許敬成，陳長(zhǎng)征

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

0 引 言

在水下勘探中，聲波是水下傳播的主要形式，通過(guò)聲波可實(shí)現(xiàn)水下勘探。目前通過(guò)水聲應(yīng)答器可調(diào)節(jié)低頻聲源的狀態(tài)[1]。低頻聲信號(hào)因具有能量和分貝比較低、不易被察覺(jué)的特點(diǎn)[2]，增加了其信號(hào)采集和聲源定位的難度。低頻聲信號(hào)的采集與低頻聲信號(hào)聲源定位對(duì)于水下探勘工作極其重要，直接影響水下探勘的工作效率[3-4]。夏振杰等人研究光纖麥克風(fēng)的定位系統(tǒng)[5]，通過(guò)布置多臺(tái)麥克風(fēng)采集低頻聲信號(hào)，利用激光器頻率調(diào)節(jié)合適采集頻率，快速實(shí)現(xiàn)低頻聲信號(hào)聲源定位。該系統(tǒng)信號(hào)采集速度快，但硬件設(shè)備投資成本較高，經(jīng)濟(jì)適用性不強(qiáng)。余秋婷等人研究空間陣列的定位系統(tǒng)[6]，在采集低頻聲信號(hào)后，通過(guò)信號(hào)相關(guān)性計(jì)算得出聲程差，完成低頻聲信號(hào)聲源定位。但該系統(tǒng)未設(shè)置信號(hào)處理模塊，采集信號(hào)中存在噪聲，直接影響其定位精度。

針對(duì)以往方法的局限性，本文提出一種考慮特征向量約束的低頻聲信號(hào)聲源定位系統(tǒng)。通過(guò)MEMS 聲傳感器采集低頻聲信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行去噪處理，并傳輸至低頻聲信號(hào)聲源定位模塊；采用考慮特征向量約束的低頻聲信號(hào)聲源定位方法實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻聲信號(hào)聲源定位。

1 低頻聲信號(hào)聲源定位系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)高精度的低頻聲信號(hào)聲源定位，設(shè)計(jì)了一種考慮特征向量約束的低頻聲信號(hào)聲源定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，該系統(tǒng)由低頻聲信號(hào)采集、傳輸、處理和聲源定位等模塊構(gòu)成。在采集模塊，通過(guò)MEMS 聲傳感器采集低頻聲信號(hào)；再將采集的低頻聲信號(hào)傳輸至低頻聲信號(hào)傳輸模塊，在該模塊對(duì)采集的低頻聲信號(hào)實(shí)施信號(hào)轉(zhuǎn)換和去噪處理；然后將處理的信號(hào)傳輸至聲源定位模塊，采用考慮特征向量約束的低頻聲信號(hào)聲源定位方法估計(jì)低頻復(fù)聲壓互譜矩陣，實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻聲信號(hào)聲源定位；最后，將定位結(jié)果傳輸至應(yīng)用模塊，查看低頻聲信號(hào)聲源定位結(jié)果[7]。

1.2 低頻聲信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

MEMS 聲傳感器是低頻聲信號(hào)采集模塊的核心硬件，低頻聲信號(hào)采集模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 低頻聲信號(hào)采集模塊硬件結(jié)構(gòu)

低頻聲信號(hào)采集模塊包括MEMS 聲傳感器、PDM 接口、音頻矩陣、音頻解碼器以及DSP5509 處理器。通過(guò)MEMS 聲傳感器采集低頻聲信號(hào)，并將采集的5 路數(shù)字低頻聲信號(hào)經(jīng)PDM 接口傳輸至音頻矩陣，經(jīng)音頻解碼器輸出標(biāo)準(zhǔn)24 bit 的低頻聲信號(hào)格式，再通過(guò)串口傳輸至DSP5509 處理器，實(shí)現(xiàn)低頻聲信號(hào)采集。

1.3 低頻聲信號(hào)傳輸模塊設(shè)計(jì)

在低頻聲信號(hào)傳輸模塊中，主要依靠ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)低頻聲信號(hào)傳輸。ZigBee 節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 ZigBee 節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)

ZigBee 節(jié)點(diǎn)硬件主要包括CC2538 芯片、MAX232、開(kāi)關(guān)量輸入等。其中，CC2538芯片是節(jié)點(diǎn)的核心硬件，其有兩種工作模式，在休眠模式下，電流消耗低至0.8 mA，工作頻率為2.4 GHz，開(kāi)關(guān)量輸入通道為2 路，并適合多種類(lèi)型的傳感器。CC2538 芯片通過(guò)RS 232 轉(zhuǎn)換電路和上位機(jī)完成信號(hào)傳輸[8-10]。

1.4 低頻聲信號(hào)聲源定位模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)本文系統(tǒng)的低頻聲信號(hào)聲源定位模塊，通過(guò)考慮特征向量約束的定位方法估計(jì)低頻復(fù)聲壓互譜矩陣，實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻聲信號(hào)聲源定位。設(shè)置低頻聲信號(hào)在后干擾下的海水聲速用a(α,β,χ)描述，其中海水深度坐標(biāo)用β描述；矢量用χ描述；低頻聲傳播水平坐標(biāo)用α描述。a(α,β,χ)求解公式如下：

式中：δa(α,β,χ)表示聲速擾動(dòng)量；(β)表示平均聲速。δa(α,β,χ)表達(dá)式為：

式中：展開(kāi)項(xiàng)數(shù)用L描述；正交函數(shù)用eof(β)描述；特征值用γ1,γ2,…,γL描述；展開(kāi)基用φ1(α),φ2(α),…,φL(α)描述。設(shè)置某頻點(diǎn)空間位置用(α,β)描述，該位置的復(fù)聲壓P(α,β,χ)隨機(jī)多項(xiàng)式表達(dá)式如下：

式中：多項(xiàng)式展開(kāi)項(xiàng)數(shù)用Q描述；常量用i描述；基底函數(shù)集用描述；位置坐標(biāo)展開(kāi)系數(shù)用描述；復(fù)聲壓包絡(luò)用描述；參考波數(shù)用k0描述。

式中：共軛轉(zhuǎn)置用“*”描述；第m拍低頻復(fù)聲壓向量用描述；數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換符號(hào)用E描述。

式中：特征值矩陣用Λ描述；特征值排列順序?yàn)棣?,γ2,…,γD；特征值數(shù)量用D描述；特征向量矩陣用H描述，可表示為[h1,h2,…,hD]。

匹配器輸出平面模糊度函數(shù)表達(dá)式如下：

若低頻聲信號(hào)聲源估計(jì)位置和低頻聲信號(hào)聲源實(shí)際位置相等，即，此時(shí)值最大，可實(shí)現(xiàn)低頻聲信號(hào)聲源定位。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證考慮特征向量約束的低頻聲信號(hào)聲源定位系統(tǒng)應(yīng)用效果，以某海底勘探實(shí)驗(yàn)觀測(cè)水文數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中因潮水變化引起海水中聲音的聲速發(fā)生變化，海水平均聲速變化圖如圖4 所示。

圖4 海水平均聲速變化圖

由圖4 可知，隨著海水深度的增加，聲速均值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在海水深度為800 m 時(shí)，聲速均值最小為1 407 m·s-1，此時(shí)為低頻聲。

采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的MEMS 聲傳感器采集低頻聲信號(hào)，其采集結(jié)果界面如圖5 所示。

圖5 低頻聲信號(hào)采集界面

由圖5 可知，采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的MEMS 聲傳感器可有效采集低頻聲信號(hào)，且采樣時(shí)間比較快，僅900 ms 就能夠完成低頻聲信號(hào)采集。采集的低頻聲信號(hào)作為低頻聲信號(hào)的聲源定位數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，適合復(fù)雜場(chǎng)景中低頻聲信號(hào)的采集，應(yīng)用性較強(qiáng)。

選取輸出峰均比作為測(cè)試指標(biāo)，輸出峰均比低于40 dB，表示系統(tǒng)定位效果較好。在不同信噪比下對(duì)該低頻聲信號(hào)的聲源進(jìn)行定位，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 定位效果

分析圖6 可知，隨著信噪比的增加，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)低頻聲信號(hào)的聲源進(jìn)行定位的輸出峰均比呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，并在信噪比為45 dB 以后，輸出峰均比趨于平穩(wěn)，均低于35 dB，說(shuō)明采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)低頻聲信號(hào)的聲源進(jìn)行定位后效果較好。

在頻率為100～600 Hz 時(shí)，對(duì)低頻聲信號(hào)聲源進(jìn)行定位測(cè)試，得出所設(shè)計(jì)系統(tǒng)定位方法的X、Y坐標(biāo)誤差，實(shí)際坐標(biāo)用（x，y）描述，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)定位坐標(biāo)用（x0，y0）描述，結(jié)果如表1 所示。

表1 所設(shè)計(jì)系統(tǒng)定位方法的X、Y 坐標(biāo)誤差

分析表1 可知：在頻率為100～300 Hz，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中考慮特征向量約束的低頻聲信號(hào)聲源定位方法的定位坐標(biāo)位置與實(shí)際位置坐標(biāo)誤差存在誤差，但誤差均低于0.17 m；在400～600 Hz 時(shí)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中定位誤差與低頻聲信號(hào)聲源實(shí)際位置誤差為0，說(shuō)明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)考慮特征向量約束的低頻聲信號(hào)聲源定位方法性能優(yōu)良，定位精度較高。

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中選擇1 個(gè)低頻聲信號(hào)，采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)該低頻聲信號(hào)進(jìn)行聲源定位，其定位結(jié)果如圖7 所示。

圖7 低頻聲信號(hào)聲源定位結(jié)果

由圖7 可知，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，且功能齊全，采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)得出的低頻聲信號(hào)聲源定位坐標(biāo)與實(shí)際低頻聲信號(hào)聲源定位坐標(biāo)基本一致，說(shuō)明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的定位能力較強(qiáng)，用戶可在客戶端查看到低頻聲信號(hào)聲源定位坐標(biāo)為（800，600，500），有利于開(kāi)展海洋探勘工作。

3 結(jié) 論

針對(duì)低頻聲信號(hào)聲源定位比較復(fù)雜的問(wèn)題，本文提出一種考慮特征向量約束的低頻聲信號(hào)聲源定位系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可有效采集低頻聲信號(hào)，且采樣時(shí)間較短，僅在900 ms 就能夠完成低頻聲信號(hào)采集，適合復(fù)雜場(chǎng)景中低頻聲信號(hào)采集，應(yīng)用性較強(qiáng)。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)還存在一定的缺陷，為了更好地提升低頻聲信號(hào)的定位效率，需要在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中逐漸升級(jí)系統(tǒng)。