非合作水声直扩信号检测软件设计开发∗

张 铮 张怡珺

（中船重工第715研究所 杭州 310023）

1 引言

直接序列扩频信号因其隐蔽性好、抗干扰能力强［1］等特点，在需要保密的水声通信，尤其是潜艇通信中有着极为广泛的应用。为了检测非合作条件下的直扩信号，国内外学者先后提出过多种方法，如功率谱法及其改进方法［2］，二次谱法［3］和倒谱法［4～5］，利用信号自相关特性的方法［6］，基于循环谱理论方法［7～8］，高阶累积量方法［9～10］等。多种方法在直扩信号的检测与估计方面各有利弊，虽有检测差异，但尚做不到某种方法全面领先，尤其是面对复杂多变的水声信道环境，多种方法的检测效果有待进一步验证［11～12］。为此，基于 LabVIEW语言设计开发了一款集合了功率谱法、倒谱法、自相关法及其相应的改进方法的检测软件，配合采集卡等设备，实现水声直扩信号地实时采集存储、检测处理和结果显示。

2 软件设计和开发

2.1 总体设计

利用 LabVIEW语言图形化编程的特点［13～14］，整个软件系统采用模块化设计，既保证了各软件模块之间的相对独立性，便于编写和调试，又能保证各模块完成一定的工作任务，提高了软件各功能的统一性，增加了程序的可移植性和可扩展性。

检测软件主体分为数据采集和信号处理两大部分，两部分作为两大基础模块，其他各种功能模块都作为小模块嵌入两大基础模块中，具体组成如图1所示。

整个检测软件的数据流结构如图2所示。

2.2 数据采集模块

基于LabVIEW虚拟仪器的测试系统具有一种典型的硬件结构：通过传感器将待测量的物理信号转换成电信号；转换后的电信号经信号调理器如测量放大器、功率放大器等进行预处理；处理后的模拟信号经数据采集设备转换为数字信号，便于计算机软件处理；最后，数字信号传入计算机中进行后续处理。本系统所使用的传感器为水听器，数据采集设备为NI公司的数据采集卡。

直扩检测系统的数据采集模块正与硬件结构中的采集设备对应，通过软件设定、驱动和控制硬件采集设备的工作状态。本系统的数据采集模块采用了经典的生产者-消费者数据处理结构，数据采集执行的具体步骤为

1）设定设备参数，保证软件能够与硬件采集设备通信；

2）设定采样率、采样模式、每次采集数据大小等相关采集参数，确保采集设备按要求采集；

3）在生产者循环中连续采集数据，当采集到的数据满足一定条件后存入数据队列中。在添加数据显示控件的情况下，可实时显示采集数据波形，便于观察判断；

4）存入队列中的数据按顺序进入消费者循环，信号处理模块在消费者循环中提取并处理数据。

在一般的采集系统中，经常出现一次采集数据中未能包含完整的一帧信号的情况。对于直扩检测系统来说，当采集的一窗信号中包含信号部分过少时，极大地降低了检测性能，容易造成信号漏检。为了防止这种情况的出现，本系统软件的数据采集模块做出了一定的改进。数据采集卡每次采集一窗数据并依次将之存入数据队列，如图3所示，编号为A1、A2……An。编程实现提取队列前端元素A1，并预览队列前端元素A2，由A1、A2组成一包数据一起进行数据处理，之后再销毁A1的方案。在完成一次数据处理后，A2又作为队列前端元素被提取，预览队列前端元素A3，由A2、A3组成一包数据一起处理，之后销毁A2。由此实现每次处理一包数据后，向后移动半包数据，能最大可能地保证每次进行信号处理的数据中包含尽可能多的有用信号，提高检测效果。

2.3 信号处理模块

信号处理模块是直扩检测系统的运算处理核心，能够实现对输入的信号进行相关处理并输出处理结果等功能。为了实现检测系统软件中兼容包含多种直扩信号检测方法，信号处理模块采用了一种二级并行选择结构，即先从功率谱检测、自相关检测和倒谱检测三大类检测方法中选择一种，再从对应的下拉菜单选项中选择具体的检测方法，以此实现多种检测方法整合在一款直扩检测系统中。

当一二级方法选择不对应时（例如一级方法选择倒谱检测，二级方法选择自相关法），软件使用一级方法的默认方法。为了避免上述情况发生，编程设定了当一级选择完成后，自动禁用未选择的其余两种二级选择菜单。

信号处理部分软件执行的具体步骤为

1）选择具体直扩检测方法；

2）根据选择方法设定对应参数，其中窗长参数作用于Bartlett法、Welch法、改进倒谱和改进自相关四种方法；步进长度参数作用于Welch法和改进自相关法；自回归阶数和NFFT点数两个参数专用于功率谱检测的自回归检测方法；阈值参数是各种方法检测判断信号有无的基准，因此各种方法都需要此参数，但不同方法需要的阈值并不相同。

3）经生产者结构采集的数据进入信号处理模块，根据选定的方法和参数处理数据，最终输出检测波形并判断信号存在性。

3 水池实验验证

为了验证所设计开发的检测软件的实际运行结果，在信道水池做了验证实验。水池长45m，宽6m，深5m，水池四壁有吸声尖劈。发射换能和水听器全为无指向性换能器，水听器为BK8104标准水听器。换能器吊放在水池2m深处，收发换能器间相距7m，换能器间保持相对静止。所用采集卡为NI公司的USB-6356。另外，实验还需要一台计算机运行检测软件。

直扩检测软件显控界面如图3所示，在本实验中，设定检测参数为窗长1024点，步进长度512点，自回归阶数128，NFFT点数2048，检测阈值根据检测方法设定。设定数据采集参数为采样率50000Hz，采样方式为连续采样，每次采集点数为50000点，即每次采集1s数据。

实验所用直扩信号采用BPSK调制，采样率fs=50000Hz，载波频率 f0=6000Hz，码片时长0.0005s，伪随机码阶数为8，即用255位伪随机码对信息码进行扩频，共50个信息码。生成的直扩信号经计算机声卡传递给发射换能器发射。

为了检测算法和软件在较低信噪比条件下的检测结果，实验过程中始终保持以较低能量发射信号，由此导致采集到的信号幅度较小，但不影响算法检测。较具代表性的Welch法、倒谱法和改进自相关法检测结果如图5～7所示，左侧为有信号时局部检测界面，右侧为无信号时检测对比图。

多种功率谱检测方法在无信号时的检测结果显示，水池的水声信道环境复杂，具有多个很强的单频信号，其中3kHz，6kHz，13.25kHz和16.5kHz等几个信号幅度较强，在一定程度上影响功率谱方法检测。另一方面，在无信号时功率谱检测方法并未受这几个单频信号影响，判定信号存在，这也说明了软件的信号处理部分能在一定程度上抑制单频干扰影响，保证检测算法有较低的虚警概率。倒谱法和自相关检测方法利用直扩信号的周期性进行检测，从检测结果可以看出，多个窄带单频干扰基本未影响到直扩信号的检测。

4 结语

本款利用LabVIEW开发的水声直扩信号检测软件经过水池实验验证，配合采集卡、水听器等设备能够实现对水声直扩信号地实时采集存储，检测处理和结果显示。软件包含了功率谱法、倒谱法和自相关法三大类直扩信号检测方法及相应的改进方法，能够根据环境实时变换检测方法，发挥多种方法联合检测的优点。