專利名稱：復(fù)雜背景下微弱信號(hào)檢測(cè)和特征分析系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)雜背景下微弱信號(hào)檢測(cè)和特征分析系統(tǒng)，是一種自動(dòng)探測(cè)和記錄海洋環(huán)境噪聲以及行船噪聲特性的裝置，涉及信號(hào)檢測(cè)、模式識(shí)別等領(lǐng)域，能直接應(yīng)用于水中兵器的預(yù)警值班系統(tǒng)和戰(zhàn)斗引信中。
背景技術(shù)：
我國(guó)有很豐富的海洋資源，了解各個(gè)海域中海洋的眾多水文資料以及跟蹤研究某一海域的海洋生物的活動(dòng)對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)等都是十分有意義的，而研究行船噪聲特性對(duì)船舶的降噪處理對(duì)于保衛(wèi)我國(guó)廣闊的鄰海安全則更是一項(xiàng)重要的國(guó)防任務(wù)。因此研制一種能夠較長(zhǎng)時(shí)間在水下工作且無(wú)需人工干預(yù)的裝置是很有必要的。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)水聲噪聲研究的檢測(cè)系統(tǒng)有許多，國(guó)外也有相應(yīng)的水聲檢測(cè)設(shè)備，例如丹麥的B&K公司的水聲設(shè)備非常先進(jìn)。但是這些系統(tǒng)和產(chǎn)品都存在許多缺點(diǎn)(1)設(shè)備體積較大或外形固定，無(wú)法形成子系統(tǒng)用于特定要求的系統(tǒng)中；(2)價(jià)格昂貴，使得系統(tǒng)成本大幅度提升，目前可以用低功耗的A/D器件基本完成本系統(tǒng)的性能，但成本太高(約幾十倍甚至上百倍)；(3)總增益和增益單位大小固定，不能夠根據(jù)實(shí)際需求靈活改變，使用不方便。另一方面檢測(cè)算法過(guò)于復(fù)雜(如吳國(guó)清等，水聲瞬態(tài)信號(hào)短時(shí)譜形態(tài)及譜相關(guān)法檢測(cè)，聲學(xué)學(xué)報(bào)，Vol.25，No.6，510-515)無(wú)法在實(shí)際的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種復(fù)雜背景下微弱信號(hào)檢測(cè)和特征分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜背景情況下長(zhǎng)期自動(dòng)探測(cè)和記錄海洋環(huán)境噪聲以及行船噪聲特性，具有體積小、檢測(cè)能力強(qiáng)及性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括檢測(cè)子系統(tǒng)、信號(hào)處理子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)。檢測(cè)子系統(tǒng)由放大器、增益衰減網(wǎng)絡(luò)、程控帶通濾波器、限幅放大器、比較器和單片微處理器構(gòu)成，利用過(guò)零量和增益值結(jié)合Nyman-Pearson檢測(cè)完成對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)；信號(hào)處理子系統(tǒng)由通用外圍接口、高速數(shù)字處理器和采集器構(gòu)成，分析噪聲并記錄頻譜特性和時(shí)域統(tǒng)計(jì)特性；輔助子系統(tǒng)由電源模塊、掉電監(jiān)控模塊、并行接口和串行接口構(gòu)成，可以與打印機(jī)、計(jì)算機(jī)連接，可以做進(jìn)一步的研究和信息存儲(chǔ)；單片微處理器和高速數(shù)字處理器的數(shù)據(jù)通過(guò)通用外圍接口傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器。
本發(fā)明的系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由檢測(cè)子系統(tǒng)、信號(hào)處理子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)組成，具體結(jié)構(gòu)為輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)水聽器連接到放大器，放大器通過(guò)增益衰減網(wǎng)絡(luò)連到單片微處理器并受其控制，放大器輸出接程控帶通濾波器的輸入，程控帶通濾波器的輸出經(jīng)限幅放大器再連接到比較器，比較器及限幅放大器分別與單片微處理器相連，放大器、增益衰減網(wǎng)絡(luò)、程控帶通濾波器、限幅放大器、比較器和單片微處理器構(gòu)成檢測(cè)子系統(tǒng)。單片微處理器與信號(hào)處理子系統(tǒng)中的通用外圍接口連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通用外圍接口與高速數(shù)字處理器相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。高速數(shù)字處理器與一個(gè)采集器連接，采集器的輸入從程控帶通濾波器的輸出接入，通用外圍接口、高速數(shù)字處理器和采集器構(gòu)成信號(hào)處理子系統(tǒng)。高速數(shù)字處理器通過(guò)一個(gè)串行接口連接計(jì)算機(jī)，通用外圍接口通過(guò)一個(gè)并行接口連接打印機(jī)；所有器件的供電由電源模塊提供，電源模塊與掉電監(jiān)控模塊連接，掉電監(jiān)控模塊與單片微處理器連接，電源模塊、掉電監(jiān)控模塊、并行接口和串行接口構(gòu)成輔助子系統(tǒng)；通用外圍接口與存儲(chǔ)器相連，單片微處理器和高速數(shù)字處理器的數(shù)據(jù)通過(guò)通用外圍接口傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器。
在本發(fā)明的檢測(cè)子系統(tǒng)中，運(yùn)用低功耗單片微處理器控制由多級(jí)運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)形成的增益放大器網(wǎng)絡(luò)和增益衰減網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)放大監(jiān)控，使信號(hào)的幅值被控制在一個(gè)固定值的附近。檢測(cè)信號(hào)幅值是否被控制在一個(gè)固定值附近的功能是利用程控帶通濾波器、限幅放大器以及比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這時(shí)對(duì)信號(hào)的增益值就能夠反映出信號(hào)幅值的變化情況?？刂菩盘?hào)幅值增益的過(guò)程是由單片微處理器以多位二進(jìn)制數(shù)來(lái)控制放大或增益網(wǎng)絡(luò)中各級(jí)運(yùn)算放大器。具體的位數(shù)可以根據(jù)實(shí)際問(wèn)題需要的精度來(lái)選擇。檢測(cè)子系統(tǒng)的檢測(cè)功能是通過(guò)檢測(cè)軟件由微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。硬件檢測(cè)子系統(tǒng)和檢測(cè)軟件共同構(gòu)成了本發(fā)明系統(tǒng)的值更模塊。
本發(fā)明的檢測(cè)軟件是基于二元假設(shè)和Nyman-Pearson(奈曼—皮爾遜)準(zhǔn)則在虛警概率一定的情況下設(shè)計(jì)的，而檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量是信號(hào)每一秒中的平均過(guò)零點(diǎn)數(shù)和每一秒中的幅值平均數(shù)。觀測(cè)信號(hào)是海洋環(huán)境噪聲和船舶輻射噪聲的合成信號(hào)。當(dāng)無(wú)船舶出現(xiàn)時(shí)，觀測(cè)信號(hào)中僅有海洋環(huán)境噪聲，其每一秒中的平均過(guò)零點(diǎn)數(shù)和每一秒中的幅值平均數(shù)經(jīng)過(guò)平滑處理是平穩(wěn)和基本恒定的。但是當(dāng)船舶出現(xiàn)后，觀測(cè)信號(hào)中由于船舶信號(hào)的增強(qiáng)，每一秒中的平均過(guò)零點(diǎn)數(shù)和每一秒中的幅值平均數(shù)會(huì)發(fā)生變化，即過(guò)零點(diǎn)數(shù)隨著船舶的靠近而變小，幅值隨著船舶的靠近而變大。利用Nyman-Pearson準(zhǔn)則以及給定的虛警概率，可以求得判定船舶出現(xiàn)的閾值。當(dāng)連續(xù)三次(三秒鐘)都超越閾值時(shí)就產(chǎn)生報(bào)警。
本發(fā)明專門設(shè)計(jì)了通用外圍接口的輔助子系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有模塊化的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的功耗。輔助子系統(tǒng)主要有兩項(xiàng)功能一個(gè)功能是配合檢測(cè)子系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)了電源模塊和系統(tǒng)掉電監(jiān)護(hù)模塊。電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和電流，掉電監(jiān)護(hù)模塊的功能是在發(fā)生系統(tǒng)突然掉電情況下，通知微處理器保存數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)，另外當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾使得微處理器中的程序發(fā)生“死機(jī)”情況下能夠保存數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)，并重新啟動(dòng)微處理器，繼續(xù)工作，保證檢測(cè)系統(tǒng)不會(huì)失效。輔助子系統(tǒng)的另外一個(gè)功能是當(dāng)本系統(tǒng)完成任務(wù)，回收到實(shí)驗(yàn)室時(shí)，輔助子系統(tǒng)具可以通過(guò)串行接口與計(jì)算機(jī)連接，將系統(tǒng)中記錄的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，也可以通過(guò)并行接口與打印機(jī)連接，通過(guò)打印機(jī)將檢測(cè)曲線打印出來(lái)。
本發(fā)明的信號(hào)處理子系統(tǒng)運(yùn)用了低功耗高速數(shù)字處理器，解決了信號(hào)處理算法對(duì)運(yùn)算能力的要求。當(dāng)檢測(cè)子系統(tǒng)確認(rèn)有船舶出現(xiàn)，將信息發(fā)給信號(hào)處理子系統(tǒng)，信號(hào)處理子系統(tǒng)將檢測(cè)數(shù)據(jù)以及門限閾值存儲(chǔ)起來(lái)。啟動(dòng)低功耗A/D采集信號(hào)，作快速傅立葉變換(FFT)，檢測(cè)線譜，估計(jì)功率普形狀，以便進(jìn)一步確認(rèn)船舶是否真的出現(xiàn)。
本發(fā)明采用子系統(tǒng)構(gòu)成的模塊化結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需求靈活改變，降低了系統(tǒng)成本。檢測(cè)子系統(tǒng)利用過(guò)零檢測(cè)、幅度檢測(cè)原理檢測(cè)信號(hào)，不僅采用無(wú)A/D且作到全數(shù)字化處理，而且能估算出噪聲強(qiáng)度。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，本發(fā)明系統(tǒng)具有體積小、功耗低(＜10毫瓦)、檢測(cè)能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)原理框圖。
圖2時(shí)變背景中的統(tǒng)計(jì)平均檢測(cè)原理圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示，主要由三大部分組成，檢測(cè)子系統(tǒng)放大器、增益衰減網(wǎng)絡(luò)、程控帶通濾波器、限幅放大器、比較器、單片微處理器；信號(hào)處理子系統(tǒng)低功耗高速數(shù)字處理器和采集器、通用外圍接口；輔助子系統(tǒng)電源、掉電監(jiān)控、串行接口和并行接口。其中單片微處理器是主控CPU，系統(tǒng)的全部任務(wù)由它控制完成。前端水聽器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)前置放大器輸入本系統(tǒng)，單片微處理器和高速數(shù)字處理器的數(shù)據(jù)通過(guò)通用外圍接口傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器。
系統(tǒng)的具體連接如下系統(tǒng)分為檢測(cè)子系統(tǒng)、信號(hào)處理子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)。輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)水聽器到放大器，放大器通過(guò)增益衰減網(wǎng)絡(luò)連到單片微處理器GMS90C32并受其控制，放大器輸出接程控帶通濾波器的輸入，程控帶通濾波器的輸出經(jīng)限幅放大器再連接到比較器。比較器、限幅放大器分別與單片微處理器GMS90C32相連。放大器、增益衰減網(wǎng)絡(luò)、程控帶通濾波器、限幅放大器、比較器和單片微處理器GMS90C32構(gòu)成了檢測(cè)子系統(tǒng)。單片微處理器GMS90C32與信號(hào)處理子系統(tǒng)中的通用外圍接口ZPSD301A連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通用外圍接口ZPSD301A與高速數(shù)字處理器ADSP2181相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；高速數(shù)字處理器ADSP2181與一個(gè)采集器連接，采集器的輸入是從程控帶通濾波器的輸出接入。ZPSD301A，ADSP2181和采集器構(gòu)成了信號(hào)處理子系統(tǒng)。ADSP218連接一個(gè)串行接口，以備與計(jì)算機(jī)連接；ZPSD301A與一個(gè)并行接口連接，以備接打印機(jī)；所有的器件的供電有電源模塊提供；而電源模塊與掉電監(jiān)控模塊(MAX706P)連接，以監(jiān)控電源的電壓是否正常；同時(shí)掉電監(jiān)控模塊與GMS90C32連接，當(dāng)電源工作不正常將向GMS90C32提供報(bào)警。電源模塊、掉電監(jiān)控模塊、并行接口和串行接口構(gòu)成了輔助子系統(tǒng)。通用外圍接口ZPSD301A與存儲(chǔ)器相連，將單片微處理器GMS90C32和高速數(shù)字處理器ADSP2181的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器。
1、檢測(cè)子系統(tǒng)該子系統(tǒng)的主要任務(wù)是探測(cè)海洋中異常噪聲的產(chǎn)生，作出有與無(wú)的判決。
考慮到水聽器的輸出和數(shù)字處理的需要，確定了放大器的總放大量為80dB，CPU通過(guò)增益控制字的低六位控制衰減網(wǎng)絡(luò)，控制精度為1.25dB，那么衰減網(wǎng)絡(luò)的總衰減量為78.75dB，由此達(dá)到控制通道總增益的目的。程控帶通濾波器由增益控制字的高兩位控制，它的通帶頻率和止帶頻率可以根據(jù)研究的對(duì)象不同而分別設(shè)置，本發(fā)明實(shí)驗(yàn)的對(duì)象是船舶噪聲，因此根據(jù)研究的需要將兩個(gè)頻段分別設(shè)置為100-800Hz和10-10000Hz兩種濾波器；前者服務(wù)于過(guò)零檢測(cè)，后者服務(wù)于限帶能量檢測(cè)(幅度檢測(cè))。圖中的比較器是一個(gè)電壓門限，用于增益控制。信號(hào)將與此門限比較，比較結(jié)果是一系列脈沖，送給CPU的T2(定時(shí)器/計(jì)數(shù)器)做一秒鐘記數(shù)，T0(定時(shí)器/計(jì)數(shù)器)提供一秒鐘中斷。在軟件中又設(shè)置一脈沖個(gè)數(shù)雙門限，將所記的脈沖個(gè)數(shù)與上下門限比較，其結(jié)果作為CPU調(diào)整衰減網(wǎng)絡(luò)的依據(jù)，并對(duì)增益控制字作相應(yīng)的增減調(diào)整，使得通道輸出保持恒定的輸出均值。與此同時(shí)CPU記錄此增益控制字。程控濾波器的輸出信號(hào)將再通過(guò)整形放大，成為一系列脈沖，傳給CPU的T1(定時(shí)器/計(jì)數(shù)器)，進(jìn)行每一秒的過(guò)零點(diǎn)記數(shù)。
檢測(cè)子系統(tǒng)中單片微處理器CPU的功能(1)調(diào)整增益控制字使輸出穩(wěn)定。
(2)CPU處理秒中斷，讀取一秒鐘的過(guò)零點(diǎn)數(shù)和增益控制數(shù)。
(3)分別對(duì)過(guò)零點(diǎn)數(shù)X和幅度衰減量Q作統(tǒng)計(jì)平均處理，估計(jì)出背景過(guò)零點(diǎn)和幅度相對(duì)量的均值、方差，并產(chǎn)生自動(dòng)門限；然后實(shí)時(shí)判決，若兩者中有一發(fā)現(xiàn)信號(hào)出現(xiàn)，將啟動(dòng)高速數(shù)字處理器ADSP2181。
(4)監(jiān)測(cè)電源電壓，做掉電保護(hù)處理。當(dāng)電源電壓小于預(yù)先設(shè)定的警戒值時(shí)，掉電監(jiān)控模塊MAX706P向CPU發(fā)出中斷申請(qǐng)，CPU將及時(shí)保存當(dāng)前的狀態(tài)和采集處理過(guò)的參數(shù)。
(5)處理完成后，自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。根據(jù)計(jì)算，本發(fā)明的系統(tǒng)CPU有95％的時(shí)間處于休眠狀態(tài)，這樣確保CPU平均功耗很低。
(6)控制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，驅(qū)動(dòng)打印機(jī)，與微機(jī)的串行通訊管理，與高速數(shù)字處理器ADSP2181進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
在這一子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的軟件算法，即預(yù)處理判決過(guò)程是由過(guò)零檢測(cè)和幅度檢測(cè)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的，只要有一種檢測(cè)發(fā)現(xiàn)信號(hào)，系統(tǒng)將啟動(dòng)信號(hào)處理子系統(tǒng)。當(dāng)然，在何種情況下啟動(dòng)信號(hào)處理子系統(tǒng)，可以根據(jù)需要在程序中設(shè)定。
過(guò)零信號(hào)檢測(cè)是一種基于統(tǒng)計(jì)限帶輸入信號(hào)波形的單位時(shí)間內(nèi)過(guò)零點(diǎn)數(shù)變化來(lái)檢測(cè)微弱信號(hào)的方法。如果一個(gè)信號(hào)的出現(xiàn)引起了功率譜成分的變化，則單位時(shí)間過(guò)零點(diǎn)數(shù)的均值也發(fā)生變化。平穩(wěn)高斯隨機(jī)噪聲的單位時(shí)間過(guò)零點(diǎn)數(shù)的均值A(chǔ)與功率譜密度W(f)的關(guān)系為A=2·[∫0∞f2W(f)df/∫0∞W(f)df]1/2---(1)]]>對(duì)限帶高斯噪聲加正弦分量(線譜分量)的情形，按照Rice公式導(dǎo)出的單位時(shí)間過(guò)零點(diǎn)數(shù)的均值為A=2·[13(fL2+fLfH+fH2)+rfs21+r]1/2---(2)]]>其中fH為通帶上限頻率，fL為通帶下限頻率，fs為線譜分量的頻率，r是線譜分量與限帶內(nèi)連續(xù)譜噪聲的功率比。在行船的輻射噪聲中存在許多由推進(jìn)器產(chǎn)生的線譜分量，因此它的出現(xiàn)必將造成過(guò)零點(diǎn)數(shù)的變化。通常海洋背景噪聲的過(guò)零點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值變化緩慢，且服從高斯分布，故其變化可視為參數(shù)(均值和方差)的變化。連續(xù)參數(shù)估計(jì)的方法可獲過(guò)零點(diǎn)數(shù)均值的時(shí)變自動(dòng)門限，并檢測(cè)推進(jìn)器引起的過(guò)零點(diǎn)數(shù)的明顯變化。過(guò)零檢測(cè)的突出優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。
限帶能量檢測(cè)的實(shí)用最佳檢測(cè)器是平方律檢波積分器。對(duì)低信噪比的弱信號(hào)檢測(cè)，用線性檢波代替平方律檢波因此造成的輸出信噪比損失為0.57dB，但運(yùn)算大為簡(jiǎn)化。檢測(cè)子系統(tǒng)就是進(jìn)行線性的幅度數(shù)字信號(hào)檢測(cè)。系統(tǒng)整個(gè)通道的總增益DR(dB)是一定的，而衰減網(wǎng)絡(luò)是由單片微處理器給出的六位二進(jìn)制數(shù)Wi來(lái)控制的(每一個(gè)衰減單位為1.25dB)，所以增益衰減量Q為Q＝WN·DR/21+WN-1·DR/22+…+W1·DR/2N(3)既然輸出是恒定的，Q的變化反映了信號(hào)幅度的動(dòng)態(tài)變化，而且是六位二進(jìn)制數(shù)字量，易于與CPU做無(wú)A/D連接，進(jìn)行數(shù)字化檢測(cè)。如果對(duì)Q的抽樣時(shí)間間隔遠(yuǎn)大于限帶噪聲帶寬的倒數(shù)時(shí)，可認(rèn)為Q值抽樣值之間不相關(guān)，從而對(duì)Q抽樣可作信號(hào)幅度的統(tǒng)計(jì)檢測(cè)。
本發(fā)明限帶能量檢測(cè)的突出優(yōu)點(diǎn)是在完成對(duì)船舶噪聲檢測(cè)的同時(shí)，可以利用Q統(tǒng)計(jì)均值給出船舶輻射噪聲強(qiáng)度的估值(當(dāng)已給定水聽器靈敏度值、預(yù)處理系統(tǒng)增益最大值及設(shè)定的輸出均值)。
由于同時(shí)用限帶噪聲幅度檢測(cè)的增益控制權(quán)系數(shù)W和單位時(shí)間過(guò)零點(diǎn)數(shù)A來(lái)檢測(cè)輸入噪聲的時(shí)、頻域特性的變化，它們均為二進(jìn)制數(shù)，因此可以用同樣的檢測(cè)方案處理，節(jié)省CPU的資源和時(shí)間。下面是檢測(cè)方案隨機(jī)過(guò)程X(t)被檢測(cè)的一段長(zhǎng)為N的樣本值序列可以用多維向量X來(lái)表示X＝[x1，x2，...，xN]Tx1，x2，…，xN相互獨(dú)立。假設(shè)其未出現(xiàn)信號(hào)時(shí)的均值為A0，出現(xiàn)信號(hào)時(shí)均值為A1，方差為σ2，則向量的條件概率密度為P(X|H0)=1(2πσ2)N/2exp[-Σi=1n(X(i)-A0)22σ2]---(4)]]>
P(X|H1)=1(2πσ2)N/2exp[-Σi=1N(X(i)-A1)22σ2]---(5)]]>其中H0表示未出現(xiàn)信號(hào)，H1表示信號(hào)出現(xiàn)；求得似然比函數(shù)λ(X)=P(X|H1)/P(X|H0)=exp[-Σi=1N(X(i)-A1)22σ2+Σi=1N(X(i)-A0)22σ2]]]>=exp[A1-A0σ2Σi=1NX(i)-N(A12-A02)2σ2]---(6)]]>ln(λ(X))=A1-A0σ2Σi=1NX(i)-N(A12-A02)2σ2---(7)]]>假設(shè)一門限λT，有 為了減小統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量的方差，對(duì)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量做平均處理，則均值不變，方差為σ2/N，此時(shí)有X~=1NΣi=1NX(i),]]>稱之為短樣本參數(shù)估計(jì)?？梢缘玫?在這里應(yīng)用Neyman-Pearson準(zhǔn)則，假設(shè)檢測(cè)器的虛警概率為α，則有Pf=∫X~c∞P(X~|H0)dX~=α---(10)]]>由于觀測(cè)統(tǒng)計(jì)量X由海洋環(huán)境噪聲隨時(shí)間的變化是時(shí)變的，因此對(duì)環(huán)境噪聲的統(tǒng)計(jì)量 需要時(shí)實(shí)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。假設(shè)通過(guò)統(tǒng)計(jì)平均處理估計(jì)出觀測(cè)統(tǒng)計(jì)量的均值方差，根據(jù)檢測(cè)器能夠容許的虛警概率，得到觀測(cè)統(tǒng)計(jì)量的均值的置信區(qū)間。對(duì)于 其均值為 方差為σ2/N；當(dāng)N較大時(shí)，觀測(cè)統(tǒng)計(jì)量ΘΘ=X~-A~σ/N---(11)]]>均值為0，方差為1，我們稱之為長(zhǎng)樣本參數(shù)估計(jì)。根據(jù)檢測(cè)器能夠容許的虛警概率α，得到統(tǒng)計(jì)量均值的置信區(qū)間100·(1-α)％，根據(jù)高斯分布函數(shù)，應(yīng)有P(Θ≤Θα)＝1-α (12)得到置信區(qū)間上限為 由于σ2是未知的，因此它需要通過(guò)估計(jì)得到s2來(lái)逼近，這樣樣本的統(tǒng)計(jì)量為ΘX~=(X~-A~)/SN---(14)]]>服從n-1自由度的t分布。置信區(qū)間上限為ωtup=μ~+Sn·tα---(15)]]>根據(jù)Neyman-Pearson準(zhǔn)則，在給定虛警概率的情況下，計(jì)算似然比并設(shè)定AT使得檢測(cè)概率最大。雖然實(shí)際的背景是非平穩(wěn)的，因而均值A(chǔ)0是時(shí)變的，但幸運(yùn)的是海洋背景噪聲的變化緩慢，有時(shí)需幾分鐘甚至十幾分鐘才能看到其參數(shù)(均值、方差)的明顯變化，故可據(jù)上式做判決，但對(duì)過(guò)零檢測(cè)A或能量檢測(cè)W應(yīng)有不同的值。
圖2給出時(shí)變背景中信號(hào)檢測(cè)運(yùn)算框圖，用短樣本參數(shù)估計(jì)船舶噪聲引起的變化，用長(zhǎng)樣本參數(shù)估計(jì)描述海洋背景A均值A(chǔ)0和方差σ2的估值。運(yùn)用區(qū)間估計(jì)來(lái)計(jì)算A0的置信區(qū)間，并產(chǎn)生似然比檢測(cè)的實(shí)時(shí)自動(dòng)門限。
2、輔助子系統(tǒng)并行接口與打印機(jī)、繪圖儀連接，CPU可以統(tǒng)一將過(guò)零通過(guò)特性曲線、能量通過(guò)特性曲線、各譜分析曲線以及一些特征參量打印出來(lái)。串行口用于與微型計(jì)算機(jī)通訊。
另外在此子系統(tǒng)中，通過(guò)掉電監(jiān)控模塊MAX706P，CPU實(shí)時(shí)監(jiān)控電源電壓，當(dāng)電源電壓低于設(shè)定值時(shí)，CPU將自動(dòng)重新啟動(dòng)，確保不會(huì)因?yàn)橥饨绲碾妷翰▌?dòng)導(dǎo)致CPU死機(jī)。系統(tǒng)的電源由MAX639與相應(yīng)的一些外圍器件構(gòu)成。該電源對(duì)外界的輸入電源要求很低(只需5-11V)，就可以提供系統(tǒng)所要的幾種電壓。
3、信號(hào)處理子系統(tǒng)當(dāng)過(guò)零檢測(cè)或能量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)船舶噪聲信號(hào)和生物群噪聲出現(xiàn)后，立即觸發(fā)高速數(shù)字處理器ADSP2181，使ADSP2181擺脫休眠狀態(tài)，啟動(dòng)A/D采集器，采集信號(hào)，并利用這些數(shù)據(jù)作各種分析。高速數(shù)字處理器ADSP2181的主要工作是在隨后的每一個(gè)一秒內(nèi)完成(1)啟動(dòng)后用FFT算法的實(shí)現(xiàn)，計(jì)算噪聲的瞬時(shí)譜和八次平均功率譜。
(2)記錄下每一時(shí)刻過(guò)零點(diǎn)數(shù)與幅度增益控制數(shù)。
(3)通過(guò)通用外圍接口ZPSD301A與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。
(4)完成任務(wù)后自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，這樣ADSP2181的工作時(shí)間可以縮短，平均功耗大幅度降低到小于1毫瓦數(shù)量級(jí)。
這些工作的終止時(shí)刻為過(guò)零值與幅度值均和報(bào)警時(shí)的量值一致的時(shí)刻。
當(dāng)單片微處理器GMS90C32啟動(dòng)高速數(shù)字處理器器ADSP2181，其主要的工作是計(jì)算信號(hào)的功率譜、線譜檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
信號(hào)處理子系統(tǒng)中的軟件算法是采用基2FFT算法實(shí)現(xiàn)了功率譜分析，做2048點(diǎn)的八譜平均，有效分析頻段800Hz，頻率分辯率為1Hz。ADSP2181芯片實(shí)現(xiàn)1024定點(diǎn)的FFT運(yùn)算時(shí)間為1.07毫秒，浮點(diǎn)FFT的運(yùn)算時(shí)間為3毫秒，因而能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算。對(duì)平均譜做線譜檢測(cè)，并保存線譜的位置與線譜的幅值。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)雜背景下微弱信號(hào)檢測(cè)和特征分析系統(tǒng)，其特征在于由檢測(cè)子系統(tǒng)、信號(hào)處理子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)組成，輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)水聽器連接到放大器，放大器通過(guò)增益衰減網(wǎng)絡(luò)連到單片微處理器并受其控制，放大器輸出接程控帶通濾波器的輸入，程控帶通濾波器的輸出經(jīng)限幅放大器再連接到比較器，比較器及限幅放大器分別與單片微處理器相連，放大器、增益衰減網(wǎng)絡(luò)、程控帶通濾波器、限幅放大器、比較器和單片微處理器構(gòu)成檢測(cè)子系統(tǒng)；單片微處理器與信號(hào)處理子系統(tǒng)中的通用外圍接口連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通用外圍接口與高速數(shù)字處理器相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；高速數(shù)字處理器與一個(gè)采集器連接，采集器的輸入從程控帶通濾波器的輸出接入，通用外圍接口、高速數(shù)字處理器和采集器構(gòu)成信號(hào)處理子系統(tǒng)；高速數(shù)字處理器通過(guò)一個(gè)串行接口連接計(jì)算機(jī)，通用外圍接口通過(guò)一個(gè)并行接口連接打印機(jī)；所有器件的供電由電源模塊提供，電源模塊與掉電監(jiān)控模塊連接，掉電監(jiān)控模塊與單片微處理器連接，電源模塊、掉電監(jiān)控模塊、并行接口和串行接口構(gòu)成輔助子系統(tǒng)；通用外圍接口與存儲(chǔ)器相連，單片微處理器和高速數(shù)字處理器的數(shù)據(jù)通過(guò)通用外圍接口傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)雜背景下微弱信號(hào)檢測(cè)和特征分析系統(tǒng)，其特征在于所述檢測(cè)子系統(tǒng)的檢測(cè)功能通過(guò)檢測(cè)軟件由單片微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量是信號(hào)每一秒中的平均過(guò)零點(diǎn)數(shù)和每一秒中的幅值平均數(shù)，觀測(cè)信號(hào)是海洋環(huán)境噪聲和船舶輻射噪聲的合成信號(hào)，利用Nyman-Pearson準(zhǔn)則以及給定的虛警概率，求得判定船舶出現(xiàn)的閾值，當(dāng)超越閾值時(shí)就產(chǎn)生報(bào)警。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的復(fù)雜背景下微弱信號(hào)檢測(cè)和特征分析系統(tǒng)，其特征在于所述程控帶通濾波器由增益控制字的高兩位控制，其通帶頻率和止帶頻率分別設(shè)置為100-800Hz和10-10000Hz，分別用于過(guò)零檢測(cè)和幅度檢測(cè)。
全文摘要
一種復(fù)雜背景下微弱信號(hào)檢測(cè)和特征分析系統(tǒng)，用于自動(dòng)探測(cè)和記錄海洋環(huán)境噪聲以及行船噪聲特性，包括檢測(cè)子系統(tǒng)、信號(hào)處理子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)。檢測(cè)子系統(tǒng)由放大器、增益衰減網(wǎng)絡(luò)、程控帶通濾波器、限幅放大器、比較器和單片微處理器構(gòu)成，利用過(guò)零量和增益值結(jié)合Nyman－Pearson檢測(cè)完成對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)；信號(hào)處理子系統(tǒng)由通用外圍接口、高速數(shù)字處理器和采集器構(gòu)成，分析噪聲并記錄頻譜特性；輔助子系統(tǒng)由電源模塊、掉電監(jiān)控模塊、并行接口和串行接口構(gòu)成，可以與打印機(jī)、計(jì)算機(jī)連接，做進(jìn)一步的研究和信息存儲(chǔ)；單片微處理器和高速數(shù)字處理器的數(shù)據(jù)通過(guò)通用外圍接口傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器。本發(fā)明具有體積小、檢測(cè)能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01H3/00GK1609570SQ20041008456
公開日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2004年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月25日
發(fā)明者周越 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)