（信号与信息处理专业论文）水下高速目标轨迹测量系统信号处理软件设计.pdf

哈尔滨t 稃火学硕十学位论文 摘要 水下高速目标轨迹测量系统用于对水下高速目标的定位。四个水声浮标 构成测量阵用来接收目标发出的信号，然后将检测的数据通过无线电通信发 送给位于测量船上的中央显控台，中央显控台计算出目标的轨迹且给以显示。 该系统具有主、被动两种工作方式，本文主要为主动工作方式下的水声信号 处理软件设计。 在主动工作方式下，协作目标发射的主动信号包含有c w 脉冲和l f m 脉冲。水声浮标的任务是检测接收到的脉冲类型和到达时刻然后传送给中央 显控台。本文采用自适应滤波器检测c w 脉冲的到达时刻和频率，这个过程 包括两个步骤：第一步是使用自适应滤波器处理接收到的信号，第二步是对 自适应滤波器输出信号使用包络幅度和瞬时频率的方差联合判决的方法搜索 存在的c w 脉冲及其到达时刻和频率。采用拷贝相关器检测l f m 脉冲的到 达时刻，这个过程也包括两个步骤：第一步是使用拷贝相关器处理接收到的 信号，第二步是在拷贝相关器的输出中搜索存在的l f m 脉冲及其到达时刻。 同时，为避免由于多普勒效应使测量的l f m 到达时刻出现偏差，利用接收到 的c w 脉冲的频率来重新计算拷贝相关器的参考信号。论文中，系统论述了 信号处理原理和软件设计思想。 在水声浮标中处理接收到的数据使用了两片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 定点数 字信号处理器。软件设计使用了c 语言和汇编语言混合编程的方式。使用汇 编语言编写了快速的拷贝相关d s p 软件。使用一种快速算法在多路拷贝相关 器的输出中搜索l f m 脉冲，且这种方法可以抑制通道串漏。自定义了浮点数 据类型及有关的运算函数用于数值计算，使得在数值计算时避免了溢出，提 高了精度，同时有较快的运算速度。 系统在松花湖作了实验，取得了良好的效果。 关键词：水声定位；高速目标；水声浮标；自适应滤波；拷贝相关 哈尔滨t 1 ：1 - 1 大学硕十学位论文 a bs t r a c t u n d e r w a t e rh i g l l s p e e d t a r g e tm e a s u r i n gs y s t e m i su s e dt ol o c a t et h e h i g h s p e e du n d e r w a t e rt a r g e t t h er e c e i v i n ga r r a yc o m p o s e do ff o u ra c o u s t i c b u o y s ，a n dt h e ys e n dt h ep r o c e s s e dd a t at ot h ec o n t r o la n dd i s p l a yu n i tb yw i r e l e s s a n dt h ec o n t r o la n dd i s p l a yu n i tc o m p u t et h et r a c ko ft h et a r g e ta n dd i s p l a yi t t h e s y s t e mh a sa c t i v ea n dp a s s i v eo p e r a t i n gm o d e ，a n dt h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yd e a l s w i t ht h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n gs o f t w a r ed e s i g nu n d e ra c t i v e o p e r a t i n gm o d e u n d e rt h ea c t i v em o d e ，t h es y n e r g i ct a r g e tt r a n s m i t st w ok i n d so fs i g n a l ，o n e i sc o n t i n u o u sw a v e ( c w ) p u l s e ，a n dt h eo t h e ri sl i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n ( l f m ) p u l s e t h eb u o y sp l a yi m p o r t a n tr o l e si nd e t e c t i n gt h et y p eo ft h es i g n a l a n de s t i m a t i n gt h ea r r i v i n gt i m e ，a n dt h e ns e n dt h ed a t at ot h ec e n t r a lu n i t t h e a d a p t i v ef i l t e r w a su s e dt od e a lw i t hc wp u l s e t h e r e c e i v i n gs i g n a l w a s p r o c e s s e db yt h ef i l t e rf i r s t ，a n dt h eo u t p u tw a su s e dt od e t e c tc wp u l s eb yb o t h t h el e n g t ho fe n v e l o pa n dt h es t a n d a r dd e v i a t i o no ft h ei n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c y i f t h e r ei sac w p u l s e ，t h ea r r i v i n gt i m ea n dt h ef r e q u e n c yo fc w c a nb eo b t a i n e d t ot h el f m p u l s e ，t h ec o p yc o r r e l a t o rw a su s e dt oe s t i m a t et h ea r r i v i n gt i m eo f t h el f m t h ec o r r e l a t o r sw e r ea p p l i e di nr e c e i v i n gs i g n a l sa tf i r s t ，a n dt h e ni n s e a r c h i n gt h ep e a ko ft h eo u t p u tt oe s t i m a t et h et i m e i no r d e rt or e d u c et h e i n f l u e n c eo fd o p p l e re f f e c to nt h er e p l i c ac o r r e l a t o r s ，t h ef r e q u e n c yo fc ww a s u s e dt o g e t t h er e f e r e n c e ds i g n a lo ft h ec o r r e l a t o r s t h ep r i n c i p l eo fs i g n a l p r o c e s s i n ga n dt h ei d e ao ft h es o f t w a r ed e s i g ni sd i s c u s s e ds y s t e m i c a l l yi nt h e d i s s e r t a t i o n t h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e mi nt h ea c o u s t i cb u o ye m p l o y st w op i e c e so f t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 af i x e d p o i n td s et h em i x i n gp r o g r a mw a sd e s i g n e db yc l a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g e ，a n dt h ee f f e c t i v ec o r r e l a t i o ni nd s pp r o g r a mi s r e a l i z e db ya s s e m b l yl a n g u a g e af a s ta l g o r i t h mw a ss t u d i e dt od e t e c tt h el f m s i g n a li nt h eo u t p u t so ft h em u l t i - c o r r e l a t o lw h i c hc a nr e s t r a i nt h ej a mb e t w e e n 哈尔滨t w - 大学硕十学何论文 t h ec h a n n e l s m o r e o v e r , t h ef l o a t p o i n td a t at y p ea n di t sf u n c t i o nw e r ed e f i n e d ， a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l th a ss h o w nt h e yc a na v o i dt h eo v e r f l o w , i n c r e a s et h e p r e c i s i o na n dd e c r e a s et h ec o m p u t i n gt i m e t h es y s t e mw a su s e di nt h es o n g h u al a k et r i a l ，a n dt h er e s u l ts h o wt h e s y s t e mc a no p e r a t ew e l l k e yw o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i cp o s i t i o n i n g ；h i g h - s p e e dt a r g e t ；a c o u s t i cb u o y ； a d a p t i v ef i l t e r ；c o p yc o r r e l a t o r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性2 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 献的引用己在文中指出，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己 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。 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 海洋开发的重要意义 在我们居住的地球上，海洋占据了地球表面的大部分面积。最先人类的 活动范围主要是在陆地，随着生产技术的发展人类的活动范围逐步扩展到海 洋、天空。现今海洋在一个国家的战略中居于非常重要的地位。国际贸易的 货物流动大部分是通过海洋运输。能源、矿产运输对一个国家产生举足轻重 的影响，可以说海洋运输线往往就是一个国家的生命线。海洋中还蕴含着丰 富的资源。海洋为人类提供了大量的鱼类食物来源，海底有多种矿产资源和 石油、天然气。海洋对一个国家的政治军事也具有重要的意义。通过海洋， 一个国家军队可以远赴到世界的很多地区。海洋空间是一个国家陆地生存空 间的延伸。海洋作为地缘政治的一部分在国家与国家的交往中产生重要的影 响。 1 2 水声技术发展现状及其在海洋开发中的应用 水声技术的发展是一个渐进的过程。早在1 4 9 0 年，达芬奇就利用声管收 听到远处航行船只的噪声1 。1 8 2 7 年，瑞士物理学家d c o l l a d o n 和法国数学 家c s t u r m 合作测量出水中的声速。在1 8 4 0 年焦耳发现了磁致伸缩效应，1 8 8 0 年皮埃尔居里发现了压电效应，在这些发现的基础上后人制造出了水声压电 换能器和磁致伸缩换能器从而促进了水声技术的发展。在2 0 世纪上半叶水声 换能器的问世、电子管的使用、对水声传播规律的深入认识以及两次世界大 战对水声探测设备的需求使得水声技术获得快速的发展和逐渐广泛的应用。 在2 0 世纪中后期，现代信号处理理论的发展、电子技术的发展特别是集成电 路和高性能信号处理器的发展促使水声技术与设备的进步发展和更为广泛 的应用。 现在，随着海洋开发的迅速发展，水声技术已应用在海洋开发的各个领 域，出现了多种不同用途的水声设备。水声技术研究的主要内容包括探测声 呐、导航声呐、定位声呐、水声通信和声层析技术2 “。 探测声呐又包括合成孔径声呐( s a s ) 、多波束测深声呐( m b s s ) 和浅地层 哈尔滨t 群人学硕十学位论文 剖面仪( s b p ) 。合成孔径声呐利用目标回波信号的相位信息，重构目标声像， 它是当今分辨率最高的声呐技术，能够获得海底的高分辨率声像。多波束测 深声呐是从2 0 世纪6 0 年后开始研究的，早期的产品有美国g i c 公司的 s e a b e a m 声呐。它采用常规的延时、加权、求和的波束形成技术，被称为幅 度法，只能在3 2 。内测量海底地形。2 0 世纪8 0 年代挪威s i m r a d 公司研究了 新的被称为差动相位法的波束形成技术，使用该技术研制的多波束测深声呐 可在- - 7 5 。内测量海底地形地貌。波束与海底处于垂直附近时幅度法精度较 高，波束与海底倾斜时相位法精度较高。现在的产品都同时采用上述两种波 束形成技术，在宽角度内测量海底地形地貌。浅地层剖面仪技术可以测量海 底底质的属性和分层，在海上工程施工、海底矿藏探测、海域划界方面都有 应用。 导航声呐包括声多普勒计程仪( a d l ) 和声相关计程仪( a c l ) ，适合用于航 行于深海中的潜器测量自身相对于海底的速度。与这两种设备很相近的设备 是声多普勒海流剖面仪( a d c p ) 和声相关海流剖面仪( a c c p ) ，可以测量不同 水深的海流速度。 定位声呐包括长基线、短基线、超短基线定位声呐。目前国际上主要发 展对多个目标定位的远程定位声呐，包括远程超短基线定位声呐和远程长基 线定位声呐。目前先进的远程超短基线定位声呐作用距离可达6 0 0 0 m 。为了 提高远程超短基线定位声呐的技术指标，现在多在两个方向进行研究：选择 复杂的水声信号来抑制水声信道引起的多途干扰：设计声呐阵以提高测量精 度。远程长基线定位声呐可在广阔的范围内对多个目标定位，适用于对远洋 航行的水下载体的定位。 水声通信机用于水下设备的相互通信。水声信道是多途、色散、时变的 信道，高频水声很容易被海水吸收而衰减使得可用带宽较窄，水中的声速也 较慢，所有这些给水声通信带来很大的难度。目前国际上水声通信技术指标 为传输速度与作用距离之积达4 0 k b i t s k m ，误码率在1 0 一1 0 一。现在o f d m 技术在水声通信中的应用成为一种重要的研究方向，这种技术旨在充分利用 水声信道的带宽。 海洋声层析技术是测量海洋内部温度场、流场的一种方法。其原理是声 波在海洋中的传播受海洋内部温度场流场影响，这种影响所携带的海洋结构 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 的信息可以通过反演的方法提取出来。目前国际上正在从理论和技术上对声 层析进行研究。 1 3 水声定位技术的发展现状 根据水声定位系统接收阵元的基线长度可以将水声定位系统分为长基线 定位系统( l o n gb a s el i n e ) 、短基线定位系统( s h o r tb a s el i n e ) 和超短基线定位 系统( u l t r as h o r tb a s el i n e ) 胴。一般长基线定位系统的基线长度为 1 0 0 6 0 0 0 m ，短基线定位系统的基线长度为2 0 5 0 m ，超短基线定位系统的基 线长度要小于1 0 c m 。 不管是何种定位系统，都要测量出被测目标相对于定位系统接收阵的相 对位置。如果己知定位系统接收阵的绝对位置，就能得到被测目标的绝对位 置。 长基线定位系统一般需要4 个接收阵元，这些接收阵元分布在几公里的 范围内。为了提高冗余度或者增加定位的范围可以使用4 个以上的接收阵元。 在长基线定位系统中一般是要先确定每个接收阵元的绝对位置，因为各个接 收阵元距离较远，每个阵元的绝对位置比各个阵元之间的相对位置更容易得 到。通过测量目标发出的声信号到达各个接收阵元的时延或时延差来求出目 标的位置。长基线定位系统一般用于协作目标的定位，工作方式有应答式和 时问触发式。长基线定位系统的优点是：定位精度比较高；测量的范围可以 很广；定位精度和深度无关。长基线定位系统的缺点是：系统构成复杂，测 量阵布放费时费力；对沉于水底的接收阵元位置的校准较为繁琐。 长基线定位系统有英国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， 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。f u s i o n 系列中频段7 8 0 7 型 长基线定位系统工作水深4 0 0 0 m ，定位精度o 1 5 1 0 m 。f u s i o n 系列高频段 7 8 0 8 型长基线定位系统工作水深2 5 0 0 m ，定位精度0 0 2 - 0 1 5 m 。h p r 4 0 8 s 型长基线定位系统在3 0 0 0 m 作用范围内的定位精度可以达几厘米。 短基线定位系统的接收阵元布放在船底，一般需要3 个以上的接收阵元 构成接收阵，为了提高精度基线长度应尽可能地大。短基线定位系统通过测 量声信号从目标传播到接收阵元的时间延迟来确定目标的距离，也有通过让 目标使用压力传感器测得自己的深度然后通过声脉冲编码告知接收系统的。 3 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 短基线定位系统通过测量声信号到各接收阵元的时延差来确定目标的方向。 为了获取测量阵的位置和姿态，短基线定位系统需要配有垂直参考单元 ( v e r t i c a lr e f e r e n c eu n i t ) 、罗经( g y r o ) 和参考坐标系统( 一般用g p s 或d g p s ) 。 短基线定位系统的优点是：系统组成简单而便于操作；测距精度高。短基线 定位系统的缺点是：需要在船底安装3 个以上接收阵元且需要良好的几何图 形，接收阵需要精确的校准；定位精度与水深和工作距离关系较大，水越深 工作距离越远精度越差。 短基线定位系统有澳大利亚n a u t r o n i x 公司的n a s d r i l lr s 9 2 5 型短基线 定位系统。n a s d r i l lr s 9 2 5 型短基线定位系统采用a d s s 信号( a c o u s t i c d i g j t a ls p r e a ds p e c t r u m ) ，这种信号的抗干扰能力特别强，在传输距离和测量 精度方面具有更优的性能，在环境噪声大和大水深条件下仍有很好的定位效 果。n a s d r i l lr s 9 2 5 使用的水听器是由多个换能器单元组成的组合阵，波束 的指向性和信噪比更好。n a s d r i l lr s 9 2 5 能够在全海深范围内工作，当工作 范围在3 5 0 0 m 以内的时候定位精度优于2 5 m 。 超短基线定位系统的接收阵元也是布放在船底，需要3 个以上的接收阵 元。阵元间距较小，使得便于将各阵元是固定在一个独立的框架上，各阵元 的相互位置需要精确测定。超短基线定位系统很类似于短基线定位系统，只 是基线长度更短。通过测量接收阵元接收到的声信号相位差来确定目标的方 向。通过测量声信号从目标传播到接收阵元的时间延迟来确定目标的距离。 短基线定位系统也需要配有垂直参考单元、罗经和参考坐标系统。超短基线 定位系统的优点是：接收阵较小而便于布放，测距精度高。超短基线定位系 统的缺点是：在安装阵元时要精确地校准，定位精度随着工作时的水深和距 离加大而减小。 超短基线定位系统有法国o c e a n ot e c h n o l o g y 公司的p o s i d o n i a6 0 0 0 型超 短基线定位系统，挪威s i m r a d 公司的h i p a p 5 0 0 型，h i p a p l 0 0 型超短基线 定位系统，澳大利亚n a u t r o n i x 公司的r s 9 1 2 型超短基线定位系统，美国 f e r r a n t io r e 公司的t r a c k p o i n ti i 型超短基线定位系统。p o s i d o n i a6 0 0 0 型超 短基线定位系统工作水深6 0 0 0 m ，作用距离达8 0 0 0 m ，定位精度为距离的 0 5 一1 。h i p a p 5 0 0 超短基线定位系统工作水深达4 0 0 0 m ，定位精度优于距 离的0 2 ，它的换能器是由2 4 1 个换能器单元组成的球形阵。h i p a p l 0 0 型 4 哈尔滨j r 程大学硕+ 学何论文 超短基线定位系统最大作用距离8 0 0 0 m ，最大工作深度为6 0 0 0 m ，定位精度 为距离的0 5 。r s 9 1 2 型超短基线定位系统和t r a c k p o i n ti i 型超短基线定位 系统的工作水深都在2 0 0 0 m 之内，定位精度为距离的0 5 一1 。 在国内一些科研机构也从事水声定位设备的研究开发并取得了显著的成 果，其中哈尔滨工程大学在水声定位技术水平上处于国内领先地位，其先后 研制成功了短基线定位系统、长基线定位系统和超短基线定位系统。针对不 同的应用需求哈尔滨工程大学研制了不同的水声定位设备，这些设备已被应 用于海洋开发中。 近些年来，一些科研机构在研究新的定位技术。如n a u t r o n i x 、s o n a r d y n e 等公司正在研发扩展频谱定位技术( s p r e a ds p e c t r u mr a n g i n gt e c h n i q u e s ) ，这种 技术可以获得更高的信噪比，得到亚米级的距离测量分辨率。k o n g s b e r g s i m r a d 公司使用波束控带l j ( b e a ms t e e r i n g ) ，零控( n u l ls t e e r i n g ) ，自适应噪声抵 消( a d a p t i v en o i s ec a n c e l i n g ) 等技术开发新的水声定位产品。矢量换能器不同于 传统的标量换能器，单个矢量换能器阵元就能够测量出声源的方向，而传统 的标量换能器需要多个阵元组成测量阵才能够做到。矢量换能器已经被用到 定位系统中，它显著的优点是整个接收换能器体积较小。 水声定位设备在海洋开发已获得广泛的应用，在海底施工、海底矿藏开 采、深水潜器的导航、海难救援等方面发挥着不可替代的作用。 1 4 立题背景和意义 水声定位设备在海洋开发中已经获得广泛的应用。现在已有各种水声定 位设备，它们适合于在不同场合下的需求。已经有的水声定位设备主要是按 照基线的长短来区分，这种区分是根据设备自身所采用的定位方法的不同， 这也反映了很少有定位设备针对目标的特性来设计。而水下高速目标轨迹测 量系统就是一种针对目标高速特性而设计的定位设备，这使其具有一般水声 定位设备所不具有的功能。水下高速目标轨迹测量系统支持主动定位和被动 定位两种方式，具有更广的适用性。该系统使用了水声矢量换能器，水声矢 量信号处理是近年来水声技术的一个重要的研究方向，所以这也是将水声矢 量换能器应用于工程的有益尝试。水下高速目标轨迹测量系统信号处理软件 设计的有关研究是实现该系统所做工作的重要部分。 5 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 1 5 论文研究内容 水下高速目标轨迹测量系统信号处理软件设计的研究内容主要有： 1 、了解系统的基本原理和系统的构成，研究有关的信号处理算法，分析 在实际的工作条件下各种因素对系统工作的影响，并进一步完善信号处理算 法，提高系统的性能。 2 、了解系统实现的硬件平台，研究信号处理平台所使用的d s p 的资源 及使用方法，研究信号处理算法在d s p 上的软件实现。 3 、参加系统的湖试，分析实验数据，研究在实验中出现的各种问题，给 出解决的方法。完善系统的各项功能，使其达到实用化要求。 6 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 第2 章系统的基本原理和构成 无论何种的水声设备都要都考虑其所工作的环境特性，只有充分了解水 声环境的特性才能使水声设备的设计和使用具有更强的针对性以更好地发挥 设备的效能。水声定位有不同的种类，按用于定位的信号参数可分为距离( 时 延) 测量系统、方位( 时延差等) 测量系统、距离一方位测量系统，按基线 的长度可分为长基线定位系统、短基线定位系统、超短基线定位系统，有采 用标量水听器也有采用矢量水听器的，其工作原理也各不相同。本章简要讨 论水下声信道的基本特性及其对水声定位的影响，论述了水下高速目标轨迹 测量系统的水声定位基本原理，在此基础上介绍了水下高速目标轨迹测量系 统的构成及信号处理的基本流程，以期对系统有一个全面概括的描述。 2 1 水声信道的特性及其对水声定位的影响 水声定位系统的设计和使用都极大地依赖于其所使用的水声环境，所以 必须了解水下声信号的传输受到水声环境怎样的影响。虽然影响水下声信号 传输的因素很多，但主要是水中的声速分布和边界对声信号的反射。 水中的声速随着温度、静压力、含盐度的增加而增加，其中温度对声速 的影响最大p 1 。在一定范围内的一段时间内，水温在水平方向变化比较小， 而在垂直方向变化比较大。这也就导致水中的声速往往在水平方向变化很小 而在垂直方向变化很大。所以在考虑水中的声速分布的时候一般只是考虑声 速在垂直方向的分布。声波在传播的时候总是往声速较小的方向弯曲。在现 实的水域中有一些典型的水中声速分布，形成了不同的水声信道。 水声定位系统通过测量水声信号传播的时延或时延差，通过球面或双曲 面交汇来确定声源的位置；也可以通过测量接收到的水声信号的方向来确定 声源的位型叫唧。当水中的声线出现了弯曲，这必然会影响到定位的准确性。 同时由于定位系统接收到的声信号的强度受到声速分布的影响从而使定位系 统的作用距离受到很大的影响。可以看出，定位系统的性能极大地依赖于水 中的声速分布。 水体的水面和水底都会对水声信号产生反射。一般水面反射系数接近于 7 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 一1 川。水底的发射系数与水底的底质和声入射角有关，相对于水面来说水底 介质往往有较大的声吸收。假定水面和水底是平坦的，那么水中的声音在传 播的时候会有直达声，水面和水底的一次反射声和多次反射声，出现多途现 象。 时延测量水声定位系统往往是通过检测目标的直达声来确定目标的位置 的，由于多途的存在大大增加了信号处理的难度。实际上水底一般会出现大 的起伏，水面会有风浪也是不平坦的，所以实际的多途情况要复杂的多。水 声信道是时变空变信道，在声源和接收点都为静止的时候可以看做是固定不 变的相干多途信道、缓慢变化的相干多途信道和快速变化的广义平稳非相关 散射信道的并联组合。 2 2 水声定位的基本原理 根据水声定位采取的具体方法的不同水声定位种类是比较多的，对各种 水声定位方法的基本原理作论述是不必要的。这里仅对与水下高速目标轨迹 测量系统相关的定位原理作一个简要的论述。 现在的水声定位系统可以分为长基线定位系统，短基线定位系统和超短 基线定位系统。尽管有这些区分但多以主动协作目标的方式工作。在主动工 作方式下可以有同步方式和非同步方式。同步工作方式要求目标的水声信号 源和定位装置的时钟是同步的，即要求有相同的时间基准并且时钟的精度要 求很高以避免累积误差。非同步工作方式不要求目标的水声信号源和定位装 置的时钟同步，对目标的水声信号源的时钟精度要求较低。因为同步工作方 式对时钟的精度要求比较高且工作时要求同步校准不便于测量操作所以本系 统采用了非同步工作方式。水下高速目标测量系统使用长基线主动定位方法， 无论是作为认识的渐进过程还是作为早期调试测试阶段的需要，在后文对同 步工作方式和非同步工作方式都作了介绍。在后面的介绍中目标是指装有水 声信标的水下高速目标，水声浮标是测量系统的接收装置。 2 2 1 水声定位的主动同步工作方式 主动同步工作方式要求带有水声信号源的协作目标的时钟和水声浮标的 时钟一致，这要求二者时间基准点相同且时间的累积误差要足够的小。为了 8 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 使二者的时问基准点相同，要求在每次测量之前要对二者对时，这往往很是 费时费力。为了使二者的累积误差很小，要求目标所带的信标的时钟精度很 高，这会导致费用增加。同步方式定位是根据球面交汇的原理。设目标的位 置g ，y ，z ) 未知，有四个浮标已知其位置为g ；，y ，z ，) ，fa 1 2 ，3 ，4 。水声信标 发射水声脉冲的时刻为t 。，各个浮标接收到水声脉冲的时刻为t ；，i = 1 , 2 ，3 ，4 。 则水声信标到各个浮标的距离为： - t o ) x c 。f 一1 , 2 ，3 ，4( 2 1 ) 其中c 为水中的声速。 这样就可以建立方程组 ( x 一) 2 + ( y y i ) 2 + q 一五) 2 一乎i = l 2 ，3 ，4( 2 - 2 ) 由此就可以求出水声信标所在的位置( z ，y ，z ) 。 2 2 2 水声定位的主动非同步工作方式 主动非同步的工作方式不要求水声信标的时钟与浮标的时钟一致，对信 标时钟的精度要求较低，这样既便于测量操作也降低了费用。各个浮标的时 钟还是要求高度一致的。在水下高速目标测量系统中由于使用了g p s 模块， 可以提供精确到秒的当前时间，并且还提供精度到微秒级的秒脉冲，所以即 使浮标自带的时钟精度不高也能够很好地实现各个浮标时间的一致。非同步 定位方式是根据双曲面交汇原理。设目标的位置g ，y ，z ) 未知，有四个浮标弓知 其位置为b ，y ；，z ，) f = l 2 ，3 ，4 。不知道水声信标发射水声脉冲的时刻，但是 可测量出各个浮标接收到水声脉冲的时刻为t ，f = 1 , 2 , 3 ，4 。则水声脉冲到达 各个浮标的时间差为 - t f 。f ff ，= l 2 ，3 ，4 且b 歹 ( 2 - 3 ) 那么，水声信标到各个浮标的距离之差为 勺x c = 岛f ，j = 1 ，2 ，3 ，4 且f j ( 2 - 4 ) 这样就可以建立如下方程组 9 哈尔滨下稃人学硕十学 = 7 ：论文 瓜哥面罚哥一厄帝丽i 丽= 鸽f ，歹= 】2 3 4 且 歹 ( 2 - 5 ) 由此方程组就可以求出信标所在的位置( 工，) ，z ) 。 2 3 水下高速目标轨迹测量系统的特殊要求 水下高速目标轨迹测量系统和其他定位系统的一个显著的区别就是被测 目标的最大速度比较高，这样就导致对测量系统有特殊的要求。 首先由于被测目标在高速运动时目标与浮标的相对运动速度比较大，而 水中的声速是比较小的，约1 5 0 0 m s 。这样目标与浮标的相对运动产生的多 普勒效应就会非常明显。假如目标与浮标的相对速度为1 5 m s 时，就会有1 的多普勒系数。在这种情况下，水声信标发射的声脉冲信号在浮标接收到的 时候会被展宽或者被压缩。信号处理必须对这种情况给予考虑，对多普勒导 致的信号出现频率偏差作出补偿。在做相关检测的时候主要是对参考信号作 修正。在系统设计时采用的应对方法是在水声信标的脉冲序列中加入c w 脉 冲，通过测量c w 脉冲的频率偏差就可以测量出目标相对浮标的速度，以进 一步对信号处理作出相应的调整。 其次，由于目标速度比较大，为了使描绘出的目标轨迹不至于过于稀疏 就必须使信标发射水声脉冲的周期比较小。在水声信道下，由于水面和水底 造成的边界效应比较明显，使得多途时延扩展比较严重，在浅水信道下可能 达到3 0 0 - 4 0 0 m s 之多。这对缩短水声脉冲的周期是不利的，因为可能导致前 后脉冲之间的相互干扰，增加检测和估计的难度。对于这种情况的应对方法 是不同频段的脉冲信号相互交叉使用，使得前后脉冲的频率不同，这样就可 以加以区分。关于这种方法的具体实现在后面章节讨论信号处理的时候加以 介绍。 2 4 系统的构成与信号处理流程 水下高速目标轨迹测量系统采用了两种工作方式：主动工作方式和被动 工作方式。不要求这两种工作方式同时工作，但要求这两种工作方式可以灵 活地相互转换。在主动测量方式下被测目标是一个协作目标，被测目标上装 1 0 哈尔滨下程人学硕+ 学位论文 有水声信标。当目标将要运动时水声信标会按照设计好的方式发射水声脉冲 序列。水声浮标通过接收的水声脉冲序列来获取目标的位置。在被动工作方 式下目标不开启水声信标或者没有水声信标，目标在运动时其动力系统会发 出噪声，水声浮标通过接收目标噪声来确定目标的位置。 水下高速目标轨迹测量系统既要满足其作为一般定位系统的要求，还要 必须满足因为被测目标具有高速的特点而导致的特殊要求。 2 4 1 水下高速目标轨迹测量系统的构成 水下高速目标轨迹测量系统中被测的水下目标携带有水声信标，是协作 的测量目标。要求水声信标的声源级要大于1 9 0 d b ，发射信号的频带为 3 0 0 0 5 5 0 0 h z 。 测量系统由构成水声测量阵的水声浮标和位于母船上的中央显控台构 成，中央显控台和水声浮标通过无线电通信链路协同工作。系统共使用四个 水声浮标，布放成边长为l k m 的正方形测量阵，被测目标大概位于测量阵的 中央位置。母船位于测量阵之外，以保证其能够与水声浮标正常通信且不会 与被测目标发生碰撞。 水声浮标包括接近于水面的主电子舱和位于水下4 0 m 的辅助电子舱。主 电子舱和辅助电子舱由悬挂绳连接固定，并且有多芯电缆连接用于信号传输。 主电子舱中有模拟信号调理板，数字信号处理板，通信及g p s 板，电源管理 板，在浮标上还配有无线电通信天线和g p s 天线。辅助电子舱包括前放，供 矢量水听器使用的恒流源，方位姿态仪，压力传感器。在辅助电子舱下侧固 定有矢量水听器。矢量水听器提供两个矢量信号，即水平矢量v x 、水平矢量 v y 和一个声压标量p 。 水声浮标有两种，一种如前面所述，另外一种是在前面所述的水声浮标 的基础上又增加了一个标量水听器。增加的标量水听器位于水下8 0 m ，由悬 挂绳与辅助电子舱柔性连接，并且由多芯电缆连接辅助电子舱和标量水听器。 下面给出了水声测量阵的一个示意图。四个水声浮标被布放为一个边长 为l k m 的正方形测量阵，其中两个成对角的浮标各带有一个矢量水听器，另 外两个成对角的浮标各带有两个水听器：一个矢量水听器和一个标量水听器。 哈尔滨t 程火学硕十学何论文 圭三舱 辅助电子舱 矢量水听器 标置水听器 图2 5 水下高速目标轨迹测量系统的构成 母船上的中央显控台通过通信基站同各个水声浮标传输数据。数据的传 输采用主从的轮询方式，基站处于通信主节点的地位，浮标处于从节点的地 位，每个浮标被分配不同的通信地址。基站在不同时间访问不同浮标，基站 在访问浮标的时候，在传输的数据中包含浮标的通信地址。只有浮标识别到 基站访问的通信地址与分配给自己通信地址一致的时候，浮标才会响应，或 者接收基站下传的数据，或者向基站上传数据。 中央显控台收集各个浮标检测到的水声脉冲数据，并进一步集中处理， 计算出目标的位置并且显示出目标轨迹。此外中央显控台还要实现数据的存 储，对浮标发送各种控制命令等功能。 2 4 2 水下高速目标信标的脉冲序列 测量系统在主动工作方式时被测目标携带的水声信标发出水声脉冲序 列，测量系统从而获取被测目标的位置。从整个系统来考虑，协作目标发射 的水声脉冲序列的具体形式与测量系统信号处理的具体方式紧密相判1 1 ”1 2 1 。 1 2 丫liji毒 i丫i占幽_1iivil-o f丫l由玉ji粤 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 在介绍信号处理的主要流程前将首先介绍水声脉冲的形式。 被测目标所携水声信标发射的水声脉冲的序列如图2 2 所示。 l f m oc wl f m 2l f m 3l f m 2l f m 3l f m l c wl f m 2l f m 3l f m 2l f m 3 l f m o 图2 2 主动工作方式下水声脉冲序列 水声脉冲序列的一个帧周期为2 s ，包含有1 2 个脉冲，每个脉冲周期是 1 6 6 m s ，脉冲宽度是2 5 m s 。由于1 6 6 1 2 = 1 9 9 2 m s ，比2 s 要少8 m s 。所以从前 一帧的最后一个脉冲到后一帧的第一个脉冲时间间隙是1 6 6 + 8 = 1 7 4 m s 。共有 五种脉冲类型：一种c w 脉冲和四种l f m 脉冲。有些脉冲类型在一个脉冲 帧中被重复使用。 从原则上讲对于测量系统，只要每个水声浮标能够检测到每一个水声脉 冲，判定其脉冲类型并且获取它的到达时间就可以计算出被测目标的位置了。 脉冲序列的选择要以实现这一目的为原则，同时还要考虑到系统实现的可行 性。 如前所述，水下高速目标轨迹测量的一个特别之处在于多普勒效应比较 明显。这会导致相关处理时计算声脉冲到达的时间值出现偏差。为了克服这 种情况在水声信标的发射脉冲序列中引入了c w 脉冲。引入c w 脉冲要实现 两个目的：一个目的是要得到c w 脉冲到达的时刻，这一点同l f m 脉冲的 作用是相同的，但是其测时的精度较l f m 脉冲测时精度低；另外一个目的是 测量出被测目标相对于水声浮标的相对速度，然后修改对l f m 信号作相关处 理时所使用的参考信号，以避免测时的偏差。这种处理方法作了一个假定： 在c w 脉冲发出之后的约1 s 时间内，目标的运动速度变化不大。在用c w 脉 冲测出目标运动速度后重新装订的参考信号用于c w 脉冲之后约1 s 时间内的 u 7 m 信号的相关检测。 1 3 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 抗距离模糊是水声定位的一个基本问题。在同步方式的水声定位系统中， 不出现距离模糊要求水声脉冲从发射声源到接收装置的时间延迟要小于水声 脉冲周期，因为这样才能推断出接收装置收到的水声脉冲在发射声源发出的 具体时刻而不会出现跨周期模糊。增大脉冲周期可以增大最大不出现模糊的 距离。但是这还会导致另外一个结果，就是获取的目标轨迹的点就会更稀疏， 这往往是和我们的期望相违背的。于是出现了各种抗距离模糊的方法用于增 大不出现模糊的最大距离，还不会使获取目标轨迹的点的密度下降。这些方 法的基本思想是在不增大脉冲周期的情况下增大可辨别的脉冲周期，最常用 的方法是增加脉冲的种类。 非同步方式的水声定位系统的抗距离模糊和同步方式的水声定位系统抗 距离模糊有所不同。在非同步的定位方式下要求满足的不出现模糊的距离是 发射声源到最远的接收装置的距离减去发射声源到最近的接收装置的距离。 而能达到的不出现模糊的距离是可分辨的脉冲周期乘以声速再除以2 。现在 可分辨的脉冲周期为2 s ，所以不出现模糊的距离是1 5 k m 。这就要使各个浮 标与被测目标距离之差要小于1 5 k m 。 从脉冲信号利用的带宽来讲，带宽越大对脉冲类型的判决和脉冲到达时 间测量精度的提高都是有益的，但是系统的实现难度将会增加。因为这就必 须使水声信标的功率放大器和发射换能器的带宽增加，而制作大功率大带宽 的功率放大器和水声发射换能器并且要将两者匹配难度会很大，不仅仅是成 本的增加更重要的是不一定能够实现。 在一个脉冲帧的1 2 个脉冲中只有l f m 0 和l f m l 只出现一次，可以称 之为引导脉冲，其作用就是在不增大脉冲周期的情况下增大可以辨别的脉冲 周期。在一个脉冲帧中l f m 2 ，l f m 3 被重复使用了四次，这是为了减少信 号总带宽的缘故。 2 4 3 系统的信号处理流程概述 水下高速目标测量系统的信号处理采用分散处理和集中处理相结合的方 式，每个浮标的信号处理模块独立地处理它所接收到的水声信号，主要任务 是检测水声脉冲以确定脉冲的信号类型和脉冲的到达时刻。然后通过无线电 链路传送给位于母船上的中央显控台。中央显控台得到各个浮标上传的实时 1 4 哈尔滨- r 秤人学硕+ 学俯论文 水声数据后计算出目标的位置。实际上，浮标的信号处理模块和中央显控台 的数据传输是双向的，这是因为需要由中央显控台向水声浮标发送诸如设置 信号处理参数、主动工作模式与被动工作模式转换之类命令的缘故。 浮标系统 母船系统 图2 3 测量系统的信号流程 用来接收水声信号的水听器包括一个矢量水听器和一个标量水听器。矢 量水听器输出三个信号分量：水平x 方向矢量v x ，水平y 方向矢量v v ，声 压标量p 1 。标量水听器输出一个信号分量：声压标量p 2 。在系统的主动工 作方式下只使用标量信号p 1 和p 2 ，在被动工作方式下使用矢量信号v x ，v y 和标量信号p 1 ，p 2 。 主动方式工作的频带为3 0 0 0 h z 5 5 0 0 h z ，这与被动方式工作频带是不相 同的。模拟滤波器为主动工作方式提供了两个通道，用来调理p 1 和p 2 。模 拟滤波器为被动工作方式提供了四个通道用来调理v x ，v v ，p 1 和p 2 。并且 要求调理v x ，v y ，p 1 的通道幅频特性和相频特性一致。 水声浮标的信号处理模块使用了两片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ad s p ，这里称之 为d s p l 和d s p 2 。信号处理模块使用了六片a d 芯片分别对四路被动信号通 1 5 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 道和两路主动信号通道共六路信号进行采样。采样的六路信号以中断的方式 同时送给d s p l 和d s p 2 。在主动工作方式下两片d s p 处于并行工作状态， d s p l 负责处理p 2 信号，d s p 2 负责处理p 1 信号。有的水声浮标没有p 2 信 号，但是d s p l 仍然处于正常工作状态，只是由于采集的数据不包含有效的 脉冲信