（船舶与海洋工程专业论文）基于fpga的水声通信信标信号生成及数字滤波.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文以基于f p g a 的水声通信技术为研究方向，重点解决了水声通信信 标信号的生成及数字滤波两个问题。信标信号为线性调频信号和脉冲编码信 号的复合信号，其中脉冲编码信号用来表征发射信号序号。 本文使用v h d l 描述了用8 级反馈移位寄存器产生2 5 5 位脉冲编码信号、 用查找表法实现信标信号生成及用分段查表结合分布式算法实现1 2 8 阶f i r 数字滤波器的过程，其中查找表初始化数据文件的生成、参考m 序列与编码 m 序列信号预叠加查表、线性相位因果f i r 滤波器系数偶对称特性的应用、 分布式算法实现乘加运算及分段查表、移位相加等方法的运用，其有一定的 技巧性。 本文的所有v h d l 描述，均在a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列器件上通过了 仿真实现。 利用v h d l 描述，在f p g a 器件上能方便地实现数字信号处理控制芯片的 设计，如：计数器、状态机、逻辑控制等；对于数字信号处理算法芯片，利 用f p g a 结构中的e a b 块，采用查找表法，可实现算法较简单，计算量较小的 算法芯法设计。 另外，对于同一结构，不同性能要求器件的设计，f p g a 器件具有一定优 势。 关键词：m 序列；查找表；分布式算法；f i r 数字滤波器 堕堡堡三堡奎兰堡圭兰堡篁圣 a b s t r a c t t h et h e s i sl si no r d e rt os t u d yu n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ew h i c hi s b a s e do nf p g a ，a n dh a ss o l v e dt w oi m p o r t a n tp r o b l e m ，o n ei su n d e r w a t e r c o m m u n i c a t i o nb e a c o ns i g n a lb o r n ，t h eo t h e ri sd i g f f a lf i l t e r t h eb e a c o ns i g n a li s t h er e u n i t es i g n a lo fl i n e a rf ms i g n a la n dp u l s ec o d es i g n a l ，a n dt h ep u l s ec o d e s i g n a li su s e da sat o k e no f e m i ts i g n a l b yu s i n gv h d l ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h em e t h o do fg e n e r a t i n g2 5 5b i tp u l s e c o d es i g n a lw i t l l8l e v e lf e e d b a c ks h i rr e g i s t e rg e n e r a t o r , a n dt h em e t h o do f g e n e r a t i n gb e a c o ns i g n a lb ys e a r c h i n gt a b l e ，a n dt h em e t h o do fg e n e r a t i n g1 2 8 l e v e lf i rd i g i t a lf i l t e rb ys e a r c h i n gt a b l es e g m e n tb ys e g m e n ta n dd i s t r i b u t i o n a l g o r i t h m a m o n gt h e s em e t h o d s ，s o m ea r et e c h n i c a l ，s u c ha sg e n e r a t i n gm e m o r y i n i t i a l i z a t i o nf i l e ，r e f e r e n c ems e r i e sa n de n c o d c dms e r i e sp l u sb e f o r e h a n d ，t h e u s eo fl i n e a rp h a s ec a u s ea n de f f e c tf i rf i l t e rc o e f f i c i e n te v e ns y m m e t r yf e a t u r e ， t h er e a l i z a t i o no fm u l t i p l i c a t i o na n da d d i t i o nb yu s i n gd i s t r i b u t i o n a l g o r i t h m ， s e a r c h i n gt a b l es e g m e n tb ys e g m e n t ，a d ds h i f t i n g t h ev h d lp r o g r a m sw h i c ha r eo f f e r e di n t h i st h e s i sa r ea l lp a s s e dt h e s i m u l a t i o no na k e r a sc y c l o n es e r i e sd e v i c e b yu s i n gv h d l ，i ti sc o n v e n i e n tt or e a l i z et h ed e s i g no fd s pc o n t r o lc h i po n f p g ad e v i c e ，s u c h 鹊，c o u n t e r , s t a t u sm a c h i n e ，l o g i cc o n t r 0 1 f o rd s p a l g o r i t h m c h i p ，b yu s i n gt h ee a b i nt h ef p g ad e v i c ea n dt h et a b l es e a r c h i n gm e t h o d ，i ti s p o s s i b l et or e a l i z et h ed e s i g no f t h ea l g o r i t h mc h i p ，w h i c ht h ec o m p u t a t i o ni s s i m p l ea n dt h ec a p a c i t yi sl i t t l e i na d d i t i o n ，t h e r ea r es o m ea d v a n t a g ef o rt h ed e s i g no ft h ed e v i c ew h i c ht h e s t r u c t u r ei ss a m ea n dt h eb e h a v i o ri sd i f f e r e n tb yu s i n gv h d l k e yw o r d s ：ms e r i e s ；t a b l es e a r c h i n gm e t h o d ；d i s t r i b u t i o na l g o r i t h m ；d i g i t a lf i l t e r 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 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 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，均已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) ：龇 日期：矿，眸f 、月，9 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 随着海洋工程和军事应用需求的发展，人类在海洋的军事活动和经济开 发活动日益频繁，水声定位及水声数据传输成为水下活动的技术基础之一。 本论文课题依托某水下目标高速运动轨迹测量项目，利用水声高精度延 时测量技术和高可靠的水声数据通讯技术，完成对水下目标航行轨迹的快速 测量。 由于水下目标处于高速运动状态下，最高速度可达1 0 0 节，对其高速航 行轨迹进行精细测量，采用通用d s p 技术无法满足其测量要求。而f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列) 有着规整的内部逻辑 阵列和丰富的连线资源，采用硬件技术完成数字信号的处理任务，既可以通 过软件反复编程使用，兼顾速度和灵活性，又能并行处理多路信号，实时性 能能够预测和仿真。相对于以串行运算为主导的通用d s p 芯片来况，f p g a 具有更好的实时性和并行性。因此，本课题对采用f p g a 技术进行数字信号 实时处理的方法进行研究，以满足水下目标高速航行轨迹测量的实时性要求。 测量系统示意如图1 1 所示，由水下目标( 安装有信标) 、测量浮标阵、 g p s 星座、g p s 基准站及舰载处理系统构成，浮标阵测量数据以无线方式传 送至舰载处理系统，完成对水下目标的轨迹测量。 图1 1 测量系统示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统利用g p s 大地测量技术对测量浮标进行实时定位，并实现不同测量 浮标的时钟同步，建立由测量浮标阵构成的水下定位测量框架。水下目标的 信标发射周期编序定位信号，测量浮标除对定位信号的抵达时间进行测量外， 还需对定位信号的序号进行恢复，从而确定浮标阵测量数据的一一对应，进 而完成对水下目标的定位。 1 2e d a 技术 现代电子设计技术的核心是e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 技术。 e d a 技术就是依赖功能强大的计算机，在e d a 工具软件平台上，对以硬件 描述语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 为系统逻辑描述手段完成的 设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综 合( 布局布线) ，以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功 能。e d a 技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语 言和e d a 软件来完成对系统硬件功能的实现。 e d a 技术是一门综合性学科，它融合多学科于一体，打破了软件和硬件 间的壁垒，使计算机的软件技术与硬件实现、设计效率和产品性能合二为一， 它代表了电子设计技术和应用技术的发展方向。 1 3e d a 技术实现目标 一般地，利用e d a 技术进行电子系统设计，最后的目标是完成专用集成 电路a s i c 的设计和实现，a s i c 作为最终的物理平台，集中容纳了用户通过 e d a 技术将电子应用系统的既定功能和技术指标具体实现的硬件实体。一般 而言，专用集成电路就是具有专门用途和特定功能的独立集成电路器件，根 据这个定义，作为e d a 技术最终实现目标的a s i c ，可以通过三种途径来完 成：超大规模可编程逻辑器件、半定制或全定制a s i c 、混合a s i c 。 其中f p g a 就是实现超大规模可编程逻辑器件这一途径的主流器件之 一。f p g a 的特点是直接面向用户，具有极大的灵活性和通用性，使用方便， 硬件测试和实现快捷，开发效率高，成本低，上市时间短，技术维护简单， 工作可靠性好等。f p g a 的应用是e d a 技术有机融合硬件电子设计技术、s o c 和a s i c 设计，以及对自动设计与自动实现最典型的诠释。由于f p g a 的开 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发工具、开发流程和使用方法与a s i c 有类似之处，因此这类器件通常也被 称为可编程专用i c ，或可编程a s i c 。 1 4 硬件描述语言v h d l 硬件描述语技术的重要组成部分，v h d l 是作为电子设计主流的硬件描 述语言。v h d l 的英文全名是v h s i c ( v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i t ) h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，于1 9 8 3 年由美国国防部发起创建，由i e e e 进一步发展并在1 9 8 7 年作为“i e e e 标准1 0 7 6 ”发布。 v h d l 作为一个规范语言和建模语言，随着v h d l 的标准化，出现了一 些支持该语言的行为仿真器。由于创建v h d l 的最初目标是用于标准文档的 建立和电路功能的模拟，其基本想法是在高层次上描述系统和元件的行为。 但到了2 0 世纪9 0 年代初，人们发现，v h d l 不仅可以作为系统模拟的建模 工具，而且可以作为电路系统的设计工具：可以利用软件工具将v h d l 源码 自动转化为文本方式表达的基本逻辑元件连接图，即网表文件。这种方法显 然对于电路自动设计是一个极大的推进。 现在，v h d l 和v e r i l o g 作为i e e e 的工业标准硬件描述语言，得到众多 e d a 公司支持，在电子工程领域，己成为事实上的通用硬件描述语言。 v h d l 语言具有很强的电路描述的建模能力，能从多个层次对数字系统 进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性。 v h d l 具有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性，并且具有良 好的电路行为描述和系统描述的能力，并在语言易读性和层次化、结构化设 计方面，表现了强大的生命力和应用潜力。因此，v h d l 在支持各种模式的 设计方法、自顶向下与自底向上或混合方法方面，在面对当今许多电子产品 生命周期的缩短，需要多次重新设计以溶入最新技术，改变工艺等方面都表 现了良好的适应性。用v h d l 进行电子系统设计的一个很大的优点是设计者 可以专心致力于其功能的实现，而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素 花费过多的时间和精力。 1 5 伪随机序列 伪随机序列是具有类似带限白噪声统计特性的二进制序列，在扩展频谱 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统中，伪随机序列起着很重要的作用。在直扩系统中，用伪随机序列将传 输信息扩展，在接收时又用它将信号压缩，并使干扰信号功率扩散，提高了 系统的抗干扰能力；在跳频系统中，用伪随机序列控制频率合成器产生的频 率随机地跳变，躲避干扰；在跳时系统中，用伪随机序列控制脉冲发送的时 间和持续时间。 常用的伪随机序列有：m 序列、g o l d 码、m 序列、r s 码等。 其中，m 序列是最长线性移位寄存器序列，m 序列的均衡性、游程分布、 自相关函数及功率谱与随机序列的基本性质很相似，是伪随机序列中最重要 的序列中的一种，这种序列易于产生，有优良的自相关特性。 g o l d 码是基于m 序列优选对产生的，不但继承了m 序列的许多优点， 而且可用的码的条数远大于m 序列，是作为地址码的一种良好的码型。 m 序列是最长非线性移位寄存器序列，其码长为2 ，达到了r 级移位寄 存器所能达到的最长周期，故又称为全长序列，其产生的序列数远远超过m 序列，若作为地址码可以满足c d m a 的要求。 r s 码是一种最佳的近似正交码，是一种特殊的循环码，与m 序列相 比较，r s 码的数目也要多得多。 2 1 1 6 数字滤波器 数字滤波器是数字信号处理的一个重要分支，利用它可以在形形色色的 信号中提取需要的信号和抑制不需要的信号。数字滤波器实质上是用一有限 精度算法实现离散时间线性非时变系统，以完成对信号进行滤波处理的功能。 其输入是一组由模拟信号经过取样和量化的数字量，输出是经过处理的另一 组数字量。 数字滤波器根据单位冲激响应h ( n ) 的时间特性分为无限冲激响应( i i r ) 数字滤波器和有限冲激响应( f 取) 数字滤波器两种。其中，f i r 数字滤波器 具有稳定性好、容易实现线性相位、容易设计多通带或多阻带滤波器等特点， 且易于用v h d l 描述实现。 1 7 本论文的主要内容 本论文以a l t e m 公司的c y c l o n e 系列器件为设计目标，在q u a r t u s i i 可编 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 程逻辑器件设计环境中，完成了用8 级移位寄存器产生2 5 5 位m 序列的v h d l 描述，并用查找表法完成了信标信号生成的v h d l 描述。另外，还利用分段 查表及分布式算法，完成了1 2 8 阶f i r 数字滤波器直接型结构的v h d l 描述。 所有v h d l 描述均通过了编译和仿真。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章系统说明 2 1 系统构成 系统构成的基本思路是： 1 利用g p s 测量技术对多个g p s 浮标进行实时位置标定，并实现不同g p s 浮标的时钟同步，建立由多个g p s 浮标构成的水下定位框架。 2 雷载信标发射周期的定位脉冲信号，由各g p s 浮标对信标定位信号的 抵达时间进行测量，根据定位信号抵达各浮标的时差解算目标位置，实现对 目标的水下定位，进而完成对雷体航行轨迹的测量。 整个测量系统由g p s 星座、g p s 差分基准站、雷载信标、g p s 测量浮标及 由浮标接收机、数据处理机和显控台构成的舰载处理系统组成，如图2 1 所 示。 图2 1 系统构成示意图 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 每个g p s 浮标安装两个换能器：一个水面水听器和一个深水收发换能器。 分别由多个浮标的水面水听器和深水换能器构成上下两个测量基阵，并且在 天顶方向具有一定的测量孔径，可以提高系统对水下目标的高程定位精度。 深水换能器构成的基阵除可对水下目标进行定位测量外，也可发射它自身的 定位信号，由水面水昕器( 其位置由g p s 和其它传感器确定) 构成的基阵对 其进行位置标定。 g p s 浮标的测量数据以无线数传方式向舰载处理系统传送，由多通道浮 标接收机接收，并送至数据处理机。数据处理机对各浮标的测量数据进行相 关运算，完成对水下目标的位置解算。 2 2 信号类型的选择 由于水雷的火箭发动机的噪声频谱较宽，其主要能量集中在2 0 k h z 以下， 声源级可达2 0 0 d b 。信号的选择必须避开火箭发动机噪声的频带范围，以降 低火箭发动机噪声对信号有效检测的影响。 2 2 1 信标信号 信标发射信号选用线性调频信号和脉冲编码信号的复合信号，这两种信 号同宽度、同周期、同时发射，信号宽度为5 1 m s ，脉冲周期l o o m s ，如图2 2 所示。 ：o lo 0o ? 0 1o ! o i 1 l t l l 1 lo f l 蝴型出l 阿广胃- 1 广j - - - 一 ii 卜 壕一r ! ! 登! l 田；f ；几几几 刨i l il ? i 卜韭一 图2 2 信标信号示意图 线性调频信号用于精确的时延测量，其频率变化范围为2 5 k h z 3 5 k h z ， 信号表达式为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f m = s i n f 掣2 ：r ( 1 5 3 t + 5 0 0 t 2 ) i - 0 0 2 5 5 s _ t _ 0 0 2 5 5 s ( 2 - 1 ) e 1 脉冲编码信号用来表征信号发射序号，采用长度相同、互相关系数较小 的两个伪随机码序列的相序差来表达。一个伪随机码序列为参考相序序列， 另一个为信号序号编码序列，其相序根据信号序号变化。 参考相序序列用4 0 k h z 的正弦单频信号填充，每个码元填充8 个波；信 号序号编码序列用4 0 k h z 的余弦单频信号填充，每个码元填充8 个波；脉冲 编码信号主要参数如下； 中心频率：4 0 k h z ； 扩频码：2 5 5 b i t s m 码； 码元宽度：0 2 m s ； 带宽：5 k h z ； 编码数据输出宽度为1 6 b i t s ，信标机框图如图2 3 所示。 图2 3 信标机框图 2 2 2 浮标深水换能器定位信号 浮标深水换能器定位信号选用线性负调频信号，频率变化范围为3 5 k h z 。 2 5 k h z ，信号宽度为2 0 0 m s ，信号表达式为： f m ：s i n i2 z ( 3 0 0 0 0 t 一2 5 0 0 0 t 2 1l - 0 1 s sr o 1 s ( 2 - 2 l 、 ，j 浮标依固定时间次序通过深水换能器发射定位信号，由其它浮标的水面 水听器对其深水换能器进行定位。 2 3t i p s 浮标 g p s 浮标组成如图2 4 所示，包括有两路定位信号处理电路及两路定位 信号序号解码处理电路、两路火箭发动机噪声测量电路、一路压力测量电路、 一路浮标深水换能器定位信号发射电路、信号处理单元、控制单元、三维数 字罗盘、无线数传电台、g p s 接收机( 包括g p s 差分信号接收电台及g p s 接 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 收天线) 及水面水听器和深水收发换能器。 电流压力计 定位信号序号解码通遣 ! ! 卜1 坠卜1 塑 际习1 1 、一 石m 孤 定住信号时延谢量通道 ! ! h 燮h 塑 厅习! l 一 丽m 孤 低通 夫莆喷注哚声谢量通道 堕矾巫咂 丽翮“丽n 厢磊 河 步 采 集 信号蛇理单元 鼓据存储 披字信号赴理器 时钟同步 盟刊型! h 型h 塑! f定位信号发射通道 压力测量通道 丽鬲i w i 丽 控制单元 单片机 图2 4g p s 浮标构成框图 鼍砖 p nl l 一 6 p s # 1 m 盖舟电台 信标定位信号序号解码通道的有效工作频带为3 7 5 k h z 4 2 5 k h z ，经变 频后，将有效信号的频谱搬移至0 5 k h z “5 5 k h z 范围。 定位信号时延测量通道的有效工作频带为2 5 k h z 3 5 k h z ，经变频后，将 有效信号的频谱搬移至l k h z 1 l k h z 范围。 9 圈銮习圈 釜竺兰竺竺竺洲习翻习 团同 哈尔滨工程大学硕士学位论文 火箭喷注噪声的能量主要集中在2 k h z “l o k h z 范围内，噪声测量通道则将 噪声频谱限制在此范围之内，以降低对系统处理能力的要求。 信号处理单元以g p s 接收机输出的l p p s 时标信号为参考，根据g p s 接收 机相应输出的z d a 时间数据，完成测量浮标的时间同步解算，使测量浮标的 系统时间( 或测量数据样点所对应的时间刻度) 同g p s 时间严格同步。在时 钟同步的基础上，同步采集两路定位信号序号数据、两路信标或深水换能器 定位信号数据及信标火箭喷注噪声数据；并对相应采集的数据进行相应处理， 完成主动测量方式下浮标上下两个换能器所接收的信标定位信号的时延估计 及定位信号序号的解码，完成上换能器所接收的深水换能器定位信号的时延 估计，完成被动测量方式下上下两个换能器所接收的火箭喷注噪声信号的互 谱时延估计。并将所有测量数据传送至控制单元完成测量数据的无线传输。 控制单元主要完成浮标深水换能器定位信号的生成与发射控制；负责反 映深水换能器所处深度的压力数据的采集：完成测量数据( 包括g p s 定位数 据、数字罗盘提供的浮标姿态数据、信号时延测量数据、电台遥控数据和压 力数据) 的接收与传输控制；完成浮标电源的管理与控制等。 三维数字罗盘用于浮标浮体姿态测量，将基于浮标上下换能器的水声定 位坐标体系精确转换至基于g p s 天线的g p s 大地测量坐标体系上。 无线数传电台负责舰载处理系统遥控数据的接收，负责将浮标g p s 定位 数据及水声定位测量数据发送到舰载处理系统。 在对雷载信标进行定位测量时，浮标的水面水听器通道和深水换能器通 道均参与对雷载信标定位信号的接收。信号处理机对信号中的线性调频信号 分量进行信号匹配相关处理，得到两个精确的信标信号时延数据。同时对信 号中的脉冲编码信号进行精确的频率检测，以得到信号的发射序号。 对浮标深水换能器进行定位时，浮标依约定的时间，通过深水换能器向 其它浮标发射定位信号。系统依照其它浮标测得的时延数据来确定深水换能 器的精确平面坐标，进而根据浮标水面水听器的三维位置坐标和深水换能器 的压力测量数据，确定深水换能器的三维精确坐标。 在浮标自己发射信号的时间段内，浮标不参与对信号的接收和处理。在 其它浮标的信号发射时间段内，由水面水听器通道负责信号的接收和处理， 利用匹配相关处理技术测得另外三个浮标信号的精确时延数据，完成对其深 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 水换能器的定位。系统也可以利用深水换能器通道的数据对浮标阵的深水换 能器位置进行相互验证。 2 4 雷载信标 信标信号的产生由f p g a 完成，发射换能器阵由三个换能器构成，安装在 试验水雷中部轴线的同一垂直平面上，三个换能器之间的夹角为1 2 0 。，以 保证水雷在航行旋转的过程中信号的全向发射。 水雷在布放到试验海区后，信标并不马上发射信号，而是处于待机休眠 状态，以节省能源。当水雷火箭点火信号出现后，则激活信标电路发射信号。 2 5 舰载处理系统 舰载处理系统包括信号处理机、浮标接收机、温深梯度仪和显控台等设 备，如图2 5 所示。 图2 5 舰载处理系统构成框图 浮标接收机负责接收6 p s 浮标的测量数据。接收到四个浮标的数据后， 经过数据整合和重组，以串行通讯方式传送到信号处理机进行定位相关处理。 温深梯度仪在试验水域每隔一定时间测量一次，向信号处理机提供温深 梯度数据或声速梯度数据。 信号处理机根据各浮标的测量数据( 包括主动方式测量数据和被动方式 测量数据) 对各浮标深水换能器和雷载信标位置进行解算，并经多种数据融 哈尔滨工程大学硕士学位论文 合处理，提供更精确的定位数据。另外，根据声速梯度数据进行声速校正和 声线补偿运算，以进一步提高定位精度。 显控台根据信号处理机的处理结果显示水雷运动轨迹，实时显示各浮标 的相关状态，并在试验完成后，指导试验人员进行水雷打捞工作。 2 6 轨迹测量方法 2 6 1 基本考虑 水下目标为火箭发动机推进的高速运动体，而且是水中自底向海面的垂 直运动轨迹，水深3 0 0 米，整个轨迹对应的时间只有几秒钟( 一般少于6 秒) 。 因此主要的难点是三维精确定位和快速跟踪测量。 主要考虑两点： 1 信号采用可分辨时序的编码信号。 2 g p s 浮标安装水面水听器和深水定位换能器，提供垂直测量孔径，以 提高对目标垂直坐标的测量精度。 除此以外，也要求对水雷的火箭助推发动机的噪声进行测量和跟踪，因 此g p s 浮标也要能接收和测量宽带噪声信号，这虽然提高了对接收系统的频 带要求，但也带来了一些有利的因素，这主要有两点： 1 对噪声信号进行记录和分析，获取其统计特性并粗估目标的位置，作 为信标定位的参考； 2 由于信标信号的发射受控于火箭点火，因此可通过噪声测量数据估计 起始时间，改进对信标信号序列的估计处理。 2 6 2 定位方法 对水下目标的定位以主动方式为主，被动方式为辅，主要内容如下： 1 测量每枚浮标两个水听器接收信号序列的抵达时间作为基本信息； 2 通过多枚浮标的g p s 位置和测量的时延差解算目标位置； 3 通过数据融合处理，对目标进行跟踪，计算目标运动轨迹； 4 利用被动噪声测量和分析，验证轨迹的符合性。 2 6 3 测量方法 主动方式下水下雷载信标发射脉冲定位信号，由g p s 浮标阵对接收的信 标定位信号进行测量，完成对雷载信标的水下定位。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 布放g p s 浮标 根据海区深度情况，先设定好浮标深水换能器的下放深度，然后将四个 g p s 浮标布放在测量区域的外圈( 置于半径约2 公里的圆周附近) 。 2 声速梯度测量 在浮标布放区域进行声速梯度测量，以提供水声定位基础数据，提高系 统的定位精度。 3 测量各浮标深水换能器的位置坐标 四个g p s 浮标的位置坐标( 基于g p s 天线) 由浮标的g p s 接收机提供， 根据浮标的姿态数据可推算出四个水面水听器的三维坐标值 ( t ，y i ，t ) ( k 1 ，2 ，3 ，4 ) ，从而以四个水面水听器构成的水面测量框架对浮标 深水换能器进行位置标定。 图2 6 浮标深水换能器定位解算示意图 此时四个浮标的深水换能器依一定的时间顺序发射定位脉冲信号。当一 个浮标的深水换能器发射信号时，另外三个浮标的水面水听器接收此信号， 可以得到三个信号抵达时间值，再根据三个浮标水面水听器的坐标可以求解 出深水换能器的平面坐标，方程组为： 厄i 再百i f 两i = 砘一f 0 ) 厄i 再瓦i i 了= 淝一f o ) ( 2 _ 。， 厄i 再瓦i 汀i 可= 吣一) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上述方程组中【t ，y j ，2 ，) ( i = 1 , 2 , 3 ) 为另三个浮标水面水听器的三维坐标， t 【扛1 ，2 ，3 ) 为测得的信号抵达时间，l x o ，y o ，j 为被测浮标深水换能器的三维坐 标，t o 为被测浮标深水换能器定位信号的发射时间，抄为平均声速。 ，、 由此方程组可以求解出被测深水换能器的坐标”，估计的平面坐 标l ，j 是较准确的。深度坐标z o 的值可根据压力传感器的采集数据获取。 对各浮标深水换能器相继进行测量，可以得到各深水换能器的三维坐标。 已知坐标的浮标四个水面水听器和四个深水换能器全部参与对水雷弹道 的测量，将它们的坐标统一标识为l x k ，n ，气j 【k = l , 2 , l ，引。 在对浮标深水换能器进行位置标定的同时，除发射定位信号的深水换能 器外，浮标阵的其它7 个换能器同时也对信标定位信号进行检测。当未检测 到信标信号时，系统重复第步骤3 ，对各深水换能器进行循环位置标定。在 检测到信标信号后，系统则转入步骤4 ，对信标弹道数据进行连续测量。 此阶段的测量数据实时以无线传输方式发送到舰载处理系统进行浮标深 水换能器的定位解箅和浮标阵形显示。 4 记录水下弹道测量数据，并估计水下弹道 图2 7 水下目标定位解算示意图 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 此阶段的浮标阵八个换能器全部参与对信标定位信号的测量。雷载信标 发射定位声脉冲，利用各浮标换能器接收到的同一个脉冲信号的时延差f 估 计声信标位置u ，z j ，方程组为： 地一厨+ 一咿+ 如一万钙厨+ 锄一咿+ 妈一万= 哟 、 i z qj ( f ，= l 2 ，l ，砖f d 此阶段为目标快速轨迹测量，为了降低对系统的要求，在浮标系统内对 信标信号进行检测时采用先对数据进行采集存储，后进行集中处理的方法。 数据处理完成后，则集中将测量数据以无线传输方式发送至舰载处理系统进 行弹道定位解算和显示。 由于水雷的弹道运动持续时间不会超过1 0 秒，因此，浮标系统转入此阶 段进行测量后，启动l o 秒定时。在这1 0 秒时间内，浮标主要进行弹道数据 的采集和存储。1 0 秒定时满后，浮标停止弹道数据的采集，转入弹道数据的 集中处理，并将所有弹道测量数据一次性以无线方式传送到舰载处理系统。 测量数据传送完成后，转入步骤5 。 5 浮标深水换能器和水雷信标位置标定。 此阶段的目的是在水雷弹道运行完毕后，对水雷最终的位置进行标定， 以便雷体的回收打捞。此时水雷处于慢速运动或静止状态，信标定位信号发 射间隔可以加长。跟步骤3 类似，浮标深水换能器依一定时间次序发射定位 信号，由浮标水面水听器阵对深水换能器进行位置标定。同时，浮标阵的七 个换能器( 除发射定位信号的换能器外) 对水雷信标的定位信号进行检测。 并实时将测量数据传送至舰载处理系统，完成浮标换能器和水雷的位置解算 和显示，指导雷体回收打捞工作的进行。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 厂1 丽f 声速梯度测量 浮标深水换能器依指定时问次序发射定位信号 ( 一次只有一个挟能器发射定位信号) 浮标阵进行踩水抉能器定位信号辁测( 自不发射l 未检测到信 定位信号的三个浮标的水面水听嚣完成1 和信标定f 标定位信号 位信号检测( 由四十浮标水面水听器和不发射定广一 检测到信标定位信号 信标定位信号延时估计 停止深水换能器定位信号发射，浮标启动i o 秒系 统延时计数，用于弹道轨逮数据采集 信标定位信号检测和延时估计( 由四个浮标的水 面束听墨和漾承换能墨共同完成) 浮标1 0 秒系统延时满， 已满 桌满 完成信标定位数据( 包括信号定位信号延时估计 数据，浮标深水换能辱定位信号延时估计数据， 浮标g p s 定位数据和浮标姿态数据) 的无线数 传，并进行信标定位解算和弹道轨连绘制 深水换能器定位信号延时估计 浮标藻水挟能器依指定时问次序发射定位信号 ( 此时信标定位信号发射问隔变宽，用于雷体打 捞定位之目的) 浮标砗进行罪承换毹器定位信号检测和延时估计 ( 由不发射定位信号畸三十浮标的水面术听器完 成) 和信标定位信号桂测和延时估计( 由四个浮标 水面水听器和不发射定位信号的三个浮标的深水 换能嚣完成) 完成信标定位教据( 包括信号定位信号廷时估计 鼓据、浮标深水换能器定位信号延时估计数据、 浮标g p s 定位敷据和浮标姿态教据) 的无线敷 传并进行信标定位解算 图2 8 测量工作流程 2 7 本章小节 本章阐述了某水下目标高速运动轨迹测量系统构成及工作原理。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章用8 级移位寄存器产生2 5 5 位m 序列 3 1 移位寄存器序列 在工程中用得最多的是二进制序列，序列中的元素只有两个取值0 或 “1 ”。对应的波形如图3 1 所示。由此可见，二进制序列中的两个取值分别 对应于电信号的两个电平，正电平和负电平，而且是一一对应的关系。 l 舟；o 刚 10 o1o11101 1q 厂 广 厂 l uul 七 图3 1 二进制序列及其波形 二进制序列一般可由移位寄存器产生，故由移位寄存器产生的序列就称 之为移位寄存器序列。移位寄存器序列产生器的结构如图3 2 所示，这种结 构称为简单型移位寄存器( s s r g ，s i m p l es h i f tr e g i s t e rg e n e r a t o r ) 。s s r g 中每位寄存器的状态在一个时钟周期到来时向右移位一位，第一位的状态由 各寄存器的状态反馈经模2 加后的状态来确定。如在图3 2 中，由于只有第 5 位和第6 位反馈。故将第5 位与第6 位的此时状态进行模2 加后作为下一 状态。而2 、3 、4 、5 、6 位寄存器的下一状态正好是l 、2 、3 、4 、5 位寄存 器的此时状态。来一时钟脉冲，寄存器的第一位将更新，其它位向右移，这 样就得到一移位寄存器序列。由于移位寄存器的级数是有限的，则其状态也 是有限的，因而产生的序列是周期性的。 图3 2 移位寄存器序列产生器 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 22 5 5 位m 序列的产生 3 2 ，1 反馈移位寄存器 m 序列是最长线性移位寄存器序列，是伪随机序列中最重要的序列中的 一种，这种序列易于产生，有优良的自相关特性。在本课题中，表征发射信 号序号的脉冲编码信号选用2 5 5 位m 序列。 m 序列是由移位寄存器加反馈后形成的，其结构如图3 3 所示。 一丽， 图3 3 反馈移位寄存器结构 图中n 。( j = 1 ，2 ，3 ，r ) 为移位寄存器中每位寄存器的状态，c ； ( i = 1 ，2 ，3 ，r ) 为第i 位寄存器的反馈系数。当c 。= o 时，表示无反 馈，将反馈线断开：当c 。= 1 时，表示有反馈，将反馈线连接起来。在此结 构中c o = c ，= 1 ，c 。不能为0 ，c 。为0 就不能构成周期性的序列，因为c o = 0 意昧着无反馈，为静态移位寄存器。c r 也不能为0 ，即第r 位寄存器一定要 参加反馈，否则，r 级的反馈移位寄存器将减化为r l 级的或更低的反馈移 位寄存器。不同的反馈逻辑，即c 。( i = 1 ，2 ，3 ，r ) 取不同的值，将产 生不同的移位寄存序列。 m 序列递归关系式为： d 。= c lq 。一l + c 2an - 2 + c 3 。一3 + + c ，a 。一， ( 3 1 ) 3 2 2m 序列的反馈系数 一个线性反馈移位寄存器能否产生m 序列，决定于它的电路反馈系数c 。， 也就是它的递归关系式。不同的反馈系数，产生不同的移位寄存器序列。 在本课题中，参考m 序列取反馈系数4 3 5 ，其结构如图3 4 所示，即： c 8c tc 6c 5c c 3c 2c i c o 1000】101 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 4 参考m 序列反馈移位寄存器 在本课题中，编码m 序列取反馈系数5 5 1 ，其结构如图3 5 所示，即： c 8c 7 c 6c 5c 4c 3c 2c 1c 0 1011o1o 01 图3 5 编码m 序列反馈移位寄存器 3 32 5 5 位m 序列的v h d l 语言实现 由于在本课题中，脉冲编码信号用来表征发射信号序号，采用长度相同、 互相关系数较小的两个伪随机码序列的相序差来表达。一个伪随机码序列为 参考相序序列，另一个伪随机码序列为信号序号编码序列，其相序根据信号 序号变化。 根据上述要求，在用v h d l 实现时，采用6 个8 位移位寄存器变量：r e g o ， r e g l ，r e g 2 ，r e g g o ，r e g g l ，r e g g 2 。其中，r e g o 用来产生参考m 序列，r e g l 用来产生编码1 1 1 序列，r e g 2 用来改变编码m 序列初相，r e g g o 、r e g g l ，r e g g 2 用来存储寄存器进行移位及递归运算后的中间值。 3 3 1m 序列的移位输出 根据选定的参考m 序列反馈系数4 3 5 ，把参考m 序列的移位输出过程用 以下表达式描述： 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r e g g o ( 1t o7 ) ：= r e g o ( ot o6 ) ：一寄存器移位 r e g g o ( 0 ) ：= r e g o ( 1 ) x o rr e g o ( 2 ) x o rr e g o ( 3 ) x o rr e g o ( 7 ) ：反馈 r e g o ：= r e g g o ： r e f p n = r e g o ( 7 ) ：一参考p n 码移位输出 根据选定的编码m 序列反馈系数5 5 1 ，把编码m 序列的移位输出过程用 以下表达式描述： r e g g l ( 1t o7 ) ：= r e g l ( 0t o6 ) ：一寄存器移位 r e g g l ( 0 ) ：= r e g l ( 2 ) x o rr e g l ( 4 ) x o rr e g l ( 5 ) x o rr e g l ( 7 ) ：一反馈 r e g l ：= r e g g l ： c o d p n = r e g i ( 7 ) ：一编码p n 码移位输出 3 3 2 系统初相 m 序列的初相置入由外接控制信号f i r s t p h 控制，当f i r s t p h 为1 ， 则移位寄存器r e g o 、r e g i 、r e g 2 同时被赋于系统初相值。 3 3 3m 序列的初相控制 为了实现编码m 序列的相序随信号序号变化而变化，定义信号发射指示 脉冲l o a d ，当信号完成一次发射后，l o a d 置为1 。而当l o a d 为1 时， 移位寄存器r e g 2 就按照编码m 序列的递归关系作一次移位运算，然后把运算 结果赋值给编码m 序列产生移位寄存器r e g l 。同时，当l o a d 为1 时，参 考m 序列产生移位寄存器r e g o 重新置入系统初相。整个过程用以下表达式描 述： i fl o a d = i t h e nr e g g 2 ( 1t o7 ) ：= r e g 2 ( 0t o6 ) ：一移编码初相 r e g g 2 ( 0 ) ：= r e g 2 ( 2 ) x o rr e g 2 ( 4 ) x o rr e g 2 ( 5 ) x o rr e g 2 ( 7 ) ： r e g 2 ：= r e g g 2 ： r e g o ：= ”1 0 0 1 1 1 1 1 ”：一重置初相 r e g i ：= r e g 2 ： r e f p n = r e g o ( 7 ) ：参考p n 码移位输出 c o d p n = r e g l ( 7 ) ：一编码p n 码移位输 初相控制结果如图3 6 所示： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 6m 序列初相控制结果 3 3 4v h d l 实现 选用a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列f p g a 产品，在q u a r t u s i i 开发环境下， 用v h d l 描述m 序列产生如下： l i b r a r yi e e e ： l l s ei e e e s t d l o g i c j l 6 4 a l l ： u s ei e e e s t d _ l o g i c _ a r i t h a l l ： u s ei e e e s t d - l o g i cu n s i g n e d a l l ： e n t i t yd e c l a r a t i o n e n t i t yw w f _ p n 2 5 5i s f a l t e r a _ i o e g i n ) ) d 0n o tr e m o v et h i sl i n e !