基于uClinux的嵌入式水声信号采集存储系统设计

为了减少水声学研究和水声工程设计试验的时间、成本等,针对水声信号和系统工作环境的特点,设计并实现了一种基于嵌入式uClinux操作系统的水声信号采集存储系统。发挥了处理器对外部设备优秀的控制能力和uClinux操作系统出色的稳定性两大优势,使系统稳定、可靠、低功耗、便捷地工作。通过海试验证了数据的有效性,证明系统具有实用价值。     

嵌入式水声功率放大器设计

功率放大器是水声信号发射机中的核心部件,其发展方向是低功耗、高效率和小体积。论文提出了一种可与匹配网络独立的嵌入式水声功率放大器技术方案,利用数字音频驱动器IRS2092设计并研制了一款高声源级的水声功率放大器样机,并通过水池实验测试了整机性能,验证了方案的可行性和先进性。测试结果表明,该样机在180×60×70mm3体积、24V电池供电和90W平均功率条件下实现了高达187dB的发射声源级,能较好地满足舰载或嵌入式的要求。     

基于虚拟时间反转镜的短基线定位研究

海洋的多途效应是影响水声定位信号检测性能的主要因素。为了满足信号检测中的某种"最佳"准则,克服海洋水声信道的多途效应,本文基于信道的匹配滤波器-时间反转镜技术,提出虚拟时间反转结合匹配滤波器构造信号处理接收机的方法。通过计算机仿真和实验数据处理表明,经过基于虚拟时间反转处理的匹配滤波(TR-MF)接收机性能优于传统的匹配滤波(MF)接收机,并且将该技术应用在短基线水声定位系统中,提高了时延估计分辨力,改善了定位精度。     

小波包节点分段阈值降噪在水声监听中的应用*

水声目标信号在发送、传播过程中,易受到环境噪声、系统自噪声等影响,因此水声监听过程中目标信号会掺杂大量噪声信息。为提高获取目标信号的准确性和可靠性,降低噪声,在已有小波分析基础上,提出小波包节点相对能量判断最优分解层,最优分解层节点系数分段阈值处理重构方法,实现水声监听信号分频段去噪。将0.1 kHz~8.4 k Hz实验数据按节点频率排序划分为5个强弱不同的频段信号实现消噪提取,结果表明该方法可将噪声信号与目标信号有效分离,与全局单一阈值相比,具有较好降噪能力。该方法打破了小波阈值去噪高频处理的局限性,提高了识别精度,改善了全局单一阈值去噪存在的短板,在鱼类分析识别、舰船监听、深海探测等方面具有一定的推广和应用价值。     

便携式多通道数据采集系统设计

在EAST全超导托卡马克核聚变放电实验中,某些信号需要低功耗、便捷的进行独立同步采集与分析;而现有的大型采集系统并不能满足此需求,所以需要设计一套低功耗的、便携式的多通道数据采集系统来保障EAST实验的顺利进行。系统具有界面友好、性能稳定等诸多优点。在LabVIE软件编程环境中,系统能够实现对多达32路信号的同步采集、实时显示、数据存储、数据分析以及历史数据回放等功能。经过实验测试,该系统运行稳定可靠,完全满足EAST实验的数据采集需求。     

基于循环前缀相关性的水声OFDM信号调制识别

为解决非合作通信系统中水声OFDM信号的类型识别,本文研究水声OFDM通信信号与常见单载波水声数字通信信号(MPSK,MFSK)之间的调制识别问题。考虑到水声信道复杂传播特性对循环前缀相关性的影响,本文通过截取信号前后片段并迭代搜索双相关峰进行无需先验知识的水声OFDM通信信号特征参数提取,在此基础上设计了一种基于模糊系统的水声OFDM通信信号识别器。对不同信道条件下海上实录信号数据的识别实验结果表明了本文方法的有效性。     

可穿戴式无线脉搏监测系统前端设计

针对中老年人慢性心血管疾病在预防和救助中存在的问题,结合PVDF压电薄膜传感器、GPS、GPRS技术和MSP430单片机,设计了一种低功耗可穿戴式远程脉搏监测系统;介绍了系统的结构功能、硬件设计以及无线通信方式,并针对脉搏信号的实际特征与干扰情况,综合考虑系统对功耗和体积的要求,提出了相应的硬件解决方案;实验结果表明,该监测系统抗干扰能力强,能够准确地获取完整的脉搏波形,具有较好的应用前景。     

水声时变线谱建模与双稳态随机共振分析

建立了水声时变线谱的模型,将双稳态随机共振系统应用于水声时变线谱信号的检测,考查了随机共振系统对水声环境的适应能力,提出了设计水声线谱检测系统可以利用的外在参数。在信噪比变化、声压起伏、线谱漂移等情况下,仿真结果表明双稳态随机共振系统都能较好地工作。为水声领域新型线谱检测系统的设计提供了依据。     

基于PCI-E总线的高速多通道信号发生器设计

针对现代水声定位系统性能检测需求,设计了一种基于PCI-E总线的高速多通道信号发生器。利用PC机LABVIEW软件生成不同的电模拟信号,通过PCI-E总线板卡输出到信号发生板,实现信号高速稳定传输;以FPGA为核心控制器,利用PCI9054桥芯片实现本地总线转换,经过DA逻辑控制以及多通道模拟电路调理,最终完成多通道信号波形输出。经测试系统功能稳定,达到了指标要求。该设计结构简单,可扩展性强,具有广阔的应用前景,目前已成功应用于某水声定位系统实验室功能检测。     

基于循环前缀相关性的水声OFDM信号调制识别方法*

本文研究水声OFDM通信信号与常见单载波水声数字通信信号(MPSK,MFSK)之间的调制识别问题。考虑到水声信道复杂传播特性对循环前缀相关性的影响,本文通过截取信号前后片段并迭代搜索双相关峰进行无需先验知识的水声OFDM通信信号特征参数提取,在此基础上设计了一种基于模糊系统的水声OFDM通信信号识别器。对不同信道条件下海上实录信号数据的识别实验结果表明了本文方法的有效性。     

MEMS矢量水听器用于潜标系统的可行性（英文）北大核心CSCD

提出将MEMS矢量水听器应用于潜标系统,并进行了大量实验验证其可行性。MEMS矢量水听器是一种新型水下声学传感器,它具有体积小、成本低、一致性高和高灵敏度等优点。将水听器应用于潜标系统,可以大幅降低阵列孔径,进而有效地监测海洋声场的矢量信息。矢量水听器矢量通道的指向性与频率无关,在低频和甚低频同样可以获得良好的空间增益,应用在低频和甚低频领域中,可以有效地解决声纳设备体积庞大的问题。经过对系统样机进行多次室内驻波桶调试和外场湖试与海试,结果表明,该系统能有效检测海底20~1000Hz范围内的声场矢量信号,水听器此时的灵敏度可达-176dB,且具有良好的“8”字型指向性。实验结果证明了MEMS矢量水听器应用在潜标系统中进行海洋声场矢量信息探测的可行性,为MEMS矢量水听器在水下目标探测领域的研究提供了良好的试验平台,并为其工程化应用奠定了基础。     

水下声学浮标南中国海海洋环境噪声实测分析*

海洋环境噪声是多种自然噪声和人为噪声的复杂组合,其谱级大小和频率组成是影响声纳系统探测性能的重要参数,由于海洋环境噪声时空域特性是非常复杂的,因此需要对海洋环境噪声进行长时间和大范围的观测才足以分析其特性。本文通过在多剖面水下浮标平台基础上集成声学测量系统,研制出了一种具有海洋环境噪声监测能力的水下声学浮标平台,该浮标平台可多次上浮、下潜,具备原位坐底和定深漂流两种工作模式,能够连续观测海洋环境噪声时长多达几个月。利用2019年8月在南海海区组织的多台水下声学浮标组网试验数据,分析了不同频率海洋环境噪声谱级随时间变化特性,数据处理结果符合海洋环境噪声典型变化规律,试验表明,水下声学浮标可作为一种潜在的优势水下无人移动平台,用于长期监测海洋环境噪声特性。     

载人潜水器“蛟龙”号的水声通信信号处理

蛟龙号的水声通信机实现了世界上首次7000 m深度的潜器与母船间的图像、语音、数据和文字的水声通信传输。研究了适用于载人潜水器的水声通信信号处理。(1)它有4种通信功能:1)相干水声通信,传输速率为5~15 kbps,用于传输图像;2)非相干水声通信,传输速率300 bps,传输文字、指令和数据;3)扩频水声通信,传输速率16 bps,传输指令;4)水声语音通信,采用单边带调制技术传输语音。(2)相干水声通信信号处理方法主要是自适应多普勒补偿的多通道自优化判决反馈自适应均衡器,它与Turbo码级联工作,同时采用定长编码的小波图像压缩方法。(3)声呐线阵吊放至水中一定深度,实现空间分集合并技术。(4)太平洋水域试验表明,水声通信机的作用距离几乎覆盖了所有地球海洋的深度,7s或14s传输一幅光图或声图。      

基于声矢量传感器的分布式定位系统在水下宽带声源定位中的应用

提出了基于声矢量传感器的分布式浮标网络定位系统,研究了不同应用背景下单个声矢量传感器的测向算法,推导了目标DOA估计的Cramer-Rao界,给出了分层海水介质中多个声矢量传感器的几何定位算法。数值仿真结果表明:(1)系统的定位性能强烈依赖于接收信噪比;(2)该系统适用于单一强声源的定位。     

第一讲进入21世纪的声纳技术

海洋开发和反潜战的需求是推动声纳技术开发的巨大动力.水声物理、水声信号处理及相关学科的发展又促使声纳设计日趋完善.文章介绍了声纳技术在进入21世纪时所面临的机遇和挑战,水声信号处理领域近期研究的热点问题以及声纳系统设计中的技术创新课题.     

海洋光学浮标实时图像监测系统的设计与实现

设计了依托于海洋光学浮标平台的图像监测系统,可实时采集浮标点海面与水体的图像数据。采用新型的图像采集装置,解决了图像监测系统因浮标浮动而导致的图像失真问题,克服了在DOS系统下对USB设备存储介质读取的难题,运用两种无线网络的同时传输增大了实验室与浮标数据交换的可靠性,举例分析了图像监测系统所获得的实时数据,验证了其正确性。     

超声激发声信号幅值实时监测HIFU焦域组织损伤*

聚焦超声消融肿瘤过程中的损伤实时监测是临床治疗面临的一个关键难题,双频聚焦超声不仅能提高治疗效率,且能在共焦区域激发出声信号,该声信号的幅值、频率等信息与焦域组织的机械和声学特性紧密相关。本文构建了一种双频聚焦超声治疗及组织损伤实时监测系统。该系统在聚焦超声辐照离体组织过程中,通过外部水听器接收双频激发的组织声发射信号,并通过上位机进行高速数据采集、数字滤波、时频处理等,分析声发射信号幅值与离体组织损伤之间的变化规律。实验研究结果表明：随着焦域组织损伤的形成,其弹性等声学特征发生改变,导致声发射信号幅值逐渐降低,表明声发射信号幅值的变化可较好地反映靶组织声学特征和结构的变化,从而实现聚焦超声治疗中靶组织损伤的实时监测。本文提出的监测方案相比传统超声影像监控更灵敏,有望为聚焦超声临床治疗中的组织损伤监控提供一种新的实时监测方案和手段。     

基于通用数据采集卡的水声应答器设计

水声应答器(Acoustic Transponder/Responder)是一类常用的水声设备,主要功能是完成水下设备的定位和导航,广泛应用在水声系统测试、目标模拟以及水声科学试验中。本文以NI公司的PCI-6052采集卡和工控机构成信号处理模块,设计出了一种可灵活配置的水声应答系统(ESRAE,Extensible Sound Responder for Acoustic Experiments),通过环境噪声电平的跟踪估计和脉冲判决技术实现了复杂海洋条件下脉冲检测、回发功能,并在海洋水声信道测量试验中得到了成功的应用。     

HDP-HSMM的磨削声发射砂轮钝化状态识别*

在高精度金属材料磨削加工中,刀具即砂轮的状态对加工效率和加工质量具有重要的影响。钝化程度较高的砂轮不适于加工精密工件,需提前预警并修整更换砂轮。该文提出一种通过磨削声发射信号来检测砂轮钝化状态的方法。首先,对于采集到的信号进行小波软阈值降噪。然后,将其分割成多个有重叠的帧,并提取每帧信号的8个特征组成声发射数据集。最后,通过分层Dirichlet过程-隐半马尔可夫模型来建立声发射数据集和不同的砂轮钝化状态之间的非线性关系,旨在识别砂轮钝化状态。结果表明,上述检测方法能有效识别砂轮的不同钝化状态并能对整个加工过程中的砂轮钝化程度进行自动划分,其在测试数据集上的准确率达到93.7%,可以为实际工业应用提供理论指导。