基于形态滤波的水声通信多音唤醒信号检测方法*

唐立赫，张锦灿，王志欣

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引言

水声通信机通常部署在水下固定或移动平台，依靠平台提供的能源进行信号发射和接收。由于水下平台能源十分有限，通常要求在没有数据收发时，水声通信机保持在低功耗状态，核心处理模块进入休眠状态，仅依靠低功耗值班电路维持唤醒信号检测功能，检测到唤醒信号后值班电路才启动核心处理电路，进行相应的复杂运算，完成通信信号的解析处理，因此水声通信机能否准确捕获唤醒信号十分重要[1]。海洋环境中各种噪声会影响到唤醒信号的捕获准确性，因此，本文将形态滤波方法引入到水声通信机唤醒信号检测过程中。形态滤波方法相比于其他方法，在处理过程中可估计出噪声包络，同时保证信号幅度不畸变、相位不偏移，可以提高水声通信机捕获唤醒信号的准确性[2-5]。

1 水声通信多音唤醒信号

一般的水声通信信号格式如图1所示，唤醒信号与后续同步信号和数据之间会存在多途保护间隔。常用的唤醒信号有线性调频信号、单音信号、多音信号。线性调频信号需通过匹配滤波方法捕获，但滤波器输出信号的检测阈值配置需根据试验条件动态调整，环境适应性较差；单音信号检测通常无需进行时频变换，使用陷波滤波器（Notch filter）实现，但存在一定的漏检和误检风险；多音信号兼顾算法计算复杂度和捕获准确性，是一种常用的水声通信唤醒信号类型。

图1 水声通信信号一般格式

多音信号是在水通机工作频带内，选取多个不同频率正弦波信号叠加形成的。假设不同频率个数为M，则多音唤醒信号xawaken(t)的计算公式为：

式中：Ak，fk，θk和tk分别为第k个正弦波的幅值、频率、初始相位和信号持续时间。在M=3时，唤醒信号功率谱如图2所示。

图2 M=3的多音唤醒信号功率谱

多音唤醒信号的检测通常采取频域能量过门限检测，即通过分析接收信号的频谱，根据某些已知频点上是否存在约定的信号，来判断是否接收到了唤醒信号，处理流程如下：

（1）通过快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）获得待检测信号的频谱Y(ω)；

（2）根据采样率和FFT点数获得频率分辨率，并计算Y(ω)对应频点fk处的频域能量Pk；

（3）计算接收信号通信频带内噪声能量均值Pn；

（4）定义GT为频点检测阈值，如果Pk/Pn>GT，即对应频率的频域能量与噪声能量的比值大于检测阈值时，则判定为检测到对应频率信号；

（5）如果M个单频信号均检测到对应频率信号，则判定成功捕获唤醒信号。

在外场试验中，多音唤醒信号受到水声信道频率选择性衰落、航船及环境噪声、水声通信机换能器接收灵敏度曲线不平坦的综合作用，噪底高低起伏，导致频点检测阈值GT确定困难，造成了唤醒信号捕获困难的情况[6]。

2 形态滤波方法

形态滤波器不同于传统的带通滤波器，是一种广泛应用于图形和机器视觉问题分析的数学工具，它采用一套独特的运算来描述图像的结构特征，通过寻找图形中各元素与各部分之间的关系来解决图形噪声抑制、特征提取、边缘检测、图像分割等问题[7]。

形态滤波器的基本思想是利用一个矩形（或圆形）结构元素探针来收集图像的信息，操作探针对图形进行扫描，可根据图像各个部分间的相互关系来了解图像的结构特征，同时，运用结构元素探针修改信号局部特征，抑制接收信号频谱中的峰值、低谷噪声，以及白噪声，获得信号更本质的形态[8,9]。

形态滤波器包含膨胀（Dilation）、腐蚀（Erosion）、开（Opening）和闭（Closing）4种基本运算。设E为待处理图像，B为结构元素探针，4种运算符的定义如下：

将待检测信号的功率谱看作为图像输入，膨胀运算会减小信号频谱的谷值，扩宽峰顶；而腐蚀运算则会降低信号的峰值，加宽谷域。腐蚀运算通过最小值滤波器，获得功率谱的下包络，膨胀运算通过最大值滤波器，获得功率谱的上包络。

先腐蚀后膨胀的过程称为开运算，开运算通常可以剔除图像结构细节，使图像轮廓平滑，可剔除功率谱中的混响小分支；先膨胀后腐蚀的过程称为闭运算，闭运算一般能融合功率谱窄小、细长的缺口，填补功率谱轮廓上的缝隙[10]。

3 工作原理

为实现算法功能验证，设计了一款以国产ARM芯片GD32F450为核心的水声通信机，该水声通信机主要由值班模块、处理模块、前放模块、功放模块、换能器和电子舱等组成，完成水下通信信号编码发射与解调解译等工作，其工作原理如图3所示。

图3 工作原理

执行接收任务时，首先对收发合置换能器收到的信号进行放大、滤波、采集与检测，检测到唤醒信号后，值班电路为主处理模块上电；其次进行同步检测、解调与解码等处理，将解析出的数据信息发送给上位机，期间关键数据会根据需要存放至存储单元。

接收到上位机水声通信信号发射任务时，首先对待发送数据进行编码、调制，产生模拟信号；其次通过功放模块将信号放大驱动换能器进行信号发射。

4 海上试验验证

2021年12月，三亚崖州湾海域开展了水声通信试验，在10 km距离针对唤醒信号进行的检测中，未采用形态滤波算法时，受到水声信道、环境噪声及系统本身电噪声影响，采集到的唤醒信号噪底上下起伏，变化很大，如图4所示，造成了叠加在噪底上的多单音唤醒信号累积功率谱（dB）和幅值相差较大，无法通过统一的检测阈值来判定是否接收到唤醒信号。

图4 原始唤醒信号功率谱

通过形态滤波方法，对水声通信机采集到的唤醒信号功率谱的环境噪底进行拟合，如图5所示，图中下方曲线是形态滤波方法拟合出的噪底曲线。可以看出，环境噪声的变化趋势较好地反映在噪底曲线中。

图5 形态滤波估计出的噪底

将原始功率谱与估计出的噪底曲线进行相减处理，即可得到形态滤波后的累积功率谱，如图6所示，从图中可以看到，在滤除了噪底包络后，3个单音唤醒信号更加突出，也更容易通过配置检测阈值完成唤醒信号的捕获。

图6 形态滤波后的功率谱

在南海崖州湾开展的试验中，试验海域水深30～50 m，水声通信机布放深度约10 m，在3～10 km距离上对多音唤醒信号的形态滤波捕获方法的效果进行了测试，验证了其有效性。图7为拉距测试所选取的点位卫星定位信息。

图7 试验海域

水声通信机采用中国电子科技集团公司第54研究所自研水声通信机，通过凯夫拉绳子吊放与两试验船船舷位置，采用笔记本电脑软件进行指令与数据交互，搭建双向水声通信链路，水声通信机如图7所示。

分别在5 km、7 km和10 km重复发射信号30次，均可实现唤醒信号检测，检测概率均为100%，验证了本方法信号检测有效性。图9为海试10 km信号时域波形，在两条竖线中间为检测到的唤醒信号位置。

图8 水声通信试验设备

图9 唤醒信号位置

图10和图11分别为海试7 km和10 km距离上唤醒信号形态滤波前后检测结果。

图10 7 km距离的海上试验唤醒信号检测结果

图11 10 km距离的海上试验唤醒信号检测结果

5 结语

本文分析了常用水声通信信号唤醒信号形式和检测方法，提出了适用于水声通信机的多音唤醒信号形态滤波检测方法，形成了一套新的水声通信机唤醒信号捕获流程。通过开展海上试验，证实了形态滤波方法的加入，更能够在累积功率谱上凸显信号和抑制噪声。试验结果也表明，该方法能在复杂海洋环境噪声情况下，以较低的算法复杂度提供较高的检测概率，并显著降低了唤醒信号检测阈值配置复杂度。