（水声工程专业论文）水声定位及遥测系统接收机设计与实现.pdf

a bs t r a c t i nt h eu n d e r s t a n d i n go fm a r i n ee x p l o r a t i o na n dr e s e a r c h ，t h ep o s i t i o n i n ga n d t e l e m e t r i n gt e c h n o l o g yh a sa l w a y sb e e na ni m p o r t a n tr e s e a r c h j u d g i n gf r o mt h e c u r r e n ts i t u a t i o n ，e i t h e rf r o mt h em i l i t a r ya s p e c t so rt h em a r i n ed e v e l o p m e n t ，i t h a sg a i n e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni n v a r i o u sc o u n t r i e s ，a n dh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tb r a n c hi nt h ea c o u s t i cf i e l d a sh u m a ng o e sd e e pi n t ot h eu n d e n v a t e r r e s e a r c h ，t h er e s e a r c hm e a n sw i l lb em o r ea n dm o r e ，s u c ha sam a n n e d d e e p d i v e l u n d e r w a t e rr o b o t s ，o i la n dg a sp i p e l i n e sl a i d i nt h es e a b e d ，u n d e r w a t e ri m a 西n g s y s t e m s ，a sw e l la sv a r i o u so t h e rd e t e c t i o n e q u i p m e n t s ，e t c h o w e v e r , t h e u n d e r w a t e rh i g h 。p r e c i s i o np o s i t i o n i n ga n dt e l e m e t r i n gt e c h n o l o g yi st h ep r e m i s e a n dt h eg u a r a n t e et oa c h i e v es a f ea n de f f i c i e n tu n d e r w a t e rs c i e n t i f i cr e s e a r c h e s a n dp r o d u c t i o na c t i v i t i e s t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri st o d e v e l o par e c e i v e r t h er e c e i v e r sm a i n f u n c t i o ni sa sf o l l o w s ： ( 1 ) m a n a g et h er e c e i v e dm u l t i c h a n n e ls i g n a l sw i t ha n a l o gc o n d i t i o n i n g ； ( 2 ) g a i nt h ed e l a yi n f o r m a t i o no ft h ep o s i t i o n i n ga n dt h ef r e q u e n c yc o d i n go f t h et e l e m e t r yf o r me a c hc h a n n e l ； ( 3 ) c o r r e s p o n de a c hs u b s y s t e ma n dt r a n s m i td a t aw i t ht h es o f t w a r ej n t e r f a c e f i r s t l y , t h i sa r t i c l eo u t l i n e st h ea c o u s t i cp o s i t i o n i n ga n dt e l e m e t r i n gs y s t e m f o c u s i n go nt h ep r i n c i p l eo ft h ep o s i t i o n i n ga n dt e l e m e t r i n g ，s ol a y st h e o r e t i c a l b a s i sf o rt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h er e c e i v e r s e c o n d l v t h eh a r d w a r e p l a t f o r mf o rt h er e c e i v e ri sd e s i g n e d ，w h i c hg i v e st h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o n so ft h e a n a l o gc o n d i t i o n i n gb o a r da n dd i g i t a li n t e r f a c eb o a r d a m o n gt h e m t h eu s eo f p r o g r a m m a b l ef p g aa d d sf l e x i b i l i t yt ot h el o g i cc o n t r o lo ft h es y s t e m t h i r d l v t h ed e s i g no ft h es o f t w a r ei s r e s e a r c h e d ，s ot h a tt h er e c e i v e r ，sf u n c t j o nc a nb e f u l l yr e a l i z e d f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so ft h es y s t e ma r ei n t r o d u c e d k e yw o r d s ：p o s i t i o n i n ga n dt e l e m e t r i n g ；r e c e i v e r ；h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g 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，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：痕批 日期：2 d 口目年3 月8 日 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 水声定位与通信技术是现代科学技术发展的重要成果，在现代工业、军 事和民用等各个领域有着广泛的应用，它的出现极大地推动了水声技术的发 展。由于经济上，科学上和军事上的发展需要，水声定位与通信技术的重要 性也日益提高。 迄今为止，声波是人们发现的在水介质中传播损失最小，传播距离最远 的信息载体，所以利用水声技术对水下目标进行定位通信在军事和民用方面 都有着不可替代的地位。目前，许多国家已投入大量人力物力进行不同水声 环境下水声定位与通信系统的研制开发，满足各种应用的需要。 为配合水下自航模实验，本课题组研制开发了一套水声定位及遥测系统。 与在无限空间中通过电磁波进行定位及遥测相比，在有限的浅水刚性壁水池 中通过声波对某一水下目标进行定位及遥测，在解决方法上有很大不同。尤 其是声速和带宽，极大地限制了通信速率。本系统的设计应用环境为一浅水 刚性壁非消声水池，水池四壁和水面对水声信号的反射强烈，反射信号与直 达信号相互叠加干扰，使遥测译码的误码率增大。上述问题如处理不当会极 大地降低系统的可靠性，所以必须设计针对此水池专用的声纳发射、接收系 统，编制专用的检测、控制程序，并优化编码译码方案，使系统合理化、实 用化。本论文的研究就是基于此孕育而生的。 1 2 水声定位与遥测技术的发展概述 1 2 1 水声定位技术发展 水声定位是利用声学测距和测向原理确定水下目标在由几个参考基元所 组成的坐标系中的相对位置。利用水声定位技术可以高精度、高速度、连续、 自动地显示出水下物体的位置，这对于研究水下航行器、水下工作系统以及 水面工作船所处的状态等都是很必要的1 。 传统上，根据声学定位系统的基线长度，将定位系统分为三种类型吲： 长基线定位系统( l o n gb a s el i n e ，l b l l 、短基线定位系统( s h o r tb a s el i n e ， 1 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 s b l ) 、超短基线定位系统( u l t r as h o r tb a s el i n e ，u s b l ) 。 1 、长基线定位系统 长基线定位系统需要在海底布设3 个以上的基元，组成海底定位基阵， 被测目标一般位于基阵之内，利用测量水下被测目标声源到各个基元的时间 差，解算目标的方位和距离。其优点是定位精度与水深无关，定位覆盖面积 大，作用距离远，在较大的范围上可以达到较高的相对定位精度，几公里的 定位误差可能控制在1 0 米以内；缺点是系统构成复杂，基阵布放费用高昂， 校正和回收工作量大，并且耗费大量的时间m 悯。 目前国外性能较好的长基线定位系统举例如下： ( 1 ) 美国s o n a r d y n e 公司f u s i o n 系列的长基线定位系统，该系列产品可 用于水下仪器设备的连续跟踪定位，也可应用于复杂的深海工程建设项目、 矿石开采、海难救援等等。中频段7 8 0 7 型工作水深4 0 0 0 m ，定位精度 o 1 5 1 0 m ；高频段7 8 0 8 型工作水深2 5 0 0 m ，定位精度0 0 2 - 0 1 5 m 。 ( 2 ) 挪威s i m r a d 公司的h p r 4 0 8 s 型长基线定位系统也是同类产品中的佼 佼者，具有自动校准功能，整个系统在超过3 0 0 0 m 的作用范围内可以达到几 厘米的定位精度。此长基线定位系统因其高精度、高可靠性、数据更新率高 的特点已经被广泛的应用于水下机器人、深拖系统等水下设备的导航定位。 2 、短基线定位系统 短基线定位系统与长基线定位系统所不同的是定位基元可布放在海底， 亦可船载布放。若船载布放，系统需要配备垂直参考单元( v e r t i c a lr e f e r e n c e u n i t ) 、罗经( g y r 0 ) 和参考坐标系统( 一般用d g p s 或g p s ) 。短基线定位系统 利用目标发出的信号到达接收各基元的时间差，解算目标的方位和距离。其 优点是系统组成简单，不需要组建水下基阵，便于操作，使用方便；缺点是 其精度和覆盖面积比长基线系统要差，在几百米的距离上误差在百分之一左 右；并且需要在船底布置基阵，因此对操作船提出了更高的要求；在深水区 为了达到更好的定位精度需要加大船底基阵的长度，校准工作量变大；绝对 定位精度主要依赖于v r u 、g y r o 和d g p s 等外围传感器。 图1 1 是长短基线系统定位精度曲线，容易看到随着距离的增加，定位 误差随之逐渐增大嘲。其中，短基线系统的误差增长远快于长基线系统，但 在大约5 0 0 米的距离以内，短基线系统的精度高于长基线系统。 2 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 国外典型的短基线定位系统有澳大利亚n a u t r o n i x 公司生产的 n a s d r i l l r s 9 2 5 。在环境噪声大且深水区作业的情况下同样能够取得良好的 定位效果，基于系统的这个特点，该产品已经与多套动力定位系统组成联合 系统应用于深海调查和生产项目。n a s d r i l i r s 9 2 5 系统在工作范围3 5 0 0 m 以 内可以达到优于2 5 m 的定位精度。 定 位 误 差 距离 图1 1 长短基线系统定位精度曲线 3 、超短基线定位系统 超短基线定位系统与短基线定位系统一样，定位基阵是布置在船底的， 但它的基阵长度更短些，并且它是利用各个基元接收信号的相位差来解算目 标的方位和距离。超短基线定位系统也需要配有v r u 、g y r o 和参考定位系 统f “刖。系统主要优点是构成简单，不需要组建水下基阵，使用极为方便；主 要缺点同样是需要做大量的校准工作，绝对定位精度主要依赖于外围传感器 v r u 、g y r o 和d g p s 等，同时，定位精度不太理想，在要求高精度定位时使 用受到一定限制。 目前国外研制超短基线定位系统的公司主要有： ( 1 ) 法国o c e a n ot e c h n o l o g y 公司 法国o c e a n ot e c h n o l o g y 公司生产的p o s i d o n i a 6 0 0 0 型超短基线定位系统 最大作用距离8 0 0 0 m ，定位精度为作用距离的o 5 1 o ，其主要特点是对 常规的水听器阵的结构进行了改造，并采用调频声学信q ( c h i r p ) 。从1 9 9 7 年已经开始装备在法国i f r e m e r 的水下机器人和深拖系统以及德国的 g e o m a r 深拖系统。 哈尔滨i ：程大学硕十学位论文 ( 2 ) 挪威的s i m r a d 公司 s i m r a d 公司研制的h i p a r 5 0 0 型系统的基阵是由2 4 1 个换能器单元组成 的球型阵，测量精度优于作用距离的0 2 ，工作水深达到4 0 0 0 m ，新近推出 的h i p a r 7 0 0 型系统是在h i p a r 5 0 0 型的基础上开发的长程声学定位系统， 基阵为5 0 个换能器单元组成的半球型阵，形成窄波束提高换能器的指向性和 信噪比，最大作用距离为8 0 0 0 m ，最大工作水深为6 0 0 0 m ，定位精度为作用 距离的0 5 。 另外还有些产品，如s i m r a d h p r 4 1 0 、o r et r a c k p o i n ti i 、n a u t r o n i x r s 9 1 2 等工作水深都在2 0 0 0 m 以内，定位精度为作用距离的o 5 1 0 。 当前国内外对水下定位技术的研究比较成熟，已有适用于中低速目标的 商用便携式定位系统。随着科技的发展，涉及的海洋科研和生产内容越来越 丰富，对水下定位提出了更高的要求，这些都促使声学定位技术不断的向前 发展。 近来出现了一种新型的称为d v l n a v 的水下定位模式，该模式实际上 是声学定位系统的进一步发展，可以简单的概括成是水声定位系统与多传感 器进行联合的一种水下定位方式。d v l n a v 系统一般需要包括以下的组成部 分：多普勒计程仪、电罗经磁罗经、压力传感器、高度计、d g p s 以及长基 线定位系统等。2 0 0 2 年以来美国w o o d sh o l e 海洋研究所已经将该定位模式 应用到了a l v i n 号深潜器、6 5 0 0 m 水下遥控机器人d s l - 1 2 0 a 和j a s o ni i 以及 j h ur o v 上。2 0 0 2 年9 月，j a s o ni i 深拖系统在j u a nd ef u c a 海脊、坐标北 纬4 8 。、西经1 2 8 。区域下潜2 6 0 0 m 进行作业，工作时间9 小时，d v l n a v 定 位系统的定位标准偏差4 4 1 m 唧。 随着人类对海洋研究开发工作的深入开展，所采用的研究手段会越来越 多地适应新形式下所提出的更高的要求，声学定位系统之间的联合、声学定 位系统与其它传感器联合以获取载体在深海工作时的更多信息，实现更广意 义上的水下定位已经成为声学定位技术发展的必然趋势。 1 2 2 水声遥测技术概述 水声遥测技术是水声通信的一个重要应用。按照传输信息的种类来区分， 比较常用的有两大类：即目标信息和媒质信息。所谓目标信息是指水下目标 4 哈尔滨j - 一l - i 大学硕十学位论文 设备运转的温度，压力，各种阀和转换器的状态，电机转速，或动目标的运 动速度，航向，坐标，下潜深度等参数；所谓媒质信息是指媒质的种种物理 参数，如海水的水温，声速，流速，流向及海洋噪声等。由于水声遥测技术 利用水介质作为传输水声信号的信道，不需要冗长昂贵的电缆，操作方便， 且易于实现。 能否准确传输数据，将数据源发出的信息以最大可能的数据传输速率和 尽可能高的可靠性发送到数据用户，实现遥测功能，关键在于深入了解水声 信道的特性，并正确选择信号的调制方式和在信道中的传输方式，尤其是在 多路信号的情况下。 1 、水声信道特性 水声信道是一个极其复杂的随机时变、空变信道，存在众多因素的制约， 是至今难度最大的无线通信信道n u n 习。因此，水声通信技术也成为当今极具 挑战性的复杂研究课题之一。从通信的观点出发，水声信道对水声信号的影 响主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 声传播损失 由于声波在传播过程中的几何扩展及介质的粘滞、散射、反射、热传导 等物理吸收，导致声波能量的不断损失1 。这种传播过程中的能量损失随着 通讯系统作用距离和工作频率的增加而增加。其中，声吸收损失系数与声波 频率的平方近似成正比。这些制约了水声通信系统的作用距离和工作频率， 限制了系统的通信带宽，进而限制了系统的传输速率。 ( 2 ) 多途效应 声信号在水介质中传输，必然会碰到水面，水底单次或多次的反射和散 射，此外，水介质中的不均匀性，如水泡，生物等以及声速的分层分布，都 能散射、折射声波，使声波通过不同途径传到接收点。这些反射，散射，折 射的声波在接收点无规则的叠加，使得除了接收到直达波外，其后还会接收 到一系列拖尾很长的干扰波，这种由多种途径到达接收点而形成的干扰称为 多途干扰。多途传播引起信号的时问扩展，降低了对信号的时间分辨能力。 在浅海，多途扩展时间可达几百毫秒；在深海，扩展可至几秒。多途效应是 水声通信系统设计中最难克服的障碍，也是限制水声通信系统性能的主要因 素。 哈尔滨丁稃大学硕十学1 奇：论文 ( 3 ) 非平稳的海洋环境噪声和本地噪声 海洋环境噪声和本地噪声是水声通信的主要干扰背景，影响系统的接收 信噪比、进而限制了系统的作用距离和可靠性。因而，如何在强的噪声干扰 下，可靠而灵敏的检测出微弱信号，是水声技术的一大课题。 ( 4 ) 多普勒效应 接收机与发射机之间的相对运动可导致多普勒频移，此效应与收发端相 对运动的速度及工作的频率成正比例关系。由于信号的多普勒频移，导致接 收系统的检测能力降低，在某些情况下，为了考虑多普勒容限，甚至还要降 低系统的通信速率。 2 、水声信号调制及传输方式 进入7 0 年代后，随着具有相似衰落特性的无线电高频信道中通信技术的 发展，水声通信开始较多地使用数字调制技术，主要包括幅度键控( a s k ) 、 频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 1 3 1o 在水声通信中采用数字技术有两方 面的重要作用： ( 1 ) 可以采用复杂的纠错编码技术以增加传输的可靠性； ( 2 ) 可以采用数字处理技术来抵消信道多途和频率扩展的影响。 现代的数字水声通信系统多使用频移键控或相移键控调制方式。 至于传输方式，目前，利用一个信道传输多路信息的技术主要有频分多 路复用和时分多路复用。时分多路复用系统收、发端需要严格同步，同步一 旦丢失，系统不能正常工作。另一方面，时分多路复用系统的多路信号按时 问间隔依次顺序周期性发送，传输率较低，且路数越多速率越低。而频分多 路复用系统的多路信号在时域上是重叠的，传输速率较高1 4 1 。 现在水声通信已广泛应用于潜艇之间的通讯，水面舰艇与潜艇的通信， 海上遥测，水下图像传输，语音传输和水声局域互联网等多个方面。 1 3 现场可编程门阵列器件( f p g a ) 概述 1 3 1f p g a 的发展 可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，p l d ) 是一类半定制的通用 性器件，用户可以通过对p l d 器件进行编程来实现所需的逻辑功能。与专用 集成电路相比，具有灵活性高、设计周期短、成本低、风险小等优势，因而 6 哈尔滨t 样大学硕十学何论文 i 皇mmimm|m i ；i ；i ；i ；i ；i i ；i i ；i ；宣；i ；i ；畜 得到了广泛应用，已经成为数字系统设计的重要硬件基础1 引。 目前使用最广泛的可编程逻辑器件有两类：现场可编程门阵列器件( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 。f p g a 和c p l d 的内部结构稍有不同， 通常，f p g a 的寄存器资源比较丰富，适合同步时序电路较多的数字系统； c p l d 中组合逻辑资源比较丰富，适合组合逻辑电路较多的控制应用。 f p g a 起源于美国的x i l i n x 公司，该公司于1 9 8 5 年推出了世界上第一块 f p g a 芯片。在这二十多年的发展过程中，f p g a 的硬件体系结构和软件开 发工具都在不断的完善，日趋成熟。从最初的1 2 0 0 个可用门，发展到目前数 百万门至上千万门的单片f p g a 芯片，并且系统工作频率达到几百兆赫兹。 x i l i n x 、a l t e r a 等世界顶级厂商已经将f p g a 器件的集成度提高到一个新的水 平。 目前，f p g a 技术发展有以下三个主要趋势： 1 、在f p g a 中嵌入处理器 f p g a 芯片内嵌入的处理器包括c p u 、微处理器和微控制器。 例如x i l i n x 公司在v i r t e x l i p r o 系列中嵌入了4 个i b m 公司的p o w e r p c 4 0 5 处理器，使这个系列成为第一个平台级f p g a ；a l t e r a 公司与a r m 公 司合作，将a r m 9 2 2 tr i s c 处理器核嵌入到基于a r m 的e x c a l i b u r 器件，高 性能的处理器硬核与a p e x 2 0 k e 器件先进的特性一起构成嵌入系统的开发平 厶 口o 2 、高速串行i o 下一代高性能f p g a 系统设计所需的另一项关键技术是提供多个传输率 达到g b p s 的串行接1 2 1 。 例如x i l i n x 公司生产的v i r t e x l l p r o 系列器件有多达1 6 个3 1 2 5 g b p s 的 r o c k e ti o 串行收发器，每个全双工收发器运行在从6 2 2 m b p s 到3 1 2 5 g b p s 的波特率，并且包括整个收发器的支持电路，r o c k e ti o 模块是第一个嵌入 到f p g a 中波特率达到3 1 2 5 g b p s 的收发器。 3 、f p g a 实现d s p 功能 当前f p g a 的集成度达到上千万门，所以在f p g a 中由硬件数字信号处 理实现d s p 的功能，处理速度上可超过通用的d s p 器件，在实现高性能的 7 哈尔滨t 秤大学硕+ 学位论文 d s p 时，不仅具有明显的优势，而且有高度灵活的特点。f p g a 在逻辑单元 中加入实现d s p 功能的能力来节省资源，d s p 的基本单元包括乘法器、加法 器和延时单元等，f p g a 在逻辑单元中增加级联链和进位链，乘法专用与门 等，使得在实现d s p 的乘法和累加等数学运算时能够大大节省资源，x i l i n x 的f p g a 逻辑单元还能实现最多1 6 级的可变串行移位寄存器，在实现延时单 元时就提供了极大的方便性和灵活性，也节省了资源。x i l i n x 公司的 v i r t e x l i i i p r o 系列集成了1 8 x 1 8 位的乘法器，两个系列最多的乘法器数目分 别达到1 9 6 个和2 6 4 个，使得乘法累加的速度达到每秒上千亿次。a l t e r a 公 司的s t r a t i x 系列最多集成2 2 4 个硬件乘法器，在实现2 2 4 阶的f i r 滤波器时， 运算速度比通用d s p 器件提高十多倍。 综上所述，f p g a 的应用前景将越来越广泛。 1 3 2f p g a 的结构特点与原理 目前f p g a 公司主要有x i l i n x 、a l t e r a 、a c t e l 、l a t t i c e 和q u i c k l o g i c 等， 生产的f p g a 产品型号繁多，结构和性能各有特色，但它们都有一个共同结 构特点，即由逻辑功能块排成阵列，再由可编程的互连资源连接这些逻辑功 能块，从而实现不同的设计。 典型的f p g a 一般包含三类基本资源：可编程逻辑功能块、可编程输入 输出块和可编程互连资源，基本结构如图1 2 所示。可编程逻辑功能块是实 现用户功能的基本单元，多个逻辑功能块通常规则地排成一个阵列结构，分 布于整个芯片；可编程输入输出块完成芯片内部逻辑与外部管脚之间的接 口，围绕在逻辑单元阵列四周；可编程内部互连资源包括各种长度的连线线 段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或输入输出块连接起 来，构成特定功能的电路。f p g a 不需要专用编程器，芯片可重复使用，并 能在线编程。用户可以通过编程决定每个单元的功能以及它们的互连关系， 从而实现所需的逻辑功能。 除了上述构成f p g a 基本结构的三种资源外，还可能包含一些可选资源： ( 1 ) 存储器资源( 块r a m ，分布式r a m ) ； ( 2 ) 数字时钟管理单元( 分频倍频，数字延迟，时钟锁定) ； ( 3 ) 算术运算单元( 高速硬件乘法器，乘加器) ； 哈尔滨t 释大学硕十学位论文 ( 4 ) 多电平标准兼容的i o 接口； ( 5 ) 高速串行i o 口； ( 6 ) 特殊功能模块( 以太网m a c 等硬i p 核) ； ( 7 ) 微处理器( p o w e r p c 4 0 5 等硬处理器i p 核) 。 图1 2f p g a 基本结构示意图 1 3 3f p g a 的编程技术 作为可编程器件，f p g a 有三种基本的编程技术：s r a m 、反熔丝、f l a s h 。 ( 1 ) 基于s r a m 技术的f p g a 应用范围很广，主要因为它速度快且具有 可重复编程能力。系统上电后，将配置数据读入片内s r a m 中，配置完成就 可进入工作状态。掉电后s r a m 中的配置数据丢失，f p g a 内部逻辑关系也 随之消失。 ( 2 ) 基于反熔丝技术的f p g a 只具有一次可编程能力。此类f p g a 内部 具有反熔丝阵列开关结构，其逻辑功能的定义由专用编程器根据设计所给出 0 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 的数据文件，对其内部的反熔丝阵列进行烧录，从而使器件实现相应的逻辑 功能。这种器件的缺点是只能一次性编程：优点是具有高抗干扰性和低功耗， 适合于要求高可靠性、高保密性的定型产品。 ( 3 ) 基于f l a s h 技术的f p g a 是f p g a 领域比较新的技术，也能提供可重 复编程功能。这类f p g a 器件集成了s r a m 和非易失性e e p r o m 两类存储 结构。其中s r a m 用于在器件正常工作时对系统进行控制，而e e p r o m 则 用来装载s r a m 。因而可以充分发挥e e p r o m 的非易失特性和s r a m 的重 配置性。掉电后，配置信息保存在片内的e e p r o m 中，因此不需要片外的配 置芯片，有助于降低系统成本、提高设计的安全性。 1 4 论文主要研究内容与目的 本文研究的主要目的是针对水下自航模的水动力操纵性课题研究的需 要，研制一套水声定位及遥测系统接收机。自航模在水下航行时需要定位系 统辅助测迹，并需要遥测系统实时传送其运行状态。论文主要工作是接收机 的设计与实现。 论文主要有以下几方面研究内容和工作： 1 、介绍水声定位与遥测技术的发展现状和未来展望，研究本课题组研制 开发的水声定位及遥测系统工作原理，方案以及系统组成，并讨论一些相关 的关键技术。 2 、设计并实现水声定位及遥测系统接收机的硬件部分。接收机的硬件主 要由多通道模拟信号调理部分以及数字接口部分构成。具体工作包括芯片器 件的选择，电路原理设计，电路板调试等。 3 、设计并实现水声定位及遥测系统接收机的软件部分。具体工作包括对 主控芯片( m c u 和f p g a ) 进行软件编程调试，以完成m c u 在数据处理和 通讯以及f p g a 在逻辑时序控制方面的功能，使得接收机自身具有自主运算 以及控制能力。 4 、对系统进行联调以及水池实验，验证并考核整个系统，最后实现水声 定位遥测。 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第二章水声定位与遥测系统工作原理与方案 2 1 水声定位系统工作原理 2 1 1 接收基阵标校 本定位系统参考系如图2 1 所示，横轴是吊桥在池底的投影。为测量船 模位置，首先应确定接收水听器在参考系中的位置。五个水听器依图2 1 所 示布放于池底，入水前分别记录1 。至2 及1 。至4 。水听器之间的间距，3 。、5 水听器位置原则上任意，但以图2 1 所示菱形为佳1 1 q 。 接收基阵位置标校时，将发射换能器吊放至2 。水听器顶上方，测得它到 2 。、3 。、5 水听器的声传播时延为、：、：，则发射换能器至2 水听器 之间的距离为： h = c f 2 2( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中c 为水中声速，约为1 4 8 0 m s 。类似的，将发射换能器吊放 至4 。水听器项上方，测得e n 4 。、3 + 、5 水听器的声传播时延为z “、屯、 f ，。接收基阵布放时，可测得2 、4 水听器的横坐标，设为、，它们 的纵坐标则为y ：= y 。= 0 ，于是可通过以下方程组得n 3 、5 水听器的位置。 心(x3一_x2)：2+(yy，3一-y2)：2+h：2：_-p(c屯r32)：2(2-2y4 ) 1 心一_ ) 2 + ( y 3 一) 2 + 2 = p 屯) 2 7 f沁(x,一-x2)：2+(yy5，一-y2)：2+jilh：2：-o(cr52)2：(2-3x4) y 4 ) 1 沁一 2 + ( y 5 一) 2 + j i l 2 = p t 。) 2 7 求解方程组( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ，可得到( x s ，y 3 ) 和( x 5 ，y ，) ，至此，5 个水 听器坐标均己得到，此值将进一步用于高精度标校。为提高标校精度，时延 测量应重复多次，取其平均值代入方程组( 2 2 ) 和( 2 3 ) 进行求解。另外， 标校也宜进行多次，取平均值作为最终测量值。 哈尔滨t 手廿大学硕十学何论文 弋- ( x ，y ，z ) 2 4 弋乏，f 图2 1 接收基阵布放示意图 2 1 2 定位解算原理 定位系统采用信标式工作方式，信标安装在船模上，试验前发射与接收 系统进行同步对时，保证系统为同时基工作。设船模位置为( x ，y ，z ) ，到5 个水听器的声传播时延为t ( f = 1 ，2 ，5 ) ，除去1 2 4 、1 3 5 基元的组合方 式，任取五个基元其中三个均可得到方程组： ( x z f ) 2 + ( y y f ) 2 + ( z z i ) 2 = c k i ) 2 ( i = 1 , 2 ，5 ) ( 2 - 4 ) 方程中，t 、y i 已由标校工作得到，z i 可设定，一可由定位系统现场测 量得到，求解非线性方程组( 2 4 ) ，即可解算出航模位置( x ，y ，z ) 。 2 1 3 定位系统误差分析 由定位方程可得到误差方程为： 。篙瑞全黧z 等溉z 训眙垅3 ，p 5 ，= r 蝇+ 缸一五) + 妙i ( y y ，) + z ，( z z f ) 一。 、 式( 2 - 5 ) 中，从、y 、z 是在空问点( x ，y ，z ) 上的定位误差，从i 是 测距误差，缸，缈。，z ，是基元位置标校误差。由此可见，定位误差取决 于测距误差、基阵标校误差、信标与接收阵之间的相对位置关系及接收基阵 尺度的大小等因素m 1 。 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 、测距误差 声信号传播距离r 由传播时f s - j ，和平均声速石的乘积给出： r ；f x c ( 2 - 6 ) 由式( 2 5 ) 得到测距误差： a r = 址c + t c ( 2 - 7 ) 式中，a t 和石分别是测时误差和测速误差。 ( 1 ) 测时误差址 在试验中，测时误差缸由两方面的原因造成。其一，发射、接收端的同 步钟并非真正同步所造成的基准误差；其二，接收机对信号到达时间测不准 带来的误差。 如果待测目标上的同步钟能达到1 0 9 时的漂移，则一小时引入的时基误 差仅为3 6 u s 。这说明，做到时基标准小于1 0 - 9 时的漂移是可以接受的，所 以时钟基准误差对于声信标脉冲信号传播时问测量误差的影响不是主要的。 由信号检测理论可知，测时误差出为： 如扣挣1 ( 2 - 8 ) 上式中b 为系统工作带宽，s 为接收信号功率信噪比，就定位系统而 言，可取为： b = 1 5 k h z ，旦n 2 16(2-9) 于是得到测时误差： 缸= 8 3 p s ( 2 1 0 ) ( 2 ) 测速误差石 水中的声速随深度而变，工程上，通常应用平均声速虿来计算传播距离。 首先，将声速沿深度方向分成n 层，使每层中声速随深度做线性变化，然后 应用下式( 2 1 1 ) 计算平均声速： 石；丢窆坠掣( z i - 1 - z i ) ( 2 1 1 ) h 白 2 、7 、 1 3 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 如图2 2 所示，h 为水深，经过以上处理后，由声速引起的测距误差可 控制在0 5 0 以下。 z i z i + 1 c i + 1c i z 图2 2 声速随深度变化曲线 2 、基阵标校误差 为了简化基阵标校，其中的两个基元我们采用了直接物理测量的方法， 测量精度可以达到要求，其误差可控制在几个厘米以内。 3 、交会误差 交会误差是定位误差的重要组成部分，它取决于信标与基阵的相对位置。 图2 3 为交会误差平面示意图，若目标0 到基元a 、b 的距离、无测量误 差，则由、交会得到目标位置d 。但如距离_ 、变为叱，白a r , ， 则它们交会出曲边四边形c d e f ，其中的每一点都可能是目标的位置，它与0 点 之间的距离就是定位误差。明显，四边形c d e f 的形状、大小是与0 点与基元 a 、b 之间的相对位置有关的。如、正交，则交会误差最小。 当船模航行于阵内时，交会误差相对较小；当船模航行于阵外时，交会 误差相对较大。由此可以推断，整个空间中，定位误差不是均匀的，空间各 点的定位误差将是不同的。 4 、基阵尺度与误差的关系 定位系统的测量误差与基阵尺度大小密切相关，尺度越大，误差越小。 由于本系统布放于水池中，基阵尺度较小，各个基元位置的测量误差对整个 定位精度的影响较大。因此我们采用了多次测量取平均的方法来减小基阵测 量误差。 1 4 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 图2 3 交会误差平面问题 2 2 水声遥测系统工作原理 水声遥测系统是将自航模给出的表征其运动状态的连续模拟电压( 以下 称为内测电压) ，接入置于航模内的发射机中，发射机对模拟电压进行a d 量化，并通过数字调制f s k ( 频移键控) 技术对量化电压进行频率脉冲编码， 在接收机中对信号进行测频和译码，恢复发射电压值，从而得到航模的实时 运动状态。图2 4 为遥测系统工作原理框图。 遥测接收机 ! 遥测接收机ll 绘制遥测l - 1 测频译码f 1 电压曲线i 图2 4 遥测系统工作原理框图 系统工作在非消声水池，多途信号是主要的干扰背景。为降低多途干扰 的影响，应在满足传输速率的前提下，尽量拉大各个频率编码脉冲的时间间 隔，即保证有足够的保护时间。同时，应尽量采用窄脉冲信号，避免直达信 号和多途信号的迭加，但是窄脉冲信号频带宽，从信号频率检测的要求出发， 信号脉冲又不能太窄，这会给频率检测增加了难度，容易出现误码。 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 定位系统和遥测系统共用一个置于航模上的水声发射机，定位系统要求 0 5 s 给出一个定位结果，而遥测系统则要求在1 s 内传送一组4 个通道的内测 电压值，即定位系统工作周期为0 5 s ，遥测系统的工作周期为1 s 。因此采用 在个0 5 s 的发射周期中先后发射1 个定位脉冲和2 组遥测频率编码脉冲， 两个o 5 s 完成一组内测电压发射的方案。 定位脉冲与遥测频率编码脉冲的组合发射具体形式如下： ( 1 ) 定位系统c w 脉冲频率f 1 ，调制脉冲宽度t l ；发射周期0 5 s 。 ( 2 ) 定位脉冲发射3 0 m s 之后开始发射遥测频率编码脉冲。 ( 3 ) 遥测频率编码脉冲信号每0 5 s 发射2 组7 b i t 量化数据。 ( 4 ) 遥测信号在0 5 s 中对2 个遥测内测电压进行7 b i t 量化，共得到1 4 位 0 、1 组合序列，两两组合得到7 对2 位码，即0 0 、0 1 、1 0 和1 1 四种形式。 ( 5 ) 遥测系统c w 脉冲频率为f 2 和f 3 ，调制脉冲宽度t 2 ，发射周期为0 5 s 。 遥测脉冲共有四种不同组合形式，分别代表二进制数o o 、0 1 、1 0 、1 1 ，其中 o o 代表单发f 2 脉冲信号，1 1 代表单发f 3 脉冲信号，0 1 代表发射f 2 在前f 3 在后的脉冲信号，1 0 代表发射f 3 在前f 2 在后的脉冲信号，遥测信号在1 s 内 发射完毕。 ( 6 ) 遥测频率编码脉冲在0 5 s 内共有7 个脉冲，发射时间间隔为6 0 m s 。 ( 7 ) 两个0 5 s 完成一组4 个内测电压的发射，1 s 中共发射1 4 个脉冲。 定位和遥测信号发射的时序关系如图2 5 所示： t l 一组内测数据前半部分 一组内测数据后半部分t 2 定 位 脉 冲 导 码 ( 共7 个脉冲)( 共7 个脉冲) 6 0 m s 5 0 0 m s 1 s 图2 5 定位和遥测信号发射时序关系示意图 1 6 哈尔滨t 程大学硕+ 学佗论文 2 3 定位与遥测系统组成 系统湿端由一个发射换能器和五个接收水听器组成。水声定位及遥测共 用一个放置于航模中的发射机，接收水听器通过电缆连接至岸边接收分系统。 图2 6 为系统组成示意图。 接收分系统由以下几个部分组成： ( 1 ) 多通道信号调理：包括低噪声前置放大器、预放大电路、接收增益 控制电路、带通滤波电路、补偿放大以及检波电路，比较电路等。 ( 2 ) 信号处理：获得定位时延值和遥测频率编码信息。 ( 3 ) 接1 3 通信：控制模拟及数字板间的协同工作，并传送信号处理之后 的结果至显控平台。 ( 4 ) 显控平台：根据时延值进行定位结算和后置处理，给出定位轨迹； 根据遥测频率编码信息还原内测电压，并绘制时历电压曲线。在显控平台中 可通过( 3 ) 中的串口通信实施人机交互，对接收机的硬件功能进行控制，使得 操作更加方便灵活。 本论文的主要工作集中在( 1 ) 、( 2 ) 和( 3 ) 。 图2 6 定位与遥测系统组成示意图 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 2 4 定位及遥测系统的关键技术 2 4 1 分区定位解算及冗余技术 船模与接收基阵的相对位置是影响定位精度的重要因素。分区定位解算 旨在优化定位阵形，减小交会误差，从而有效提高定位精度。定位系统采用 分区定位解算的方法，即模型在水池左半平面区域时采用2 3 5 阵形，在水 池右半平面区域时采用3 4 5 阵形( 图2 1 所示) ，分区附近保证无错位衔接， 减小交会误差。 另外，1 。基元处于水池中心，接收位置最优，为一冗余基元，在定位时 起到了参照和补缺的作用，即当使用2 3 5 或3 4 5 阵形( 图2 1 所示) 解算 出现非合理解时，由1 ”基元参与定位解算，可有效地剔除“野点”，在试验时 得到令人满意的效果。 2 4 2 抗多途干扰软硬件措施 因实验水池非消声，多途干扰严重，如果这些多途信号在时间上与直达 信号不能区分开来，则将产生叠加，严重影响接收机的性能。论文中采用以 下方法来降低多途干扰： ( 1 ) 适当的窄脉冲：在非消声水池中，抗多途的有效措施是采用脉冲信 号，且信号越窄，多途迭加的概率越小。但信号太窄，信号携带能量少，硬 件检测难度将加大。因此，应综合考虑，选择适当宽度的窄脉冲。 ( 2 ) 采用f s k 编码信号：f s k 编码信号对水声信道的时间和频率扩展有 较强的适应能力。本系统采用c w 脉冲信号，在每个信号之间保留一段保护 时间，使多途信号在保护时间内有较大程度的衰减。 ( 3 ) 采用适当的高频信号：由于作用距离不需要很远，