二维矢量声信号数据采集分析系统设计-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院、电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 二维矢量声信号数据采集分析系统设计指 导 教 师 : 2013 年 3 月 10 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述数据采集是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析处理 1。数据采集一般是从一个或多个信号获取对象信息的过程。 声音采集是指将采集到的声信号转换成数字量，并由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为声音采集系统。 声音采集系统是众多多媒体的重要组成部分，也是众多高科技科研项目的重要模块。如何高速、真实的采集信号，是这项技术的核心。随着信息技术的高速发展，声音采集的相关技术应用越来越广泛，它己渗透到地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为数据的后期处理提供了良好的基础 2。本次矢量声信号数据采集将拟用pxie-6358采集卡对矢量水声传感器的信号采集，矢量传感器将水下的声信号转换成电信号，主要用来测量水下介质声场中质点运动的矢量信号，如位移、振动速度和振动加速度的传感器。矢量水声传感技术是一种探测水中声能流方向与强度的新技术，利用矢量水声传感器可以获取水下声矢量信号，为水下信号检测提供更丰富的声场信息。俄罗斯在矢量声学，矢量水听器技术及矢量声纳技术方面均处于领先水平 3。在应用方面，俄罗斯发展了一系列新的测量技术，例如可以利用检测海洋动力噪声来测量海浪的传播方向，利用矢量传感器精细测量深海环境噪声的垂直指向性等等。俄罗斯利用联合接收器的底站系统和浮标系统在日本海、库页岛、堪察加半岛以及南中国海等领域的大陆架和深海深处进行了大量的声强测量，分析的频带多在 10-1000Hz，研究结果表明，与单水听器相比，声强的信噪比可以提高约 10-20dB 4。由于矢量水声传感器不但可以同时探测声压信号和振速信号，而且具有使系统的抗各向同性噪声的能力获得极大提高等诸多优点 5。因此，各主要海军国家都相继开展了许多关于矢量水声传感器方面的研究。但是，虽然目前已经获得了很多的成果，对于矢量水声传感器来说还有几个急需解决的问题：1，高灵敏度问题；2，甚低频检测问题；3，矢量水声传感器的小型化问题；4，抗噪声干扰等问题 5。以上问题可以以 MEMS 技术平台为依托，利用仿生学理论和压阻原理，通过开发新型传感器的仿生制造技术以及仿生微系统的集成技术途径得到解决。提出一种新型的压阻式 MEMS 仿生矢量水声传感器。期望利用新型精巧的仿生结构和压阻敏感机理提高矢量水声传感器的低频灵敏度；利用 MEMS 批量制造技术，实现矢量水声传感器的小型化和一致性；结合 MEMS 工艺和组装工艺技术，解决复杂结构的仿生制造问题。期望在矢量水声传感器的低频特性、灵敏度、小尺寸以及水声传感器一致性等方面带来好处。中北大学结合 MEMS 技术，在吸收、消化俄罗斯同振球形三维矢量水听器制作技术的基础上，由薛晨阳等人于 2007 年提出的 MEMS 仿生矢量水听器和声压水听器在结构上组合为一体，矢量信号和标量信号分别有各自的输出通道，实现了用一只组合式同振矢量水听器同时得到二维矢量信息与标量信息，避免了传统的同振矢量水听器由于在正交轴上分别放置振速传感器或加速度计，很难严格保证各个通道轴的正交关系，体积大、平均密度高、相位一致性差，从而影响同振水听器性能的弊端 6。研究表明，MEMS 仿生矢量水听器采用四梁纤毛式换能器，结构简单，集合 MEMS 技术可批量化生产，耐水耐高压，可在较深水域中工作。基于 MEMS 的同振柱型仿生矢量中，仿生纤毛固定于四梁中心连接体的中央( 即四梁交叉处) ，压阻敏感单元分别设置于四梁的边缘处，包含 X、Y 两路矢量输出，可实现水平信号的探测 7。 （如图 1.1 所示）图 1.1 纤毛+四梁微结构芯片仿生矢量水声传感器的仿生机理是鱼类的感觉器官-侧线器官，是水生两栖动物及鱼类所特有的听觉器官（如图 2.1） 。侧线呈沟状或管状，鱼类身体两侧一般各有侧线一条，少数鱼类每侧有 2 条或 3 条或更多。侧线主管形成很多小管分支至体外开孔，在体侧即形成侧线，在二分支小管之间，每一段主管管壁上分布有呈节状的神经丘感觉器（如图 2.2 所示） ，这些神经丘感觉器浸润在充满粘液的侧线管内。图 2.1 鱼类的侧线器官图 图 2.2 鱼类的侧线器官的神经丘感觉器神经丘浸润在粘液中，不论是水内、水外的声波、振动波、水流速度的改变等外力作用于水，都可使水的压力产生变化，这种压力通过侧线孔进入管内，传递于粘液，引起粘液流动，再由粘液传递到神经丘，引起感觉顶发生偏斜，通过感觉顶内的粘液流动，使得可动纤毛也发生偏斜，从而使感觉细胞获得刺激，刺激通过感觉神经纤维，经侧线神经传递到延脑。这就是鱼类侧线器官的感觉传导途径。Schwartz(1966)、Bleckmann(1980，1981，1982，1986，1988)研究鱼类侧线对表面波的定位机制，认为由于表面波的传播速度慢(0.20.5m/s)，水面摄食鱼类可通过水波传到不同神经丘的时间和相位差来进行猎物定向 8。经过实验证明，鱼类的侧线能感受低频率声波并能对水流起感觉作用。它不仅能听到人类听得到的声音，而且还能听到人耳听不到的频率小于 20 赫兹的次声波。鱼类侧线这一特殊听觉器官为设计具有定向性的水下声传感器提供了原型 9。对于金属或半导体材料，若沿它的某一晶面加以压力或拉力时,其晶格内部将产生畸变，这一畸变将导致晶体内部能级构造的变化，进一步导致载流子相对能量的改变，从而引起晶体固有电阻率的变化。这种现象就是物理学上的压阻效应。由于导电体的电阻为 R = l/s，根据相关物理学和材料力学知识可以得出：由材料几何形状变化引起的电阻相对变化可以忽略不计，所以金属或半导体材料由于其电阻率的变化而导致的电阻相对变化。而这里金属或半导体材料就像鱼类是神经丘，通过不同神经丘的时间和相位差来进行猎物定向。仿生矢量水听器除了在水中检测矢量声信号外也可以作为地面振动传感器。比如说无人值守的地面传感器系统。仿生矢量水听器可以植与地面，通过地面目标运动所引起的声音微振动物理量的变化进行探测，接受矢量声信号，通过计算对目标进行识别从而达到无人值守的目的 11。对于二维矢量声信号的采集分析的实现，除了用到硬件仿生水听器外还要软件的实现。而 LabVIEW 编程软件可以很好的实现这一点。LabVIEW 软件是一种基于图形语言编程的可视化软件开发平台，与 VC，VB 等其他可视化编程语言相比，其函数库丰富、编程简单直观、调试方便，而且界面开发简单，界面风格与传统仪器相似。LabVIEW 是一个外观和操作能模仿实际的仪器的程序开发环境，类似于 C、BASIC 等编程语言。但LabVIEW 的特点在于，它使用图形化编程语言 G 在流程图中创建源程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码 14。LabVIEW 还整合了诸如满足 GPIB、VXI、USB、RS-232 和 RS-485 以及数据采集卡等硬件通讯的全部功能。内置了便于 TCP/IP、Active X等软件标准的库函数。虽然 LabVIEW 是一个通用编程系统，但是它也包含了数据采集和仪器控制等特别设计的函数库和开发工具。以图形化编程语言的虚拟仪器软件LabVIEW 为开发工具，充分利用计算机强大的信息处理能力和 LabVIEW 模块化编程技术，实现了矢量声信号的实时采集、显示、存储，回放以及分析等功能 15。其有效的利用了计算机资源，易于构建和升级，并且界面友好，操作简单，成本较低，易于实现，具有比较广阔的应用前景。参考文献：1马明建.数据采集与处理技术(第2版)M.西安交通大学出版社.2005. 2皇甫堪，陈建文，楼生强.现代信号数字处理M.北京：电子工业出版社，2003.175-225 3 惠俊英，李春旭，梁国龙，刘宏.声压和振速联合信号处理抗相干干扰J.声学学报.2000.389-3944 冯海泓，梁国龙，惠俊英.目标方位的声压、振速联合估计J.声学学报. 2000, 11：516-5205 陈丽洁,张鹏,徐兴烨,王福江.矢量水听器综述.传感器与微系统J. 2006, 25(6):5-8.6谢斌，薛晨阳，张文栋，等 硅微仿生矢量水声传感器研制J 传感技术学报，2006，19( 5) : 230023037周益明.二维同振柱形矢量水听器的研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，工学硕士学位论文. 水声工程学院. 2006，2.8 Bleckmann,H.Prey identification and prey localization in surface-feeding fish andfishing spiders.Sensory Biology of Auatic Animals,edited byJ.Atema,R.R.Fay,A.N.Popper & W.N.Tavolga,Springer-Verlag,1988,619641.9 Sand, O. The lateral line and sound reception. In: Hearing and soundcommunicationin fishes. Edited by W.N. Tavolga, A.N. Popper and R.R. Fay. Springer-Verlag, NewYork, 1981, 45948010 孙贵青, 扬德森.矢量水听器在水下目标低频辐射噪声测量中的应用J.哈尔滨工程大学学报. 2001, 22（5）:5-1911 聂伟荣.多传感器探测与控制网络技术-地面运动目标震动信号探测与识别D.南京：南京理工大学，2001.12郝张红, 刘先勇等. 基于声卡的音频信号采集与处理J. 微计算机信息, 2007. 13杨乐平，李海涛，LabVIEW 程序设计与应用M.北京，电子工业出版社，2001.14刘纪红，孙宇舸，李景华.数字信号处理与实践M.北京：国防工业出版社，2005.2.15杨乐平，李海涛，LabVIEW 程序设计与应用M.北京：电子工业出版社，2001.16ZHAO Xian-ling The virtual Instrument based on LabVIEW and Sound CardJ ， International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，2009 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本文设计的声信号采集及分析系统主要是应用采集卡对声音信号进行数据采集、显示、波形存储和回放。能够对信号参数测量结果、幅度相位谱、功率谱等进行图形显示。该系统主要由以下几个模块组成:1)编写程序。使用 labview 编写程序采集声音的二维矢量信号和后续频谱、分析滤波器设计。2)启动采集。该模块包括声音信号采集和保存及停止三部分。保存时,系统开始保存采集的声音信号，动态地显示在图像中，并提示用户设置文件保存路径。3)信号保存。将采集声信号保存。4)读取存储文件。该模块通过对保存的声音进行读取，将历史数据的数据波形，声音格式等显示出来。5)信号分析处理。完成信号的参数测量，完成频谱分析和角度计算。 毕 业 设 计 开 题 报 告指导