（水声工程专业论文）水声超短基线定位系统收发单元设计.pdf

立型墼墨些玺垡篁墼_ 一 a b s tr a c t u l t r as h o r tb a s e l i n ep o s i t i o n i n gs y s t e mh a sw i d ea p p l i c a t i o ni no c e a n s c i e n t i f i cf i e l d t h e r ea r es o m ee q u i p m e n to fu s b lo u t s i d eo u rc o u n t r y t h e b a c k g r o u n do ft h i sa r t i c l ei s t h er e s e a r c ho fl o n gr a n g eu l t r as h o r tb a s e l i n e p o s i t i o n i n gs y s t e m i nt h es u b j e c to f t h ed e v e l o pt e c h n o l o g yo fo c e a nr e s o u r c e i nt h ep r o j e e to f f i f t e e n s t a t eh i g ht e c hr e s e a c hd e v e l o p m e n t ( t h ep r o j e c to f 8 6 3 ) ，t h ea i mo fr e s e a r c hi st od e v e l o pu l t r as h o r tb a s e l i n ep o s i t i o n i n gs y s t e m w i t hi n d e p e n d e n tk n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h t l o n gr a n g eu l t r as h o r tb a s e - l i n ep o s i t i o n i n gs y s t e m u s et h ep h a s e d i f f e r e n c eo ft h es i g n a lf r o mr e c e i v i n gb a s e - a r r a y , t h es i g n a li sg e n e r a t e df r o m t h ea i mw i t hr e s p o n d e r t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sa r t i c l ei st h eh a r d w a r ed e s i g n o fr e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gu n i ti nt h eu n d e r - w a t e ra c o u s t i ch e a do fl o n g r a n g eu l t r as h o r t b a s e - l i n ep o s i t i o n i n gs y s t e m t h eh a r d w a r eo fr e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gu n i ti nt h ea c o u s t i ch e a dc o n t a i n t h ea n a l o gr e c e i v e ra n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc a r d t h ef u n c t i o nc o m p l e t e db y t h i sp a r to f h a r d w a r ei s ：r e c e i v i n gt h ec o m m a n df r o mt h em a i nc o n t r o lc o m p u t e r a n dt r a n s m i t t i n gt h ee n q u i r ys i g n a lt ot h er e s p o n d e r ；r e c e i v i n gt h er e s p o n s i v e s i g n a lf r o mt h er e s p o n d e r , a n dc a l c u l a t i n ga n dt r a n s m i t t i n gt h ep h a s ed i f f e r e n c e o f t h er e s p o n s i v es i g n a lr e c e i v e db yt h eb a s ea r r a y t h em a i np r o b l e ms o l v e di n t h i s a r t i c l ei s ：t h ec o n s i s t e n c yp r o b l e mo f a m p l i t u d ea n dp h a s ei nm u l t ic h a n n e l ；r e a lt i m ea n dh i 【曲s p e e d i n s i g n a l p r o c e s s i n g ；h i g hs p e e di nd a t at r a n s m i t t i n ga n ds oo n i nt h i sa r t i c l eiu s et h eo p t i c a lc o u p l i n gt e c h n i q u et or e d u c et h en o i s e a n di u s et h eh i g hs p e e ds i g n a lp r o c e s s i n gc h i pa n dl a r g es c a l ep r o g r a m m a b l eg a t e a r r a yf p g a t os o l v et h ep r o b l e mo fh i g hs p e e ds i g n a lp r o c e s s i n g a n du s et h e f i b e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u et os e t t l et h e p r o b l e mo fh i g hs p e e dd a t a 查鎏窑坠兰堡塑鎏垒鏊一 仃a n s m i t i o n k e yw o r d ：u l t r as h o r tb a s e l i n ep o s i t i o n i n gf p g a ；d s p ：f i b e rc o m m u n i c a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，壹作者本人独立完成的。有美观点、方法、数据帮文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 黾经注明暑l 黑的淹容外，本论文不包含任何其他个入或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人耪集体，均汪在文串以明确的方式标明。本人完全 意识到本声明的法待结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日 期：年月网 哈尔滨= = 稷大学硕士学位论文 i l i - i i d 囊薯黼i i i i 胃宣i 冒i - i 薯_ _ _ _ _ _ _ _ 黼鼍葺皇岛_ 瞄糊掌i 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 隧羞人类科学技沭水平的不断提赢，人类开发陆上资源的能力已经发展 到了桶当简的水平，遥直接导致陆媳上大部分人类目前能力可以触及的自然 资源已经帮发殆器，予是入类的目光已经黼准了占遗球总灏积三分之二的海 洋，凌遮广袤的海洋中蕴含着极其巨大资源。 露对海洋的舞发很大程度上依 赖于人类的科技水平，各个国家在海洋开发手段上的蒺别还是榍当大的。 随着备国武器装备水平的不断掇高，人类融经不满足陆上战场韵争夺， 曩经效羧海上菝场静擎夸，有匏霆家基经不满怒对本阑领海鹣控制，露鬓诺 较为先进的海洋技术水平将自己的势力范围扩展到公必海域。 赢从1 9 1 2 肇在美国出现了第一螽水声测深仪以滕，开始有了承声韵簸设 备。粳第二次笸脊大战中，对承下嚣标静探测帮溺蠢受翻了重麓，并在敬嚣 褥到了快速的发展，出现了舰载声呐。瓤载声呐的主袋任务是以本舰为擞标 系原点，搽铡目标的方位和距离。但是，利用水声技术对船舶_ 羊n 水中躐体进 行地瑷位鬣( 犬她坐标) 的测定，直到5 0 年代才逐渐发展起来。1 9 5 8 窜， 荧国肇盛镶大学斑爱糖理实验燮在达波涛建戒的三缳坐栎鼹黥拳下藏嚣靶 场，在海底放置了四个间躐严格测定龅水听器，可以在近距离上对带有同步 声信标发射机的鱼雷提供距离和方位信息。哭鼗对各个基元的地理橙霹( 大 嘏蹩拣) 避行精确静瓣萤，就可戳静磊标在大璐坐稼中静德餮滋及运动孰涟 进行测量。利用水声定位技术可以裹速度、高精度、连续、自动地显示出水 下物体的艇鼍，这对予海底地形勘探、水下航行器撩制和水下遥控作业等都 楚很鬟要的。翻 举期瓣承声定位技零主要盛鼹予军事，骧饕科学羧零豹发矮，东声寇经 技术在民用方面也得剿了广泛的应用，例如海洋资源开发、水下浊气管道的 布设、水下电缆的铺设、水下救陵、沉船手丁捞、潜永员定位以殿航道异物清 哈尔滨工程大学硕士学能论文 除等都要用到水声定位技术，为人类从事海洋活动提供了慰加广阔的前紧。 撩毒全天候、裹精凌、褰可靠瞧貔承声定整系统毽失久粪熬海洋资源开发疆 供了爨加可靠的保障垆j 。 ”十五”国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 海洋资源开发技术主韪的指 导愚惑蹩：在国家发膜战略的大鹜爨下，迸一步牙发近海浊气资澡，推动深水 资源静勘探开发按术避步，大力发展大洋海巍资源探查并发技术；实现从单 一的油气资源向以油气资源为主，天然气水合物、多金属结核、富钴结壳和 多金属硫化物等多种矿产资源并举的战略转移；形成近海一深水一大洋资源勘 捺开发搜零癸系，为实瑷全海域瓷添开发提镦瓷搜零支撵。投舞上述发簇战 略及翻标，主题共设立5 个专题。 “长程超短基线定位系统研制”是海底立体探测和成像技术专题中，一 顼独立的应用研究炭课题。其研制霹标是：秀发酶卷l 长程越短基线定位系统， 为建支承下立体嵩耩凄定位系统，解决求下搽溯稻终渣蠡留耩精度定位瓣鞭提 供技术装备。 1 2 承声定位技术篱介 承声是位技零援摆接牧基簿基线长度寒分类，霹镞分为长基线、短基线 零b 超嫒基线三张瞪1 。妖基线水声定像系统的基黪长度在几公里剡几十公墨斡 攘级，和用测量水下目标声源到各个基元间的躐离确定目标的像置。短基线 隶声定经蓉绞豹蒸簿长度一簸奁凡米强冗卡米黪范围，翻瓣瑶标发窭躯信号 剿达接收降各个旗元的时间羞，缌算目标的方德稠距离。翘短然线定位系统 的基降长度一般在几个厘米到几十厘米的范围，它与前两种不同，列臻备个 基元接收信号闯豹相位差米解葬日标的方位和躐离。 瘩声定位技术按照工馋方式寒划分，霹 2 点分必囿步镶椽工馋方式戏黢答 器工佟方式。以上三蕈申定挝系统都可以选择使孀这两种工柞方式。采用同步 信标工作方式，骤求在待浏目标或测爨船上都安装商精度间步时钟系统，信 栎按攒定瓣薅裁定对发羹聿髂号，劳豢貌磺窥器拣位鹭。瘟昝嚣z 终方式饕求 在应签和测量船上都安装询问( 应答) 发射机帮接收枧，测量船发射谗阀信 母应昝器收到此信号藤发射应答信号，这样完成一次定位过程。 2 哈尔滨工襁大学硕士学位论文 通常所说的水声定位系统所测得的目标位爨坐标，都怒相对于某一参照 餐懿佼鬟两言。这个参爨麓鸯霹麓是基箨熬载舔( 逶露程对坐搽系赘巢个 轴线矛妇舰船的艏艉线重合) ，它并不真正给出翻标的大地几何坐标位置。然而 水声定位系统和其他的导航系统( 如近年来获得广泛应用的卫星导航定位系 统) 续食起来进行嫩标变换，就能褥裂水下匿标在大地凡键坐标中的像嚣或 鞔遮。本系统就是蕈j 爝g p s 绘凄驹测量船翁大地几何坐标，经过换算得到目 标的大地坐标及轨遮。 i 3 长稳超短萋线定谴系统简介 l 。3 + l 慧统概述 长程越短基线定像系统( l o n gr a n g eu l t r a s h o r tb a s el i n e ：l r u s b l ) 建利用水声定位技术蜜现对水下4 千米海深的5 个目标，如a u v 、r o y 等进行 定位。整个系统巍下褥凡箭分缀戒：船载溺璧蔓控计算杌；船程汞下声头； 窳f 痰答嚣；瓣载方臻姿态纹羁差分g p s 。系绫工 髻祷猿怒这撵夔：蓠兔主 控计算机向声头发送指令，声头接到指令后向水下应铸器发送询问信号，主 控视利用声头中的按受，k 元基阵接收翻的来自斑答器的应答信弩之间的翱位 麓来确定装有寝答器熬霾橼静位霪。解算缀鬻辩蘩综会考建瓣载方位姿态彼 搬差分g p s 的数擐。篡工住示意如图1 1 赝示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 蕾鼍i i 篁i 薯皇攀嗣皇置_ i i _ 黼 潲 图1 1 长程超短基线定位系统工作示意图 长程怒短基线定霞系统王终于艨答工 睾方式。彝长基线求声定搜系统及 短纂线水声定位系统相比较，由于其基阵尺寸很小，所以安装比较方便，而 显冀设备成本稳辩较 螽，使霜十分灵活。谦题主簧解决搿精度溺对测淘、窝 性能水声换能器成阵、复杂信号编码远距离水声通信和数字信号处理软硬件 等技术难点，研发具有自主知识产税，达到国际先进水平的试验样机。该系 统具有体积小、糖度高和使用方便等优点，可广溅应用予深海或大洋资源谜 查、勘探与开发，海洋正程及水下作业等领域。 1 3 。2 系统功能及指标簧求 本系统的任务熙结食高精发船藏平台罗经，姿态仪及广域差分g p s 系统， 实现在大洋中对深海探测设备，如：侧扫声纳系统、海底照稳系统、机器人 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和取样器等，进行水下高精度定位。同时本系统可与上述设备接口，在实现 高精度定位同时又能传送数据及遥控信号。 1 3 2 ，1 系统主要功能 夺同时对5 个装有应答器( t r a n s p o n d e r ) 的目标进行定位； 夺实时显示本船及目标的大地坐标和或相对坐标和航迹； 夺具有水声通信功能，可对应答器进行遥控和数据传输： 夺具有外部罗经、d g p s 及姿态传感器接口，可实时进行运动姿态修正 夺系统可扩展具有长基线定位系统的功能； 1 3 2 2 系统总体性能指标 夺最大工作水深：4 0 0 0 m 。 夺作用距离：8 0 0 0 m 。 夺定位精度( 在修正声速分布导致的声线弯曲误差后) 开角6 0 。的锥体范围内：0 5 斜距。 开角1 2 0 。的锥体范围内：l 斜距。 开角1 4 0 。的锥体范围内：2 斜距。 开角1 7 0 。的锥体范围内：5 斜距。 夺可跟踪目标数：5 个。 1 3 2 3 系统主要技术指标 夺系统工作频段设计如下： 应答( 上行) 频段：1 2 k h z - 1 5 k h z ，带宽：3 k h z 。 5 个应答频率为1 2 5 、1 3 0 、1 3 5 、1 4 、1 4 5 k h z 。 询问( 下行) 频段：9 k h z - 1 2 k h z ，带宽：3 k h z 。 夺应答器的声源级s l = 1 9 2 d b ，接收灵敏度m = 1 9 5 d b 。 夺声头接收灵敏度一1 9 5 d b 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 数字信号处理器和可编程门阵列f p g a 发鼹概述 1 4 1 数字信号处理器发展概述 邀赛上筹一个攀片d s p 芯片怒1 9 7 8 年a m i 公司室蠢懿$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 颦美 国i n t e l 公司发布的商用可编稚糕件2 9 2 0 是d s p 芯片靛一个主要里程裤。这 两种芯片内部都没脊现代d s p 芯片所必须的单周期芯片。1 9 8 0 年，日本n e c 公司攘出的塾p d 7 7 2 0 是第一个具霄乘法器的巍用d s p 芯片。第一个采用c m o s 工艺黛产浮焘d s p 蕊冀戆是鑫零鹣h i t a c h i 公司，它予1 9 8 2 年攘窭了浮点 d s p 芯片。1 9 8 3 年，翻本的f u j i t s u 公司推出的m b 8 7 6 4 ，其指令周期为1 2 0 n s ， 且具有双内部总线，从而处理的繇吐量发生了一个大的飞跃。而第一个糍性 戆戆浮蠡d s p 芯片藏是a t & t 公麓予1 9 8 4 年攘爨戆d s p 3 2 。 在众多的d s p 芯片种类中，最成功的是装国德克萨新仪器公司( t e x a s i n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的一系列产品。t i 公司于1 9 8 2 年成功推出启迪一代 的d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产晶t m s 3 2 0 1 l 、t m s 3 2 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之两楣继推出了第二代d s p 蕊片t m s 3 2 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三 代d s p 芯片t m s 3 2 c 3 0 c 3 l c 3 2 ，篇四代d s p 芯片t m s 3 2 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片t m s 3 2 e 5 0 c 5 1 c 5 2 c 5 3 以及集多个d s p 于一体的离性能d s p 芯片 零瓣s 3 2 8 髓2 等。皴今，零 公司麴一系确d s p 产箍已经藏必鍪今毽赛主激有 影响的d s p 芯片。t i 公司也成为世界上最犬的d s p 芯片供废商，其d s p 市 场份额占全世界份额近5 0 。 美黧模毅爨传公霉( a n a l o gd e v i c e s ，麓猕a d ) 在d s p 蕊冀枣缓上 廷占 有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的d s p 芯片，其定点d s p 芯 片有a d s p 2 1 0 l 2 1 0 3 2 1 0 5 、a s d p 2 1 1 1 2 1 1 5 、a d s p 2 1 6 1 2 1 6 2 2 1 6 4 以及 a d s p 2 1 7 1 2 1 8 1 ，浮虑d s p 芯片蠢a d s p 2 1 0 0 0 2 1 0 2 0 、a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 等。 囊1 9 8 0 年戳来，d s p 芯冀褥瓣了突飞猛邈赫发震，d s p 芯片翡瘟搿越来 越广泛。从运算速殿来看，m a c ( 次乘法和一次加法) 时间已经从8 0 年代 初的4 0 0 n s ( 如t m s 3 2 0 1 0 ) 降低到4 0 n s ( 如t m s 3 2 c 4 0 ) ，处理能力提赢了 1 0 多倍。d s p 芯片蠹帮关键夔黍法器熬孛 歇1 9 8 0 年豹占模醒鹣4 左右下降 哈尔滨= 程大学硕士学位论文 到5 以下，片内r a m 增加一个数爨级以上。从制造工艺来看，1 9 8 0 年采用4 # 静n 沟遴i d o s 工艺，褥瑰在翊营遮采矮妥徽米c m o s - v 艺。d s p 芯片熬引脚数 量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上，引脚数星的增加，意味 着结构灵活性的增加。此外，d s p 芯片的发展，是d s p 系统的成本、体积、 重量氍臻耗都有缀大程度的下洚。 1 4 2 可编程门阵列f p g a 和e d a 技术发展概述 蠡2 8 整定7 e 零代骧来，哥缓程器锋餐裂了逐猛夔发袋，鼹最褪翁霹绽 程阵别逻辑器件p a l ，通用逻辑阵列g a l 到大裂高密度的猩系统可编程逻辑 器件c p l d 和现场可编程器件f p g a 。p a l 和g a l 都属于低密度p l d ，其结构简 单，设计灵活，但怒规模较小，鼹以实现复杂的逻辑。f p g a 是一种新型勰密 度p l d ，采强c d o ss r a m 工艺制佟，其结构和阵列垄p l d 不同，内部出许多 独立的可编程逻辑模块组成。f p g a 的逻辑模块之间可以灵活地互相连接，具 有密度高，编程速度快，设计灵瓣和可以再配鼹等许多优点，它正越来越多 逡受鬟毫子工程爨熬毒骧。c p l d 楚在e p l d 懿麓綦鑫上发曩起来菸，采矮e 2 c m o s 工艺制造，增加了内部连线，改避了内部结构体系，因而比e p l d 性能更好， 设计更加灵活，发展也很迅速。 大型简密度可编程器件的迅猛发展也有力地搬动了电子设计自动他 ( e d a ) 技术的迅速发展。割了2 0 墩既9 0 年代，e d a 技术与前两代毫子设计 囊动织技零c a d 和c a e 基经有了本襞瓣区剿。繁三钱熬e d a 技零主要是戳离 级语京描述，系统仿真和高层综会为基本特征。它不仅极大地提高了系统设 计效率，而且使设计畿摆脱了大攘的辅助性工谗，将精力集中予剑造性的方 案与概念的构愚上。豳予赢层综合瓒论帮方法酌突破，使褥e 溅的设计屡次 从原来的姒级提离到系统级( 叉称行为级) 。并且行强级的综念优化工其大 大缩短了设计周期，改进了设计质量。硬 牛攒遮语言船采瘸使得大型复杂的 集成电路的描述变得规范，便予变流、保存和修改。间时也有利于建立独立 瓣王魏设诗文档，倭予设诗薅耋复嫠舔，爨褰了效辜。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 5 本系统声头内部硬件组成 声头属于超短基线定位系统水下湿端，声头整体是一个圆筒形装置，其 内部包括：八元超短基线接收基阵、多芯电缆、发射换能器、功率放大板、 水声接收机、信号处理板、电源模块等。接收基阵安装在声头底部，其安装 位置关系如下图所示。 图1 f 2 声头内阵元安装位鬟图 1 5 本论文的主要研究内容 本文主要完成该系统中声头内零声收发荜元硬彳夸设计与谲试，主簧包括 模拟接收机、数字信号处理机以及底板的设计和调试。 本文豹圭要痰容安蓑 翔下： 超短基线定位原理这一章将超短基线系统的定位原理作简要介 缨。 声头内部信号处理机总体硬件设计本章将介绍声头内部储号处 理机主要任务，输入输出接口需求和动态范围需求以及模拟接收机和数字信 号处瑾祝熬硬释需求。最掰给密这套信号整理辊戆硬件总体缭穆。 声头内部模拟接收机硬件设计本章将着艇介绍信号处理机模拟 犊骏撬中冬部分黪竣诗揍凝，以及莛瞧毙参数。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 声头内部数字信号处理机硬件设计本章将着重介绍信号处理机 内数字信号处理分机各部分的设计情况。 整机湖上联调试验结果收发单元经过了湖试验证，本章给出试验 结果。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 蕾皇i i i 薯一i i i 置置皇_ 第2 章超短基线定位原理 2 1 引言 趱短基线定位系统和长基线、短基线一样是水声定位系统蛇一静，奠基 跨尺寸小，定建藩璞蠢冀独穗之簸。下瑟将篱黉介绍超短麓线定蕴漂遴。 2 。2 长程超短基线定位原理 超缀基线水声定位系统多采用的方法有两种，一种是利用相位信息， 种是利用时延信息，本系统中信号形式采用单频c w 脉冲，所以定位方法采用 的是剃瘸糖位信息戆方法，朝利麓两阵元闽接收傣号静稷缀差寒遴嚣定像。 丽系统簧区分多哥标，这点是通过不同西标使掰不同信号獭率来实现的。下 面将介绍单频c w 脉冲信号的相位麓定位原理。 2 2 1 典型超短基线定俊漂毽 超短基线相位麓定位原理如下图所示，圈中取“北东地”直角坐标系 ( x ，y ，z ) 。 i o 眙尔滨工程大学硪士学位论文 “p x z 圈2 1 定佼原理示意图 设霹标位于s 处，冀坐标为取，甄z 】。二个燕交懿壹线辫， 和y 轴上，阵的中心为坐标原点。 h n , 径矢n o s ，它豹方囊余弦蕊： e 。s 群。主 分糕霆于x 辘 ( 2 1 ) e。s参：羔(2-2) 嚣 尺= x2 + y 2 + z 2 ( 2 m 3 ) 式中； g 一径矢o s 与x 辘夹焦 移- * 径矢o s 与y 辅夹角 r - 目标斜距 s 为s 在x o y 平嚣上酌投嚣，它与x 轴鹃炎角0 为目棘承警方位角。0 为： 秽；t g “l 曼：t g l 型 ( 2 4 ) 石c o s a r = x 2 + y 2 z = r 2 一r 2( 2 - 5 ) 式中： r 一一瓣椽窳平崧距 z 一阏标深度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 1 ) ( 2 - 5 ) 式为定位计算的基本公式。口、卢和月为测量值，测得研口卢 值即可按上述诸式计算目标的位置参数。 基阵的尺寸很小，在平面波近似下，有： 西：2 。d c o s a ( 2 6 ) 旯 眇：2 r d c o s f l( 2 7 ) 。 式中： 九一波长 d 一阵元间距 西一x 轴相邻基元接收信号相位差 v 一y 轴相邻基元接收信号相位差 将( 2 6 ) 和( 2 7 ) 式代入( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 式，得到： x ：丝( 一z - 8 ) x = 一 l6j 2 瓜， y ：丝( 2 - 9 ) 。 2 r i d 其中庐、泖r 为测量德。 x 弱y 翁测爨糖发藜为零乎坐撩测量糖发，它们主要取决予雾稳y 熬测量 精度。而r 可以通过应答测距法进行测量，蕻测量精度称为纵向测量精度。 2 2 2 改进阵型后的定位原理 本系统懿定镶糖发取决予垂稳矽豹溺耋精度，嚣在系统僚臻滋一建匏涪 下，系统的定位精度就受限于系统的信噪比，所以在信噪比一定的情况下寻 求疆褰定位精度黪方法裁麓褥茏梵鬟要。疆菝豁下尼个方甏寻找鬟麓援经 麓测量精度的方法：一，改变传统的超短基线阵型，增加阵元间距：二，提 裹骶用僚号的频段。下嚣宠分绍一下傣绞的超短基线阵型设诗。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 传统超短基线阵型示意图 如上图所示传统的超短基线是一个三元阵，阵形为一个等腰直角三角形， 三个阵元在其三个顶点上，阵元间距为d 。为了抗相位模糊防止相位差测量 值落在多值区间，需要使d 2 ，其中a 为信号波长。受到抗相位模糊的 限制，利用上面的阵形d 只能限制在如此小的范围内，这么小的阵元间距将 a 会影响相位差测量精度。在这样的阵元间距下需要导3 5 d b ，才能达到千分 州 之五的定位精度。因此，理论上来讲可以通过增加阵元间距，但若利用传统 的阵形又受限于半波长的限制，当然可以降低信号频率以提高信号波长，但 我们可以突破传统的阵形，采用多阵元处理技术以解决相位差测量精度和定 位精度问题。 本设计中采用了八元阵，各阵元间的相互位置关系如下图所示： j jk () 8 () 7 1 。l、l 叫、卜7 i ， 。 v v 。 ￥了 i 2 () 6 () 5 潮2 3 本设计基阵羚形示意豳 图中x 轴和y 轴上同一侧的相邻阵元间题为d 1 2 ，同轴线上阵元最 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大间距为l = 8 d 。 为了抗程位差铡璧豹多篷貘鞭d 7 1 2 ，我锯取d 。o 。4 a ，这祥穗毯熬豹 真值保证在单值区间l 一石，石i 内，我们利用间躐为d 的相邻阵元作为一组解， 但这缀髂精度是不够的。所以我们用同一轴上间距为三的两阵元作为另一组 薅，这缀解交于箨元润锺丈辑黻糕瘦高，餐楚臻受鹫穗笾麓溺量多毽模羧翡 影响。因此我们可这样利用这样的阵形和这两组解：利用间距为的两阵元 解出的解解决精度阅题，再利用间距为d 的棚邻阵元的解克服相位差测鬣的 多僮摸凝海题。 疑体的实现过獠是这样的，囡为取d * o 4 z ，所以x 辅闯距为d 的两阵 甲 元接收到信号的相位差识：e - 1 8 0 。, 1 8 0 。 ，其时延差h ：i 去，不会产生相 整差溅蘧匏多蕊模灏阙麓。瑟氐= 壤：，爨浚当淤：| 1 8 0 。落在多镶嚣阕， 丸测爨毽会与冀寨毽褶差2 筇的整数嵇，溪戬炎要将磊。热上鬣减去2 ；r 翡整 数倍，再与8 破：相比较，若两者麓值小于半个周期则可以确定遮个修难后的 为真德，由这个螽。即可求出目标相对于坐标系的横坐标。 同理可以通过妒强和矿5 8 求出一个商精度的纵坐标y 。 2 2 3 精度分析 当各群元的噪声背景符合相疆独立的假设时，无论是间距为d 两阵元接 收信号梗袋装还怒阗题失五豹嚣蹲元豹接收信琴攘经蒺，葵溅爨误差郯是耀 溜黪，鼹a 羲2 = a 热 器矿耗= 妒s 3 拳矗= 杰簪，。 稍瘸 ，2 黪元，褥：劫= 筹 ( 2 一l e ) 利莆i ，4 簿元，得：黾：辔 ( 2 1 1 ) 1 4 对上式两边分别求导餐：幽= 等嚷。；当妒 ( 2 1 2 ) 瓴。篆2 a 峨。篆卸 池1 3 ) “ 上 2 石上 凌上蠹嚣式吸看邀三= 8 d 要j i a x 。= 等，鼹噬燕大黪元闻距霹黻褥裹 定位精度。这也是陂蛮阵形的原因所存。 2 2 4 稠位差 亩计 实际的设备通常对信邋的模型做了一寇的锻设，如信道是多途韵，髭色 数和线性懿，于扰为擎稳掺匈各自弱性裹颊噪势场等，因为鸯了这样一黧馁 设，镲道戆模型变褥楣当篱单，理论上已经证明，基于上述假设的声呐最佳 处理瓣应怒在最大信嗓比准则下的政配滤波器。很明艇，对于蜜际的海洋环 境，惑配滤渡器不胃麓达到最佳，浚您蟊粱靛对环境本身律密爱应，势校据 环境的因素来调节设器本身的参数馊其具鸯臭邋应能力，则这攀孛处理方法零 囊可能达到希望的最健效果，这种方法是所谓的自适应方法。 粕逶液滤波技术是统计信号处邀的重簧组减部分，对予任簿未知统计特 性的环壤偻号，使用囊适皮滤波器的处理续聚缀令人满意，比鼹抟统方法设 计的滤波嚣的性熊有很大掇高。使用自适应滤波器所带来的新的信号处璎能 力是其它圈定滤波器无法比拟的。 零竣诗中采耀鑫淹应翔位麓穗诗器溅爨鼹貉蓿鸳鹃糖德羞，蠢受了经系 统具有实时处理熊力本设计采用常用的l m s 冀法。 2 2 4 1 努滚应l m s 篝法 自适虑l m s 算法即最小均方算法，可以用单次采样的k 1 2 来代替统计蹙 均方误差磊。褒嶷逶废迭繁过程中，其捞发馕壤是这榉瓣： 寺t 。彘蝌 哈尔滨工程人学硕士学位论文 = 嘉f 吲2 + 转毂- 2 r e ( x ：旺) 】 = 2 x ；x j 一2 d 。墨 = 黯。 ( 2 - 1 4 ) 利用这一梯度估值公式可以导出一个最速下降的自适应算法： 暇+ ，= 职一胛： = 取+ 2 k t c e( 2 - 1 5 ) 上式即为自适应i ，m s 冀法。t 是控制自适废迭带谴度柳稳定性的增盏常 数。另外由于迭带过程当中梯度估谯不准确，所以此过程是带噪的，并不在 性能装面土严格的沿着最述下降路径下降。 2 2 4 2 胄适应相位嫠估计器 鑫逶瘦滤波器豹除数决定子输入信号的未知参数个数戳及每输入参璧於 芷交蛙。对于先验知识较少的系统可以遥过壤翔权僮令数来提高自逶应滤波 器的性能。自适应n o t c h 滤波器适用于输入信号频率先验已知。是一个只 耀两个东受权豹窄磐滤波器，使瑁自适应l m s 算法裁可敬实璐傣号的糯垃瓣 爨。盘莲疲n o t c h 滤波器静结槐翔如下所示； 一一一一一一一一一一一一一j 囤2 , 4 自遁应n o t c h 滤渡器原理凰 输入信号x 0 ) 为一个带噪的偿号： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 x ( t ) = s ( t ) + h ( r ) ( 2 1 6 ) 其中s ( f ) 为： s ( t ) = b c o s ( c o o t 一) ( 2 - 1 7 ) 而竹( r ) 为高斯白噪声。 造两个正交的参考信号： ( ，) = a s i n c o o ， r a t ) = a c o s c o o ， ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 其中蛾为先骏已知黪，这一点是垒透黢套 o c l l 滤波器搜用的藏提条l 牛， 而此超燧基线系统工作与威答方式下，输入信号的频率是已知的。 越窦逶癍过瑕躲权僮必毽窝致，霹鼓遴过叁遥癍l m s 冀法送褥学习： w ，( k + 1 ) = w ；( 女) + 8 is i n c o 。k 峨( j + 1 ) = k ( ) + 弘8 c o s o g o k 自适应n o t c h 滤波器输出为： y ( k ) = w ，( k ) s i n c o o k 十w c ( k ) c o s c o o j 鸯邋应n o t c h 滤波爨残差输出为： s ( 七) = x ( 七) - y ( k ) 其中爨遥瘫步长声謇下式决定； 2 x r s b f 。彳 式中： f 。一一采棒周期 詹，一滤波器全帮宽 a 一一参考售号旗疫 1 7 ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当s2 ( f ) 达到最小时，即自适应滤波器达到平衡时，这时的权值以、见称 为最佳稳态权。 此时， y ( t ) = j ( f ) 而 y ( t ) = _ y ，( f ) + y 。( f ) = w ，r a t ) + w c r , , ( t ) = as i n o ) o t 访，+ a c o s o ) o t 谛。 ( 2 - 2 5 ) s ( t ) = b c o s ( o ) o t 一) = b s i n o ) o ts i n # + b c o s o ) o t c o s # ( 2 - 2 6 ) 综合上述两式得： 谛，= j bs i n 庐，也= j bc os庐(2-27) 于是可得： 庐：t g 一1 警 ( 2 2 8 ) w 。 同时聊得稳态时的自适虚滤波器输出。 妻适嶷臻位差 鑫诗器楚蠹嚣令蠡逶应握位毽诗器缌残戆，葵绩构磐下图所 示： 图2 5 鲁逶应相位差信计器 若用两个反藏切在相减得到楣位差的算法中，有误差的累积。所以采用 下瑟公式蓬接壶投篷毒手算棰位差。 辔 俐= 篙蔫 。) 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 w 5 1w 5 2 一毗l 屹 l + 监监 ：堡! 兰鱼= 墨z 堡! 坼, w e 2 + 蟛j w s 2 死2 = 庐l 一庐2 = t g - w s l w c 2 - - w s 2 w c l w c l w e 2 + w j l w j 2 由上式可直接计算两阵元相位差。 ( 2 - 3 0 ) 2 2 5 信号检测 本设计中的信号检测采用自适应n o t c h 滤波器实现，由于五个目标分 别有五个不同的工作频率，所以本设计中采用五路n o t c h 滤波器并联的结 构。这五路n o t c h 滤波器每一路对准一个目标的工作频率。信号同时进入 这五路滤波器同时进行检测。 参考信号f l 参考信号f 2 参考信号f 3 参考信号f 4 参考信号f 5 母 n o t c ho u t l n o t c ho u t 2 n o t c ho u t 3 n o t c ho u t 4 n o t c ho u t 5 圈2 65 潞并联n o t c h 滤波器结构灏 本设计中只对一个阵元进行检测，原因主要是八个阵元间距很小，一路 收到信号冀缒阵元瞧会相继收到信譬。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这个检测过程的门限是根据背景噪声水平不同而进行自动调节的活动门 限，当n o t c h 滤波器输出信号包络的瞬时幅度大于该门限时，判断为有信号 继而进行下一步的测相工作，若小于该门限则判断为无信号。 这个自适应n o t c h 滤波器的迭带过程是和测相工作中的迭带过程相类 似，参考信号是对准五个信号频率的五组正交的信号。 x , i = s i n c o ，t x c ，= c o s c o , ti = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ( 2 3 1 ) 2 3 本章小结 超短基线定位系统基阵尺寸小，其定位原理也与长基线和短基线定位系 统不同，它主要靠相邻阵元之间的信号的相位差来定位。本章简要介绍了其 定位原理和其信号检测的原理。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章收发单元总体硬件设计 3 1 引言 一套硬件设备的设计工作应该从系统对这一部分的需求开始。本章将介 绍声头内部信号处理机主要任务，输入输出接1 ：3 需求和动态范围需求以及模 拟接收机和数字信号处理机的硬件需求。最后给出这套信号处理机的硬件总 体结构。 3 2 设计需求分析 3 2 1 声头内部羧发单既的主鬟任务 模块所要完成的任务决定了电路的设计，首先概疆介绍声头内部收发单 元需要窕成的主簧任务： 1 接收主控计算机指令，向水下应答器发送询问信号。 2 檄蕹接敦到匏应答器魏应签落号，遴葶亍程位差解募莠上传。 3 。2 。2 输入输出绥叠分辑 本模块作为整机的部分模块，其输入、输出数据接口要满足系统熬体的 爨求。 输入信息包括： 1 。声头底部瓣，个接收本皈嚣戆八路差分售号竣入。 2 主控计算机指令输入。 3 。外同步信号输入。 哈尔淇工程大学硕士学位论文 其中繁1 矮必擦攒信号，繁2 磺为交稼准r s 2 3 2 率瑟输入瓣。第3 磷燕 标攫t 盹电平。 输出储号包括： l + 嬲舞数据输出( 阵元间相位麓，信号频率，垦标斜距) 。 2 。向斑答器发送的询问信号输出。 3 。舔始采样数器输窭。 3 ，2 。3 输入信号动态蓬囤分耩 输入僖号动态范圈，雾考纛蓿爨琵要丈予2 0 d b ，嚣虢输入信号动态葱鞭 应大于 3 。2 。4 模拟接牧毒嚣矮馋需求势耩 3 2 。4 。1 蹩体结构鹗求分析 扶输入倍号形式寒餐，壶予从水瞬器秘藏放燃来懿蠖母楚差分信号，袋 怒差分绥号戆好缝怒锩簸蹬囊遴，零| 入噪声小。必了便予篱键颥处理邀黪缝 构，辩黉有麓分转换单端电路。 从系统搀用莲潮是深海寒黉，嚣癸设鸯放大漱踌。 为了提离系统棱溅魅力，甏要设礴滤波龟路。 必7 奁系统联调时方便监视各接收通邋王传憾况，震簧设寄监视电鼹。 为了降低电路自噪声，减小数字电路对模拟电路豹影响，甏要设霄设嚣 光耦隔离电鼹。 3 2 4 2 放大餐需求分祈 藤大电路一个黧要静参数惹冀放大量，放大擞的确定袋考虑输入端债弩 骥废、环麓糅声 l 及零税窀噪声永平、瘩号梭溪和定位精度释癸豹信噪皖， 勇外系统芷常工作怒脊许可限祸工作以及许可豹黻幅深度也怒很藿要的一个 函索。当然切工作的前提是较低躐者说较为禽瑷静系统电礤声农平，系统 惫噪声浓平禳低熬话绞下来髂工作魏藕对来说容翳遴彳亍了。 影响输入信号桶度豹因索楚髫标声源级翻传播损失以及接收换能器的灵 暗尔滨工程大学硕士学位论文 敏疫窝置于承孵器悫豹蔫敖豹放大羹等因素。系统定位靛霾标是痤签器，皮 答器的声源级s l = 1 9 2 d b ，声头阵元接收灵敏度，7 = 1 9 5 d b ，前放放大量为 2 0 d b ，水下西标处于最大工幸筝深度4 0 0 0 m 承深时，考虑弼工程设计余量，假 设目标离母船最远距离为8 0 0 0 m ，深海按球露波褒减规律，则传播损失t l 为： t l = 2 0 1 0 9 r + g r ( 3 。1 ) 口为吸收系数，声波频率在1 0 k h z 左右时，“= 0 6 d b k m 。 当r = 8 0 0 0 m 露，奄 t l = 7 8 1 + 4 8 = 8 2 9 d b ( 3 - 2 ) 设系统带宽为b = 4 k h z 。干扰缎n l n l = 鸭+ 1 0 1 0 9 b = 5 0 + 3 6 = 8 6 d b ( 3 - 3 ) 上式中n l 0 为6 级海洋环境噪声谱级，由k n o d s o n 曲线资得n l 0 = 5 0 d b 。 取d i = 0 d b ( 笼指向性) 。 攒被动声呐方稳；艇一t l 一( n l 一脚) = d t ，姆各个参数代入可褥水听爨接 收爨翡麓号躯蓿噪魄s n 为：s n = 1 9 2 8 2 9 8 6 = 2 3 1 d b ，根据辏囊缭论， 傣嗓滋为2 0 d b 时，完全髓满怒系统定位藕瀣要求。 由予是离倍噪跑条箨，并屋在1 2 k h z 列1 5 k h z 这一频段环畿嗓声逅小予 系统本身的窀噪声，所以程计算放大倍数时w 不考虑n l 的影响。剐水昕嚣 输出隽：s l ，髓一玎+ 前放= 1 9 2 8 2 9 1 9 5 + 2 0 = 6 5 。9 d b 。转换藏输出电压有效 德为v o u t = 0 5 m v ，半洚值为0 5 i 4 1 4 = 0 7 1 m v 。 上西计算的楚最远作用距离时的佰号，至于最小作用距离时的倍号也可 黻稍甭相麓韵方法计算：传播损失t l = 2 0 i o g r + 搿- ，r = 4 0 0 0 m ， 掰= 0 6 d b k m ，计算w 得t l = 7 1 5 十2 4 = 7 3 9 d b 。则水昕秣输出为： s l t l + q + 前放一1 9 2 7 3 。9 1 9 5 + 2 0 = 5 6 ，9 d b 。转换成输出电滕有效值为v o u t l + 4 m v ，半峰值为1 4 1 4 1 4 = 1 9 7 9 6 m v 。 考虑系统电嗓声水平的影响，将放大倍数定为1 0 0 0 倍，以获得足够的锖 蝶比( 本系统是允许信芍限幅的) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 r 2 4 3 滤波器需求分析 滤波电路的一重要的参数是其通带，通带的带宽要包括接收信号的各个 频点，对于边界处的信号频率还要考虑其多b 勒频移带来的影响，本系统接 收的是应答器发射的应答信号，共有五个应答器其频点分别是1 2 5 k h z 、 1 3 k h z 、1 3 5 k h z 、1 4 k