单片机控制的水声遥控信号检测系统

　　水声遥测遥控技术广泛应用于水下工程、水下自动观测等领域.然而,水声信道是强多途、锐起伏、高噪声且极其复杂的随机时-空-频变参信道,在这样的信道中实现可靠的遥测遥控就比较困难.本文着重介绍一种用单片机实现的水声遥控系统中的信号检测方法及其系统的低功耗和软件抗干扰设计.经实验室非消声水池以及厦门港海上多次实验,在速率要求不高的情况下,该信号检测系统的检测概率趋近于1,虚警概率趋近于0.

　　1　浅海声信道的某些统计特性

　　浅海声信道中信号、多途以及噪声统计特性的研究是数据传输的重要理论基础.我们课题组多年来对此进行了大量的研究,得到了一些很有参考价值的结论,本文的一些信号处理方案主要基于下述几个结论[1,2].

　　1)浅海声信道中脉间相关性很强,相关半径为几秒的量级.相反,海洋噪声和船舶噪声的相关性很弱,相关半径通常在0.5ms左右.

　　2)直达声脉冲振幅的概率密度函数一般遵从广义瑞利分布,近距离接近高斯分布,远距离接近瑞利分布.浅海背景噪声振幅的概率密度函数一般遵从瑞利分布,船舶噪声遵从广义瑞利分布.

　　3)浅海背景噪声和船舶噪声脉冲宽度的概率密度函数趋于瑞利分布,其平均宽度为0.5ms左右.

　　2　信号检测系统结构

　　本遥控系统采用时间相关积累信号处理方式,并以8031单片机为控制和数据处理核心.检测电路原理框图如图1.鉴于水声遥控系统对虚警概率的要求很严格,常常要求虚警概率趋近于0,同时,检测概率应尽可能高.为此,系统对接收信号的频率、脉宽、一定时间间隔出现特定脉冲等进行多重判决,必要时,可以加大脉冲判决个数、增加发射功率以提高信噪比等措施,使虚警概率趋近于0,检测概率在0.9以上.在此基础上,采用重复发射遥控指令,使检测概率趋近于1.

　　本系统中,发射机周期地发射一脉冲系列,脉冲的重复周期远小于信号脉间的相关半径,且发射信号的脉宽取得远大于噪声的宽度.接收换能器接收到的信号经选频放大电路、检波电路、放大整形以及振幅门限电平比较以后,8031单片机按照一定的采样周期,进行连续采样.

　　当信号电平达到一定的振幅门限电平时,读为“1”,低于此电平读为“0”,并将读出的数据按地址顺序存储在数据存储器RAM中.如上所述,水声遥控信号脉间相关性很强,而噪声的相关性较弱;噪声的脉冲宽度较窄,发射信号的脉宽远大于噪声宽度.为此,8031单片机的数据处理方案中设置了时间相关积累和接收信号脉宽鉴别等信号处理方式.8031单片机依据发射信号的周期,将按时序采集到的数据“1”或“0”与数据存储器内存的数据顺次累加.采样结束后,检查各存储器内数据的大小,如大于设定的数值,则认为有信号,否则为干扰.而后,进行信号脉冲宽度鉴别.当满足宽度要求的连续的多个存储器单元采集到有信号,则认为接收到遥控信号,微机发出控制信号至控制电路部件,否则,数据存储器清零,重新进行采样、累加.脉冲个数和宽度判决依检测概率和虚警概率要求而定.