基于滤波器设计的水听器测量信号幅度修正方法

黄聪，朱伟锋，王晓熔

黄聪*，朱伟锋，王晓熔430064中国舰船研究设计中心，湖北 武汉

摘 要：［目的］受制作工艺的限制，水听器在不同频点上的灵敏度存在起伏。由于采集设备只能通过设定某

个固定的参考灵敏度进行声电转化，这将导致宽带测量信号与实际信号存在偏差，需要通过幅度修正来提高测量信号的准确性。为此，提出一种基于滤波器设计的幅度修正方法，将幅度修正转化为FIR滤波器的设计问题。［方法］首先，利用二阶锥规划设计出满足幅度修正特性的滤波器系数；然后，对测量信号进行时域滤波，从

而实现幅度修正。［结果］处理结果表明，修正信号的相对误差随着滤波器长度的增加而减小。当滤波器长度为257 0.3%。［结论］该方法克服了傅里叶变换分块处理需要时间积累的缺陷，仅通时，修正信号的相对误差仅为过时域滤波的方式即可获取连续准确的修正信号，具有实时性好、相对误差小、运算量低等优势。关键词：宽带信号幅度修正；FIR

滤波器设计；二阶锥规划；水听器中图分类号：TB565.1；U666.7 文献标志码：A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01477

0引言

水听器可以将水下声信号转化为电信号，是水声学中不可或缺的测量传感器。水听器的接收灵敏度表示水听器接收声压与输出电压的转换比例，由于制作工艺的限制，水听器对不同频率信号的敏感程度存在一定差异，即水听器在不同频点上的灵敏度存在起伏［1-4］。目前，声学采集设备一般通过设置固定的参考灵敏度进行声电转换计算。当接收单频信号时，可以通过计算水听器在该频点的实际灵敏度与参考灵敏度的差值，直接将测量信号乘以相应的幅度修正系数。当接收水下宽带信号时，由于水听器在不同频点上的灵敏度与参考灵敏度存在差异，将导致测量信号与实际信号出现偏差，所以需要根据水听器的灵敏度曲线进行幅度修正。由于宽带信号包含多个频点，且每个频点的修正幅度不同，所以无法直接利用单频信号的修正方法。目前，主要基于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）的频域处理方法进行宽带信号修正，即把每个频点的频域信息乘以修正系数，再进Inverse Fast Fourier Transform，行反傅里叶变换（ IFFT），从而得到时域信号。由于傅里叶变换是一种分块处理方法，需要一定的时间积累［5-6］，所以实时性不足；同时，经过反傅里叶变换之后，各分块的时域信号不连续，将导致相位信息发生畸变，故需通过滑窗的方式替换分块连接处的失真数据，这将增加系统的运算量和复杂程度。为了克服傅里叶变换分块处理的时间积累缺点，本文拟提出一种基于滤波器设计的水听器测量信号幅度修正方法，通过有限长单位冲激响应（Finite Impulse Response，FIR）滤波器对测量信号进行时域滤波，即可获取准确连续的水下声信号。该方法具备实时性好、相对误差小、运算量低等优点，可为水听器测量信号的幅度修正提供参考。

1 水听器各频点的灵敏度起伏

B&K8105本文以 型标准水听器作为水下声信号的接收设备，标准水听器的技术规格书中通1常仅给出了部分频点的灵敏度值，如图 中的离散点圈所示。本文将灵敏度值按照一定的频率间隔进行插值，即可得到更为详细的灵敏度曲线，如1图 中的插值曲线所示。由插值后的灵敏度曲线可知，整个接收带宽内的水听器灵敏度起伏在10 dB以上。假设实际的声学信号为 s(n) ，信号形式为线

频（Linear Frequency Modulation，LFM），频性调 带10～150 kHz，长 50 ms。利用水听器进行为 度为 -209.4 dB，接收时，设定采集器的参考灵敏度为400 kHz采样频率为 。假设采集的测量信号为2 r(n) ，其时域波形如图 所示。由于水听器各频点的实际灵敏度与参考灵敏度存在差异，这将导致测量得到的宽带信号与实际信号存在偏差，所以需要进行幅度修正。

2 基于傅里叶变换的幅度修正

基于傅里叶变换的幅度修正即是对测量信号进行时频转换，将每个频点的频域信号乘以修正系数，再进行反傅里叶变换，即可得到时域信号，具体步骤如下。首先，将采集设备设定的参考灵敏度值 M 与水听器的灵敏度曲线 M ( fk )相减，计算各频点需要修正的幅度值 A( fk ) ，计算公式为M - M ( fk) A( fk ) = 10 ，fk ÎF 1 20 （ ）式中：fk 为测量信号带宽的离散化频点，其中 k = 1，2，…，K，为频点数量；F为水听器的接收频段。

图2 实际信号和测量信号的对比Fig.2 Comparison between actual and measured signals

图1 水听器的灵敏度曲线Fig.1 Sensitivity curve of hydrophone