基于图形处理器的水下声学信号采集、传输和检测系统的制作方法

本发明涉及水下声学信号处理领域，特别是一种基于图形处理器的水下声学信号采集、传输和检测系统。

背景技术：

对水下声学信号(包括水下自然环境声音，水下动物声音和水下机器声音等)进行采集、传输、存储，并对声学信号中的目标声音进行特征提取和检测，对水下声学研究具有十分重要的意义。当水下声学采集网络较为复杂，如在水听器数量较多，采集范围较广以及采集密度较大的情况下，将产生规模庞大的声学数据，将对水下声学信号进行采集、传输和存储带来巨大的挑战。同时，对声学信号进行特征提取和检测也将难以确保实时性和准确性。

现有的水下声学信号采集处理方法大多是将先使用采集卡或记录仪对水下声学信号进行采集，然后再上传至上位机中，再利用上位机中的高性能的中央处理器(centralprocessingunit，cpu)对水声信号进行处理、检测和分析。这种处理方法虽然简单，但中央处理器计算负担较大。且高性能的中央处理器价格昂贵，使得检测系统成本增加。同时，即便是高性能的中央处理器，其计算能力和计算资源也十分有限，使得一台上位机难以同时采集、传输处理较多通道的水听器数据。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种体积小，集成度高，扩展能力强，能同时完成多个通道水下声学信号数据采集、传输及处理的方检测系统。技术方案如下：

一种基于图形处理器的水下声学信号采集、传输和检测系统，包括

单个或多个水下声学采集设备采集水下声学信号，并转化为电信号传输给信号调理模块；

信号调理模块接收水下声学采集设备输出的信号，对信号进行带通滤波并使用仪用放大器对信号进行放大，并将调理后的信号传输给ad采集模块；

ad采集模块对调理模块输出的模拟信号进行a/d转换，将模拟信号转化为相应的数字信号，再传输给数据传输模块；

传输模块接收ad采集模块输出的数据信息，将其按照一定的传输协议，将采集到的水下声学信号数据进行组帧和打包，传输给上位机；

上位机中的接收缓存接收传输模块传输的数据，在缓存到一定深度后，发送中断请求消息到数据拆解与数据重组模块，其特征在于，

数据拆解与数据重组模块接收到中断消息后，从缓存中取出接收的数据，并按照传输协议拆解，然后按照水下声学采集设备通道顺序重组数据；水下声学信号数据重组后被存入第一磁盘阵列中，同时将重组的数据按照其水下声学采集设备通道号分别传送至对应的图形处理器中；

图形处理器中的滤波去噪模块对接收到的水声数据分别进行带通滤波器滤波和谱减法去噪，而后将数据传送至端点检测模块；

端点检测模块对滤波去噪后的数据使用短时能量和短时过零率相结合的双门限端点检测方法进行端点检测，估计信号的起始点和终止点，提取出检测到的有效水声信号数据，并记录信号持续时间、信号起始位置和信号终止位置等检测结果，并将水声信号数据及其对应的检测结果一同传送给水声信号分析模块；

水声信号时频特征计算模块根据端点检测模块的检测结果，求解出水声信号中的时频特征参数，包括梅尔频率倒谱系数、短时傅里叶变换系数、中心频率和频带范围，并将计算水声信号时频特征及端点检测结果传给中央处理器中的水声信号类别判断模块；

中央处理器中的水声信号类别判断模块接收到水声信号时频特征，对水声信号进行降维、归一化和标准化处理，将处理后的时频特征数据作为输入送入预先训练好的反向传播神经网络和支持向量机，分别对水声信号时频特征进行分类；并将水声信号时频特征和对应的分类结果发送给水声信号整体感知模块；

水声信号整体感知模块根据水下声学采集设备通道号和对应的时频特征参数，建立相应的映射关系，感知水声信号特征整体信息并将结果传递给水声信号整体参数存储计算模块；

水声信号整体参数存储计算模块，根据对应的映射关系，求取出用户关心的参数，包括声音类别和声音持续时间，并存入第二磁盘阵列中，同时将计算结果发送给显示控制模块。

本发明具有下述优点：(1)通过计算机中央处理器和图形处理器相组合的结构，合理分配计算任务，充分发挥了图形处理器并行计算优势和中央处理器的串行处理优势，增强了系统计算能力。(2)通过组合算机中央处理器和图形处理器，使得单独一台计算机也能完成复杂的计算任务，不需要多台计算机组合处理，减小了系统体积，减低了系统成本。(3)通过合理分配计算任务，使得单独一片一般性能的中央处理器和多片一般性能的图形处理器协同工作就能够完成复杂水声信号特征提取任务，不需要高性能高成本的中央处理器，克服了传统方法成本高昂的缺点。(4)系统在满足多用户同时监测的需求的同时，简化了硬件系统，降低了硬件系统的复杂的，进而有效的降低了开发成本，提高了系统集成度和可靠性。有益效果如下：

(1)通过中央处理器和图形处理器组合的结构，合理分配计算任务，充分发挥了图形处理器并行计算优势和中央处理器的串行处理优势，增强了系统计算能力；

(2)通过组合中央处理器和图形处理器，使得单独一台计算机也能完成复杂的计算任务，不需要多台计算机组合处理，减小了系统体积，减低了系统成本；

(3)通过合理分配计算任务，使得单独一片一般性能的中央处理器和多片一般性能的形处理器协同工作就能够完成复杂任务，不需要高性能高成本中央处理器，克服了传统方法成本高昂的缺点；

(4)系统在满足多用户同时监测的需求的同时，简化了硬件系统，降低了硬件系统的复杂度，进而有效的降低了开发成本，提高了系统集成度和可靠性。

附图说明

图1示出本发明的基于图形处理器的水下声学信号采集、传输和检测系统的主要功能框图。

图1中：1为水下声学信号采集设备；2为水下声学信号调理模块；3为水下声学信号ad采集模块；4为水下声学信号数据传输模块；5为系统上位机；6为上位机接收缓存；7为磁盘阵列1；8为中央处理器；9为磁盘阵列2；10为水声信号整体参数存储计算模块；11为水声信号整体感知模块；12为水声信号类别判断模块；13为数据拆解与数据重组模块；14为图形处理器；15为水声信号时频特征计算模块；16为端点检测模块；17为滤波去噪模块；18为显示控制模块；19为显示器；20为用户端。

具体实施方式

本发明主要解决的技术问题是：(1)克服现有技术中计算机中央处理器计算能力不足，需要多台计算机同时工作而使得软件系统体积大，系统成本高的缺点，提供一种通过单一计算机控制多个图像处理器实现快速处理水下声学信号的方法和系统；(2)克服现有技术中硬件系统复杂，系统成本高的缺点，提供一种硬件系统简单，系统成本低的水下声学信号处理系统；(3)克服现有技术中系统人机交互性差，实时性差，系统功能单一的缺点，提供一种人机交互性好，实时性强，系统功能丰富的水下声学信号分析系统。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

第一步：用户根据自身需求，通过显示器和现实控制模块，设置相关的水声信号特征计算参数和参数计算形式，并按照一定的命令格式，发送给各图形处理器的水声信号时频特征计算模块。

第二步：单个或多个水下声学采集设备1采集水下声学信号，并转化为电信号传输给信号调理模块2。

第三步：信号调理模块2接收水下声学采集设备输出的信号，对信号进行带通滤波并使用仪用放大器对信号进行放大，并将调理后的信号传输给ad采集模块3。

第四步：ad采集模块3对调理模块2输出的模拟信号进行a/d转换，将模拟信号转化为相应的数字信号，再传输给数据传输模块4。

第五步：传输模块4接收ad采集模块3输出的数据信息，将其按照一定的传输协议，将采集到的水下声学信号数据进行组帧和打包，传输给上位机5。

第六步：上位机5中的接收缓存6接收传输模块传输的数据，在缓存到一定深度后，发送中断请求消息到数据拆解与数据重组模块13。

第七步：数据拆解与数据重组模块13接收到中断消息后，从缓存6中取出接收的数据，并按照传输协议拆解，然后按照水下声学采集设备通道顺序重组数据；水下声学信号数据重组后被存入磁盘阵列9中，同时将重组的数据按照其水下声学采集设备通道号分别传送至对应的图形处理器14中。

第八步：图形处理器中的滤波去噪模块17对接收到的水声数据分别进行带通滤波器滤波和谱减法(spectralsubtraction)去噪，而后将数据传送至端点检测模块16。

第九步：端点检测模块16对滤波去噪后的数据使用短时能量和短时过零率相结合的双门限端点检测方法进行端点检测，估计信号的起始点和终止点，提取出检测到的有效水声信号数据，并记录信号持续时间、信号起始位置和信号终止位置等检测结果，并将水声信号数据及其对应的检测结果一同传送给水声信号分析模块15。

第十步：水声信号时频特征计算模块15根据端点检测模块的检测结果，求解出水声信号中的时频特征参数，包括梅尔频率倒谱系数(mel-frequencycepstralcoefficients，mfcc)、短时傅里叶变换系数、中心频率和频带范围，并将计算水声信号时频特征及端点检测结果传给中央处理器中的水声信号类别判断模块12。

第十一步：中央处理器中的水声信号类别判断模块12接收到水声信号时频特征，对水声信号进行降维、归一化和标准化处理，将处理后的时频特征数据作为输入送入预先训练好的反向传播神经网络(backpropagationneuralnetwork)和支持向量机(supportvectormachine)，分别对水声信号时频特征进行分类；并将水声信号时频特征和对应的分类结果发送给水声信号整体感知模块11。

第十二步：水声信号整体感知模块11根据水下声学采集设备通道号和对应的时频特征参数，建立相应的映射关系，感知水声信号特征整体信息并将结果传递给水声信号整体参数存储计算模块10。

第十三步：水声信号整体参数存储计算模块1018，根据对应的映射关系，求取出用户关心的参数，如声音类别、声音持续时间等，并存入磁盘阵列#1中，同时将计算结果发送给显示控制模块18。

第十四步：显示控制模块18将接受到计算结果，根据用户的需求，以不同的表现形式呈现在相应的显示器19上。