算法有較低的虛警概率。倒譜法和自相關(guān)檢測(cè)方法利用直擴(kuò)信號(hào)的周期性進(jìn)行檢測(cè)，從檢測(cè)結(jié)果可以看出，多個(gè)窄帶單頻干擾基本未影響到直擴(kuò)信號(hào)的檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

本款利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的水聲直擴(kuò)信號(hào)檢測(cè)軟件經(jīng)過(guò)水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，配合采集卡、水聽(tīng)器等設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水聲直擴(kuò)信號(hào)地實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)，檢測(cè)處理和結(jié)果顯示。軟件包含了功率譜法、倒譜法和自相關(guān)法三大類直擴(kuò)信號(hào)檢測(cè)方法及相應(yīng)的改進(jìn)方法，能夠根據(jù)環(huán)境實(shí)時(shí)變換檢測(cè)方法，發(fā)揮多種方法聯(lián)合檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。