（水声工程专业论文）超短基线宽带信号定位算法的dsp软件设计.pdfVIP

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t u l t r a ls h o r tb a s el i n ep o s i t i o n i n gs y s t e m ( u s b l ) i sa l la c o u s t i cp o s i t i o n i n g s y s t e m ，w h i c hr e a l i z ep o s i t i o n i n g ，t r a c k i n ga n dd a t at r a n s m i s s i o nt ou n d e r w a t e r c o o p e r a t i v et a r g e t s t h es y s t e mg e n e r a l l yw o r k si nr e s p o n s em o d e t h ek e y t e c h n o l o g i e sa r eh o wt or e a l i z et h er e a l - t i m es i g n a ld e t e c t i o na n dt a r g e ta z i m u t h a c c u r a c ye s t i m a t e s t h i sa r t i c l ei sc o m p o s e do ft h r e ep a r t s ：r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no fu s b l p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ；d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g s o f t w a r e ；t a n ke x p e r i m e n t sa n d1 a k ee x p e r i m e n t s i nr e c e n ty e a r s ，u l t r a - s h o r tb a s e l i n ep o s i t i o n i n gp r o d u c t sa r ed e v e l o p e dt o b r o a d b a n dd i r e c t i o ng e n e r a l l y , o nt h ep u r p o s eo fa c h i e v i n gt h ea n t i - m u l t i - p a t ha n d i m p r o v i gp r o c e s s i n gg a i n i nt h i sp a p e r , c o r r e l a t i o nt i m ed e l a ye s t i m a t i o na n d t h r e ec o s i n e i n t e r p o l a t i o nf i t t i n gm e t h o d a r eu s e df o rb r o a d b a n d s i n g n a l p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m b u to r d i n a r ym u l t i p l y - a c c u m u l a t e sh a v el a r g ea m o u n to f c a l c u l a t o i na n da r et o os l o wt om e e tr e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m ep r o c e s s i n g af a s t f f t - b a s e d s l i d i n g c o r r e l a t i o nm e t h o di su s e di nt h i s p a p e r , w h i c h u s e h i g h - p e r f o r m a n c e so fd s p i nf f tc o m p u t a t i o nt os o l v et h ep r o b l e mo fr e a l t i m e p r o c e s s i n g o nt h i sb a s i s ，w i t ht h ec o m b i n a t i o no fe n v e l o p ed e t e c t i o na n d c o r r e l a t i o np e a ki n t e r p o l a t i o nt e c h n i q u e s ，as i m u l a t i o np r o g r a mo fr e a l t i m es i g n a l d e t e c t i o na n dt a r g e t i n gi sd e s i g n e d a l g o r i t h mt h r o u g hm a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h em e t h o dc a nb ea tal o w e rs n rt oa c h i e v eah i g h e rp o s i t i o n i n g a c c u r a c y r e a l i z a t i o no fs i g n a l p r o c e s s i n gs o f t w a r ei sd e s i g n e do nt h eh a r d w a r e p l a t f o r m sw h i c hi sb a s e do nt w ot m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p s c o r r e l a t i o nt i m e d e l a y e s t i m a t i o nt e c h n i q u e sa r eu s e dt oi m p l e m e n tp o s i t i o n i n ga l g o r i t h mo fu s b l i n a d d i t i o n ，as y s t e mo fs i g n a l sp r o c e s s i n gi sc o m p l e t e d ，w h i c hc a l lr e a l i z et h e r e a l t i m e d e t e c t i o na n d t i m e _ d e l a yo fb r o a d b a n dr e s p o n s es i g n a l ，g e o d e t i c c o o r d i n a t e so ft h et a r g e tr e a l t i m es o l v e r f i n a l l y , t h et a n ka n dl a k ee x p e r i m e n t s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a r ec a r r i e do u tt ov e i l f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h el o c a t i o na l g o r i t h m ，w h i l et h es t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t yo fs y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t ：w a r ea r ec h e c k e dt o o k e yw o r d s ：u s b l ；t h r e ec o s i n ei n t e r p o l a t i o n ；c o r r e l a t i o n ；f f t ；d s p 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) ：，媚晏 日期：伽乎年3 月 2 0 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：鸯誊键 日期：2 口口7 年3 月扣e l 导师( 签字) ：h 厂 2 - p 巧年多月勘e l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ii in 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 海洋是全球生命支持系统的一个重要组成部分，同时也是一种有助于实 现社会、经济可持续发展的宝贵财富。据估计，海洋中蕴含着约6 0 0 0 亿吨的 矿产资源、2 8 0 0 亿吨石油、近1 4 0 亿立方米的天然气。当今世界，随着人类 社会工业化步伐的不断加快，陆上资源几乎被消耗殆尽，资源危机已经开始 出现。在这种压力下，世界各国都在想方设法寻求新的发展思路，临海国家 纷纷把目光投向海洋，加紧制定海洋发展规划，大力发展海洋经济。目前， 从海洋中获得更大的利益已成为众多国家2 1 世纪的国家发展战略。 我国是世界上最大的发展中国家，也是能源消耗大国，尽管地大物博， 很多能源还不能自给自足，需要依赖进口。如果能够拥有先进的海洋开发和 勘探技术，那么我国1 8 0 0 0 余公里的海岸线，周边浅海中蕴含的丰富的资源 与矿产就会为我们所用。这对于我国的经济建设、可持续发展战略、应对世 界的经济危机和激烈的国际竞争无疑具有重要的意义。 提到大洋开发战略，就不能不提到水声学及水声定位技术。说起来有点 难以置信，人类对于蔚蓝色的海洋及神秘的海底世界的了解比对遥远的外太 空还要少。这其中一个重要的因素就是在水下缺乏有效的信息载体，像陆地 上常用的无线电波、光波，在水下统统失去了用武之地，只有声波是已知的 唯一能够在水中远距离传播的波动。1 8 2 7 年左右，瑞士和法国的科学家 首次相当精确地测量了水中声速。1 9 1 2 年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉 没，促使一些科学家开始对冰山回声定位进行研究，这标志了水声学的 诞生。美国的费森登设计制造了电动式水声换能器，1 9 1 4 年就能探测到 两海里远的冰山。1 9 1 8 年，朗之万制成压电式换能器，产生了超声波， 并应用了当时刚出现的真空管放大技术，进行水中远程目标的探测，第 一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。在第 二次世界大战中，对水下目标的探测和测量受到了重视，并在战后得到了快 速的发展，出现了舰载声呐。到了5 0 年代，利用水声技术对船舶和水中载体 进行地理位置( 大地坐标) 的测定逐渐发展起来。7 0 年代以后国际上相继发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 展了多波束声呐、旁侧声呐和干涉仪、非线性差频探测与信号处理技术、水 下声控和定位技术等多种深海探查技术。 早期的水声定位技术主要应用于军事，随着科学技术的发展和海洋资源 的开发利用，水声定位技术在民用方面也得到了广泛的应用。当前大多数的 海洋工程，如海洋油气开发、深海矿藏资源调查、海底光缆管线路的调查与 维护等需要声学定位系统( a c o u s t i cp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 对水下拖体进行导航定 位，如水下遥控机器人r o v ( r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ) 、水下无人机器人 u u v ( u n m a n n e du n d e r w a t e rv e h i c l e s ) 、水下自动机器人a u v ( a u t o n o m o u s u n d e r w a t e rv e h i c l e ) 、声纳设备的水下拖鱼( t o w f i s h ) 等1 。水下油气管道的布设、 水下电缆的铺设、水下救险、沉船打捞、潜水员定位以及航道异物清除等也 要用到水声定位技术。此外，海底地形勘探、水下航行器控制和水下遥控作 业等更离不开水声定位技术。 在将来很长一段时间，我们可以预见，随着海洋资源开发热潮的涌起、 海洋工程技术的不断发展、水声定位技术在海洋环境观测、海洋测绘、资源 勘探和水下通信中将会起到越来越重要的作用，在海洋工程中会有着越来越 广阔的应用前景。 1 2 水声定位技术的国内外发展现状 迄今为止，水下目标定位跟踪的主要手段仍是依赖于几何原理的水声学 定位方法，目前广泛应用的水声定位系统，根据声基线的距离或激发的声学 单元的距离来对声学定位系统进行分类，可以分为长基线、短基线和超短基 线水声定位技术三种。长基线水声定位系统的基阵长度在几公里到几十公里 的量级，利用测量水下目标声源到各个基元问的距离确定目标的位置。短基 线水声定位系统的基阵长度一般在几米到几十米的量级，利用目标发出的信 号到达接收阵各个基元的时间差，解算目标的方位和距离。超短基线定位系 统的基阵长度一般在几个厘米到几十厘米的量级，它与前两种不同，利用各 个基元接收信号间的相位差或时延差来解算目标的方位和距离口1 。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表1 1 声学定位系统分类 定位系统分类 声基线长度 超短基线- i7 s b l s s b l0 5 1 0 k m 中频m f ( m e d i u mf r e q u e n c y ) 18 - 3 6 k h z2 3 k m 高频- h f ( h i g hf r e q u e n c y ) 3 0 - 6 0 k h z1 5 k m 超高频_ e h f ( e x t r ah i g hf r e q u e n c y ) 5 0 1 1 0 k h z l k m 甚高频v h f ( v e r yh i g hf r e q u e n c y ) 2 0 0 一3 0 0 k h z 2 f o ，所以o = l + m - 1 ，且n = 2 7p 为整数) ，这样就可以实现f f t 及i f f t ， 具体的算法公式推导如下： 先进行周期延拓，即：工( ，1 ) = 工( ( ，z ) ) ，h ( n ) = 五( ( 以) ) _ ，x ( 厅) = x ( n ) r ( ，z ) ， 坳画洲，舯蹦加器兰嚣肛1 m - i ，- i y ( 甩) = 工( ，l + ，) = x ( ，z + ，) i = o1 = 0 n - i 】，( 尼) = 胛抄( 玎) ) = y ( ，z ) 时 ，一l n - in - in - 1 = y z h ( o x ( n + t ) w ：= x ( n + t ) r e y n = o1 = 0 l = on = o 一1 + 1一ln - i + i 又。x ( 小) 咿= x ( m ) w f f 7 + x ( m ) w f f ( 设：研_ + f ) m = l m * lr n = n l - i ，一l ，一l = x ( m ) w f f + ex ( m ) w f f = x ( m ) w f f k = x ( 尼) m = om = lm = o y ( k ) = h ( | j ) x ( 七) 故由此可得求相关值的算法步犁1 9 1 ： ( 1 ) 对h ( n ) 求点f f t ，得到目何，并求其共轭( 尼) ； ( 2 ) 再计算x ( n ) 的点f f t ，得到砸) ； ( 3 ) 计算乘积r ( k ) = h + ( 七) x ( 七) ； ( 2 2 8 ) 咿 m ，“ 稍 肫 陈d 纵 枷 = 川 咿 m 杖 利 d认 m 一 ”h m = “玎 令 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 对删求点i f f t ，得到相关序列y 例。 对于快速卷积，通过推导可以到类似的公式印1 ：z ( k ) = 日( 尼) x ( 尼) ，硎 为j j l 例与x 例卷积的离散傅里叶变换。 通过以上的推导可以看到，把时域的相关转化为在频域求f f t ，共轭乘 后再计算i f f t ，这个过程中几乎所有的计算都可以利用f f t 或i f f t 子程序 来完成。由于f f t 算法较为成熟，在d s p 器件中其独特的结构也特别适合 f f t 的计算，因而f f t 的计算是相当高效的，利用f f t 的快速相关其计算速 度较普通的乘累加算法是一个数量级的提高。为了说明问题，我们现在不妨 来比较一下快速相关与普通乘累加相关的计算速度。先来看看t i 公司提供的 d s p l i b 库中的乘累加相关运算函数c o l t 实时环境中测试过，具有优化的执行速度。根据该函数的说明文档及c c s 测 试，在做2 0 4 8 点的相关运算时，其运行时间为6 3 6 7 2 8 2 指令周期。而采用快 速相关法计算4 0 9 6 点相关所用的时间，在c c s 中统计其运行时间为8 5 7 6 5 3 个指令周期，可以看出快速相关所用的时间仅仅约为普通相关的七分之一。 2 4 3 快速滑动相关 在实际的信号处理中，一般数字信号处理的单位冲激响应h ( n ) 较短，而 数字信号x ( n ) 的长度较长，正如本文的超短基线定位系统，本地的参考信号 是较短的有限序列，而四路输入信号是经过接收阵不断接收的长序列。如果 直接应用快速相关或卷积算法，h ( n ) 必须补很多个零值点，这样一来很不经 济，二来d s p 内存空间也是有限的，不可能像m a t l a b 仿真中那样把数据 都采集完做整体相关后再判断相关峰大小。当然，即使是内存足够大，由于 实时性的要求，这种类似后置处理的方式时延太大，也是不允许的。否则， 研究快速算法也就没什么意义了。 因而，有必要把比较长的输入序列x 仍) 分成和乃( 以) 长度相仿的若干段， 每一段为x i ( ，z ) ，将x ，( 以) 与h ( n ) 做相关或卷积，得到相应的输出y ，( ，1 ) ，然后 应用重叠相加法将每一段的，( ，z ) 结合起来，就可以得到y ( n ) ，而每一段的相 关或卷积都可以采用相应的快速方法处理。 通过以上的分析和推导，结合自身系统的特点，本文采用了一种基于f f t 的快速滑动相关方案。为便于详细说明，采用图示方式进行阐述，如图2 4 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所示。由于信号的采集必须不间断的进行，所以采用乒乓操作，为每一路信 号的采集数据创建两个缓冲b u f f e r l 和b u f f e r 2 ，每个缓冲的长度和本地参考 信号的长度相等，设为n 。当b u f f e r l 采满数据后，计算其与参考信号的相关 得到b u f f e r l ，同时b u f f e r 2 继续采集数据，在b u f f e r 2 采满数据之前，b u f f e r l 的相关计算已经完毕。待b u f f e r 2 采满数据，计算其与参考信号的相关得到 b u f f e r 2 ，把b u f f e r l 与b u f f e r 2 相重叠的部分相叠加，同时b u 肫r 1 继续采集 数据，覆盖原有的数据，如此往返直至把信号的完整的相关波形计算出来。 对于每一个b u f f e r 的相关计算都采用上节所讨论的快速相关。应答信号和参 考信号的长度相等都为n ( n 满足2 的整数次幂) ，两者的相关函数序列长度 为2 n 1 。在实际工作中，不太可能正好在一个b u f f e r 内把信号采集完整，一 般的情况都会像图2 4 中所示的那样，应答信号跨在两个相邻的b u f f e r 之间。 这种情况，只要把两个b u f f e r 的相关结果重叠相加，就可以得到完整的相关 波形。 应答信号在两个b u f f e r 之间 采集信号 匕壁二= 亡二辘瘟瘟剖= b u f f e r ib u f f e r 2b u f f e r l 参考信号l 一 把采集的信号 分成不同的 b u f f e r 每个b u f f e r 相 关的结果 相叠加后的输出 i =2 n - - 4 i - -2 n = = = = = = = = = ：= = ：刊 2 n = = = = = = = 刊 卜一2 n 叫 1 一 色坠型= = j 。重叠 卜一2 n 叫i 。t _ 。 一e 二 二= 二二二二：# 二二翠二 b u f f e r l 相关的输出b u f f e r 2 相关的输出b u f f e r l 相关的输出 图2 4 滑动相关示意图 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 4 相关序列的重排序 对于每一段的输入( 一个b u f f e r ) ，应用以上快速算法计算相关时，有两点 需要注意的地方：第一，参考信号和缓冲b u f f e r 的长度都为n 点，两者相关 的结果应该是长度为2 * n 1 点的序列。而我们用f f t 的方法计算时，为了防 止混叠和满足f f t 的计算点数必须为2 的整数次幂的要求，通过补零的方法 把序列的长度扩充到2 宰n ，这样计算出来的序列比真正的线性相关序列多了 一个零值点；第二，快速相关计算出来的序列的虽然包含了相关序列的全部 值，但是序列的排列顺序发生了改变，需要对其重新排序才能得到与线性相 关相同的序列，下面我们具体说明这一点。 设线性相关的输出结果为y 似，) ，俐的长度为2 * n 一1 ，n 从一n + 1 到n - 1 。 快速相关的输出序列为y ( n ) ，y ( n ) 的长度为2 * n 。考虑到应用快速相关时对 序列进行了周期延拓，周期为2 宰n ，所以y ( n ) 也是以2 * n 为周期的。当n 从 - n + 1 到n 1 时，有 y ( 一+ 1 ) = j ，( 一+ 1 ) = y ( 一+ 1 + 2 n ) = y ( n + 1 ) ( 2 - 2 9 ) y ( 一1 ) = y ( - 1 ) = y ( - 1 + 2 n ) = y ( 2 n + 1 )( 2 3 0 ) y ( 0 ) = y ( 0 )( 2 - 3 1 ) y ( n - 1 ) = y ( n - 1 )( 2 3 2 ) y ( ) = 0 ( y ( n ) 没有y ( ) )( 2 - 3 3 ) 可以看到，对于) ，( 珂) 来讲，要想在n 从0 到2 宰n - 1 内与y 例一致，它的 排列顺序应该是 y ( n + 1 ) ，y ( 2 n 一1 ) ，y ( o ) ，y ( n - 1 ) 为便于说明，把排序的过程以图示的方式显示，如图2 5 所示： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y ( ) = 0 i 衲匿鋈霪鋈覆藿匿霪覆鍪蚕鋈曩鎏塑鋈鋈塑霪笺銎登錾蒌 0 n 一1nn + 1 2 n 一1 i 排序后的；( n ) 匡蒌羹蒌蒌霪萋蒌鋈萋委委錾蒌薹藿鋈鋈匿蒌蚕鬟蒌薹萋受蒌霪薹鋈薹霪鋈鍪鋈篓薹薹委薹鋈蒌蒌圈 on 一2 ：n 一1n 2 n 一1 图2 5 相关序列重排序图解 2 4 5 提高f f t 计算效率的方法 通过上节的分析我们知道，信号相关计算d s p 实现时需要大量的f f t 和i f f t 计算。在d s p 中，f f t 和i f f t 的程序都是对复数信号进行操作，而 在定位系统的实际工作中，我们处理的都是实数信号。实信号进行复数f f t 计算时需要对实信号进行处理，将实信号的虚部置零值，使之变成复信号， 对处理后的复信号进行f f t 计算。但是，这种处理会增加程序的复杂性，并 且f f t 程序在这种情况下的计算量较大、执行效率不高。利用f f t 算法的有 效实现形式，使用一个n 点复数f f t 计算两个n 点实信号的f f t 可以显著 降低计算量、提高程序执行效率。该方法的原理是将两个n 点实值序列x 。( n ) 和x ：( 以) 合并成为一个n 点复数序列x ( n ) = x l ( 刀) + 豇：( 刀) ，j 为虚部符号，计 算x ( n ) 的n 点f f t ，再根据离散傅里叶变换的性质从x ( n ) 的f f t 结果中分离 出x l ( 刀) 和x ：0 ) 的f f t 阎。具体的过程推导如下： 五( n ) 和工：o ) 是两个长度为n 的两个有限实序列，设 x ( n ) = x 1 ( 以) + j x 2 ( ，1 ) ( 2 - 3 4 ) 则有 x ( k ) = f f t ( x ( n ) ) = x l ( k ) + j x 2 ( k ) ( 2 - 3 5 ) 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 x + ( 一七) = f f t ( x ( 以) ) = x 。( 一尼) 一x 2 ( 一七) 五( 七) 和x ：( 七) 分别为x l ( 以) 和x 2 ( 甩) 的f f t 。 由于z 。( 玎) 和z ：( 甩) 为实序列，x 。( 七) = x 。( 一七) ，x 。( 尼) = x 2 ( 一尼) ， x 。( 一尼) = x 。( 七) 一，x 2 ( 七) 根据f f t 的周期性 ( 2 3 6 ) 所以有 ( 2 - 3 7 ) x 。( 一尼) = x 。( n 一尼) = x l ( 尼) 一乒y 2 ( 七)( 2 - 3 8 ) 根据( 2 3 5 ) 和( 2 3 8 ) i 丙式可以得到x l ( 尼) 和x ：( 后) 的分离公式 州驴巡型粤业( 2 - 3 9 ) x 2 ( 后) ：x ( k ) - x 石 一( n - d ( 2 - 4 0 ) - - j 进一步分离墨( 尼) 的实部x 。，( 七) 和虚部x “( 尼) x l , r ( k ) ：型生掣( 2 - 4 1 ) x 1 i ( k ) ：x , ( k ) - _ x - , ( n - 一k ) ( 2 - 4 2 ) 墨( 七) 、x f ( 七) 为x ( 尼) 的实部和虚部，x ：( 七) 的实部x ：，( 尼) 和虚部x ：；( 尼) 为 x 2 , r ( k ) ：塑竖攀( 2 - 4 3 ) 剐尼) ：丛生攀( 2 - 4 4 ) 这样，我们可以通过调用一次f f t 程序就计算出两路信号的f f t ，所付 出的额外的代价就是多计算了若干次的加法和移位( 在d s p 中除2 运算可以 用右移位实现) ，减少了程序调用所用的开销，提高了运算效率，大大减少了 运复量为信号的实时友卜理提供了覃好的保障。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 2 5 信号的实时检测 信号的检测采用对每一段滑动相关的结果进行准实时的包络检波，在 d s p 实时处理中，本地参考序列滑动一段时间计算一下结果，提取包络，进 行门限判断，确定应答信号的有无。另外，提取相关序列的包络还有个目 的，由于存在多途干扰，信号的相关函数的会叠出多个相关峰，有的甚至比 直达波所形成的相关峰还大，所以简单的取相关函数的最大值不能选出正确 的相关峰值。提取相关函数的包络，可以用于简单的估计相关函数的波形， 从而找出正确的相关峰的位置。 理论上，一个随机信号的包络可以通过求取其希尔伯特变换，然后得到 其复解析信号，再计算复解析信号的模得到口3 1 删。由于希尔伯特变换的单位 冲击响应是非因果的，一般不能直接实现。针对本文中系统的特点，我们推 导出一种粗略求取信号包络的方法，在要求不太严格的情况下，可以达到和 希尔伯特变换相同的效果。推导过程如下“2 乳： 记s = s ( t ) ，其频谱s ( f ) 示意如下： s ( 厂) | | 、 、 ，7 f t 0 c 图2 6 随机信号s ( f ) 的频谱s ( f ) 其平方信号记为a ( t ) = j 2 ( t ) ，其频谱为a ( f ) = s ( f ) 宰s ( f ) ，示意如下： 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 ( 力 ? 、 f - 2 f ，小，、，h 一2 正 o 2 正 图2 8s ( f ) ：一c s ( 厂) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( s i g n ( f ) s ( f ) ) * ( s 辔，门s ( 厂) ) i| 、 厂 八 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l _ 日了小米1 亍t 滑动相关 重叠相加、排序 专 取模 低通滤波 去掉延时 n 令 下一步工作 取 包 络 图2 1 l 信号实时检测过程 2 6 仿真计算 根据系统预期指标要求，对宽带信号定位算法进行m a t l a b 定位仿真印2 引， 并对计算结果进行误差分析。主要的目的是验证定位算法，以及对影响定位 精度的因素加以分析。 2 6 1 模型框图 模型的框图如下图2 1 2 所示：流程大致可以分为四个部分，第一部分为 信号的产生，根据预设目标的坐标以及信噪比条件，产生4 路接收信号。第 二部分为信号的检测，对拷贝相关得出的相关函数的包络进行检测，当包络 大于预设的门限时认为信号到达，否则返回继续检测。其中，门限的值可以 设为噪声与参考信号的相关函数包络的3 5 倍，当然门限可以设置的高一 些，把门限设置的低一些是希望能达到更远的检测距离( 考虑到实际工作时 信号会随着距离的传播而逐渐衰减) 。第三部分是相关函数峰值位置的确定和 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 应用内插拟合技术进行精确的时延估计。第四部分是根据得到的时延值，计 算出目标的方位，解算目标的坐标例。 i 参考信号i 图2 1 2 相关法时延估计定位仿真框图 2 6 2 误差分析与仿真 根据超短基线的定位原理，目标坐标位乳y 由式x = 竿= 警， y = 丁c o r y r = 丁c o z y c t 决定，如果暂时不考虑仪器设备的误差和硬件电路的影 响，单从声学定位的角度来看，则定位的误差主要由时延差估计f 、声速的 平均值测量c 、声波传播时间t 和阵元间距三及其安装误差决定。按照误差的 统计特性，可以将误差粗略的分为随机误差和系统误差，系统的总误差为两 者之和。我们现以系统水平x 轴方向的定位误差a x 为例进行分析。 本文的水声定位系统中我们认为声线弯曲引起时延误差f 、声速平均值 测量误差c 和基阵的安装误差为系统误差p 0 1 。对式 工：c o r e r ：c o f x c t ( 2 4 5 ) 上l 两边求微分，不难得出其相对误差公式 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 ( 铲( 铲( 钒 ( 2 4 6 ) 如果精确固定了基阵的位置，则可认为，可以忽略，于是 ( 铲( 铲阿 亿4 7 ， 由噪声引起的误差都属于随机误差，时延差r 和声波的传播时间t 测量 都受噪声的影响，其测量值表现出随机特性，将其测量值分别用均方差仃。和 盯表示。可以得出 ( 手+ 2 p 4 8 ， 总的误差为 等= ( 铲阿料+ 2 i 弘4 9 ， 将式( 2 4 6 ) 代入，得 ( 铲( 剀( 铲( 刚饼蛐删) p 5 。， 其中，声速c 和声波传播时间t 的误差可以使用某些设备使其影响减少 到最低程度，如用高精度声速剖面仪测定海水的声速曲线，利用微分方法对 声波进行校正。时延差f 反映了目标的方位信息，如式c o s t z = r c 三，其值 的微小变化都会对目标定位产生很大的影响，所以x 和y 的测量精度主要取 决于f 。和f 。的测量精度。 对于噪声对f 精度的影响，可以从提高系统采样率、加长信号长度以及 提高信噪比等方面考虑，前两者往往受硬件性能的限制，不能有效实施。下 面我们首先考察一下不同信噪比对定位精度的影响。 仿真条件： 目标斜距：r = 8 0 0 0 m 声速：c = 1 5 0 0 m s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 阵元间距：l = 3 2 0 m m 应答信号频率：厂= 1 1 1 5 k h z 采样频率：f = 2 0 0 k h z 脉冲宽度：瓦，= 1 0 2 4 m s 应答信号采用1 1 1 5 k h z 的线性调频信号，噪声为带限高斯噪声，预设水 平方位角和垂直俯仰角均为4 5 0 。 下图2 1 3 为在不同信噪比条件下，用m a t l a b 仿真解算的目标坐标定位 误差曲线，每个信噪比条件下，用蒙特卡洛方法进行1 0 0 次独立统计。 图中定位误差以斜距的千分比方式表示，数据按公式 号笋计算，而为测量数据，为预设真值，r 为目标斜 距，其测量误差暂不考虑。 图2 1 3 不同信噪比条件定位精度误差图 由图可以看出随着信噪比的升高定位误差减小，在0 d b 时，系统的定位 误差就可以达到o 5 斜距。 由声线弯曲带来的延时误差取决于水下的声速结构，这类误差的影响因 素很多，如温度、盐度等，并且和目标入射角度有关p 1 3 2 1 。由式可得( 2 5 1 ) ( 等) 2 = = c 。s 2 c r ( 等) 2 r ( 孚) 2 ( 争 2 f ，) 2 r ( 盯。) 2 ) c 2 5 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由上式可知，随着夹角的减小，声线弯曲带来的影响将迅速增加，而在 越靠近u s b l 基阵的正下方锥角区域内，测向精度越高，定位精度也越高。 当目标为与基阵正下方时，口角为9 0 。，此时公式前两项为o ，声线没有弯 曲，a z 项也为0 ，定位精度最好。由于实验室内无法模拟声速梯度的分布， 所用声线弯曲的影响暂时不能仿真。 由式( 2 5 1 ) 我们可知，阵元间距l 对定位的相对误差也有影响，大尺度 的基阵可以提高分辨率，提高定位精度。下图2 1 4 给出在8 d b 信噪比下，不 同的阵元间距l 对应的定位精度图，l 以0 0 5 m 为一个间隔，每个间隔做了 5 0 次试验，可以看出随着l 的增大，定位精度逐渐升高。 、 。 阵元间距l ，m 图2 1 4 不同阵元间距l 下的定位精度误差图 2 7 本章小结 本章从超短基线水声定位原理出发，采用了采用宽带应答信号相关峰内 插时延估计技术进行定位的方法，并详细讨论了定位算法所用到的几个关键 技术。特别是采用了一种基于f f t 的快速滑动相关算法，解决了信号实时处 理的难题。在m a t l a b 中，对定位算法进行了定位仿真，并进行了误差分析， 详细讨论了对定位精度影响较大的几个因素。 2 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章超短基线宽带信号定位系统软件设计 3 1 定位系统硬件结构简述 超短基线定位系统主要分为水下四基元接收基阵、发射基阵以及水上的 数字信号处理模块和实时显示控制界面。其中数字信号处理模块是系统的核 心部分，该部分要完成的功能包括发射下询信号( 叫醒应答器) 、应答信号的 检测、时延估计、坐标解算、数据传输以及相应的控制命令。该模块以两块 数字信号处理器( d s p ) 为核心、现场可编程门阵列( f p g a ) 为逻辑控制、 t l l 6 c 7 5 4 串口芯片为传输接口构成一个既有实时处理能力，又有高速传输 能力的水声信号收发系统。 3 1 1 系统硬件总框图 图3 1 系统硬件平台框图 图3 1 中，接收基阵将声信号转换成电信号，然后通过水听器里的前放 后，进四通道接收机进行进一步的放大、滤波。接收机的增益分4 0 d b 和6 0 d b 哈尔滨工程大学硕士学位论文 两档，根据信号的强弱由主处理器进行控制。原始数据经过a d 采样，进入 数字系统，采样信号通过f p g a 的带通滤波，进入主处理器，进行信号的检 测，时延估计，目标坐标的解算。坐标解算所需的g p s 和罗经信息，通过串 口芯片事先传递给主处理器，处理的结果通过串口芯片传送给计算机。计算 机向水下应答器发遥控指令也是通过串口，然后进入主处理器，通过g p i o 引脚发出数字信号，信号经发射机进行功率放大，最后通过换能器将信号发 射出去。 3 1 2d s p 主处理器及其外围设备 系统的核心部分是数字信号主处理器，该部分既要完成复杂杂的算法、 对水下目标进行定位，又要完成一系列指令的收发、与周围设备进行数据交 互以及完成相应的控制。所以，采用双处理器的结构( d s p 选用t i 公司的 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 ) ，一片负责检测控带i ( d s p l ) ，一片负责声学计算( d s p 2 ) 。两 片d s p 间用多通道缓冲串1 2 ( m c b s p 0 ) 连接。两片d s p 与其周围其他设备的 连接及相应的控制关系如下图3 2 ： 图3 2 主处理器及其与外围设备连接图 如图3 2 中所示，为了让整个程序高效、稳定的运行，d s p 主处理器与 外界器件的数据交互和控制一般都采用了中断的方式【3 3 “州。中断可以提供这 哈尔滨工程大学硕士学位论文 样一种机制，一旦有中断事件产生，或者说有外部设备要向d s p 处理器输送 需要的数据、触发信号及d s p 处理器向外部设备传递数据、控制命令时，d s p 会立即暂停c p u 的当前的处理任务，按预先的安排对该事件进行处理，处理 完毕后，c p u 再继续原来的任务。这样，可以保证c p u 在大部分的时间里 处理主程序，只在必要的时候工作才被打断p 纠。在上图3 2 中，g p s 和罗经 的数据通过d s p 的外部中断e x ti n t 4 和e x t i n t 5 传递给d s p ；p c 向 d s p 传输控制命令通过外部中断e x t控制发射机发送下询信号_int6；dsp 通过定时器中断t i n t ；f p g a 触发d s p 的同步通过外部中断e x ti n t 7 ； d s p 存储数据通过e d m ai n t 中断；两片d s p 间的通信通过m c b s p 中断 x t 等。 下面简单介绍一下本系统采用的d s p 处理芯片。t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p 是 3 2 位定点处理器，片内有8 个并行的处理单元，分别为相同的两组。d s p 的 体系结构采用超长指令字结构，单指令字长3 2 b i t ，8 个指令组成一个指令包， 总字长为8 3 2 = 2 5 6 b i t 。芯片内部设置了专门的指令分配模块，可以将每个 2 5 6 b i t 的指令包同时分配到8 个处理单元，并由8 个单元同时运行。片内集 成有一个具有高度并行性的算术逻辑单元( a l u ) 、专用硬件逻辑、片内存储 器和片内外设等几部分川3 6 3 刀删。在本系统中，d s p 主频6 0 0 m h z ，最快串口 数据传输速率1 5 0 m b i t s s ，片内存储器大小为1 m 字节。 3 1 3d s p 片内外设 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p 具有较强的硬件结构，其内部集成了较多的片内外设， 和各种设备连接都较为方便。d s p 硬件结构的主要包括e m i f 接口、外部扩 展总线、各种串口、主机接口、d m a e d m a 控制器、定时器、通用i o 接 口及p c i 接1 3 m p 9 1 。下面就本文系统中主要用到的几个外设做简单的介绍。 1 e d m a 控制器 增强的直接存储器访 h i ( e d m a ) 控制器时c 6 2 1 ) ( c 6 7 1 ) ( c 6 4 x 系列d s p 特有的数据访问方式，与d m a 相比，e d m a 的增强之处有：提供了1 6 个 ( c 6 2 1 x c 6 7 1 x ) 或6 4 个( c 6 4 x ) 通道。通道的优先级可设置；可以实现数据传 输的链接；利用e d m a ，可以实现片内存储、片内外设以及外部存储空间的 数据传输。当然，和d m a 一样，e d m a 能够在没有d s p 核心单元参与的情 哈尔滨- t 程大学硕十学位论文 况下，由e d m a 控制器完成存储器映射区的数据传输。 2 m c b s p 多通道缓冲串口( m u l t ic h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t ，m c b s p ) 是c 6 x d s p 最 基本的片内外设之一，c 6 4 1 6 具有2 个缓冲串口。缓冲串口的重要功能用于 串口通信，一般用于连接串行接口的外设，例如串行a d 和d a 、串行e e 、 s p i 设备等，此外缓冲串口还可以实现d s p 之间的连接。 3 定时器 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p 具有3 个3