（水声工程专业论文）被动目标定位系统中浮标实时信号处理算法实现.pdf

哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t p a s s i v ep o s i t i o n i n gi nu n d e r w a t e ra c o u s t i ch a sa l w a y sb e e nt h ef o c u so f r e s e a r c h e r s t h i sh i g h - s p e e dp a s s i v et a r g e tt r a c em e a s u r e m e n ts y s t e mc a l l m e a s u r et h et h r e e d i m e n s i o n a lp o s i t i o no ft h em o v a b l et a r g e ti nr e a lt i m e t h e u n d e r w a t e rb u o yp a r to fs y s t e mi sa m e a s u r i n ga r r a yc o m p o s e do ff o u rp e r i p h e r a l b u o y sa n dac e n t e rb u o y t h em a i nr e s e a r c hw o r k o f t h ed i s s e r t a t i o ni sd e s i g n i n g a n di m p l e m e n t i n gt h es i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h r n sa n ds o m eo n - c h i pp e r i p h e r a l s c o n t r o lo nd s p sf o rt h eb u o ys y s t e m ，w h i c ha r ct h ek e y t e c h n i q u ei nt h es y s t e m t h r e es i g n a l p r o c e s s i n ga l g o r i t h m si n s i d et h eb u o yi n t h i sm e a s u r e m e n t s y s t e mh a v eb e e nd i s c u s s e da n di m p l e m e n t e do nd s p si nt h ep a p e r , t h e ya r e c e n t e rb u o yd o u b l e - e l e m e n te s t i m a t i o ni nu n i t ya n di n t e r f a c em u l t i - p a t hl o c a t i o n m e t h o d ，w h i c ha r cu s e dt om e a s u r et h ed e p t ho f t a r g e t , a n dt h eh i s t o g r a mm e t h o d t oe s t i m a t et h ea z i m u t ho f t a r g e ti nr e a lt i m e t i m ed e l a yd i f f e r e n c ee s t i m a t i o ni n 1 1 i g hp r e c i s i o ni st h eb a s eo ft h eh i g h - p r e c i s i o np o s i t i o n i n gf o rt h et a r g e t o n l ya s i n g l ea c o u s t i cv e c t o rs e n s o rc a ng i v ee n o u g hi n f o r m a t i o nt oe s t i m a t et h ea z i m u t h o ft h et a r g e tb yt h eh i s t o g r a mm e t h o d e a c hh y d r o p h o n ec a l c u l a t e sar e s u l ti na c e r t a i np o r i o d ，t h e na l lo ft h ee s t i m a t i o nr e s u l t sa r ep a s s e dt ot h eb a s es y s t e m o n - s h i pb yt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w i t ha l l t h er e s u l t st h eh i g h - p r e c i s i o n p o s i t i o no f t h et a r g e tc a l lb ec a l c u l a t e dj o i n t l yb yt h eb a s es y s t e m t h e r ea r ct h r e e d s pb o a r d si nt h es i g n a lp r o c e s s i n gp a r ti n s i d et h eb u o y , a n dt h em a i na l g o r i t h m s a r ci m p l e m e n t e do nt h et m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ad s p s i nt h ep a p e r , l o t so fs o f t w a r es i m u l a t i o n ，h a r d w a r ee m u l a t i o na n dd e b u g g i n g a tl a bh a v eb e e nd o n e ，u s i n gt h ed a t am e a s u r e df r o mt h ee x p e r i m e n t a t i o no nl a k e a n ds e a ，a l lt h ea l g o r i t h m sa n ds o f t w a r ea r ep r o v e dv i a b l ea n dc r e d i b l e 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 ；t i m ed e l a yd i f f e r e n c ee s t i m a t i o n ； h i s t o g r a ma z i m u t ha n g l ee s t i m a t i o n ；t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 ad 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) ：查监 日期：御年弓月多w 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 海洋是地球蓝色的宝藏，由于海洋占地球表面积的7 1 ，占地球总水量 的9 7 以上，蕴藏着极其丰富的矿产、油气、生物资源和可再生能源，故在 地球陆地资源日益匮乏的今天，人类已经将注意力越来越多地转向海洋资源 的开发和利用，海洋资源开发活动受到世界各国的高度重视。积极发展海洋 高新技术，提高国际竞争能力，抢占和开发海洋空间及资源，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。 自从1 9 1 2 年在美国出现了第一台水声测深仪以后，开始有了水声助航设 各。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。舰载声呐的主要任务是以本舰为坐标 系原点，探测目标的方位和距离。但是，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，直到5 0 年代才逐渐发展起来。1 9 5 8 年， 美国华盛顿大学应用物理实验室在达波湾建成的三维坐标跟踪水下武器靶 场，在海底放置了四个间距精确测定的水听器，可以在近距离上对带有同步 声信标发射机的高速目标提供距离和方位信息。只要对各个基元的地理位置 ( 大地坐标) 进行精确的测量，就可以对目标在大地坐标中的位置以及运动 轨迹进行测量。利用水声定位技术可以高速度、高精度、连续、自动地显示 出水下物体的位置，这对于海底地形勘探、水下航行器控制和水下遥控作业 等都是很重要的”1 。 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，水声定位 技术在民用方面也得到了广泛的应用，例如海洋资源开发、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 除等都要用到水声定位技术，为人类从事海洋活动提供了更加广阔的前景。 拥有全天候、高精度、高可靠性的水声定位系统也为人类的海洋资源开发提 供了更加可靠的保障。 我们通常所说的水声定位系统所测得的目标位置坐标，都是相对于某一 参照物的位置而言。这个参照物有时就是基阵的载体( 通常相对坐标系的某 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 一个轴线和舰船的艏艉线重合) ，它并不真正给出目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) 结合起来进行坐标变换，就能得到水下目标在大地几何坐标中的位 置或轨迹。本系统可以测得水下高速目标在大地坐标中的轨迹。 1 2 立题背景和意义 水下被动定位最早的雏形要从意大利人达芬奇于1 4 9 0 年发现的声管算 起，至今已有5 0 0 多年的发展史了。然而，真正得到发展，还是在第二次世 界大战之后。战争使人们逐渐认识到水下主动定位声呐容易暴露目标，这给 潜艇攻击带来极大的危险性，于是导致了水下被动定位声呐的研究。世界各 国竞相采用先进技术来研制现代被动定位声呐。 早期的被动定位声呐采用双基阵嘲，是用两角一夹边解三角形进行测向 测距，如图1 1 所示，用两个基阵同时测量目标的两个方位角，口：，基线长 度三已知，则目标距离为： 胄：墨! 里! 鱼。l c o s c c l( 1 1 ) s i n ( o r i 一)q 一6 1 2 双基阵三角测距法是从一般的被动测向站发展而来的，这种方法虽简单 易行，但由于基线长度l 受潜艇长度和接收信号的空间相关性限制，其测距 精度不高。因此，这种方法已被淘汰，现在一般都采用三基元被动测距法， 即测量信号到达三个基元中心的传播时间差或相位差来测距州1 。如图1 2 所 不。 则目标的方位和距离为： 式中：诽中声速； 孑一两阵中心间距； 口：s i n - 11 鱼芷垒2( 1 2 ) 2 d r = 垡：! 竺! ：竺 c ( f 1 2 一f 2 3 ) 2 ( 1 3 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f j 2 ，2 ，分别为1 ，2 阵和2 ，3 阵之间的时间延迟。 y 歹 + 一l 一 2 ) i 图1 1 双基阵三角测距法原理图 彩ys(x_夕 h 一d1 i 图1 2 三基兀被动铡距法腺理图 用相位差法测距公式为： r ：2 z r f d 2c o s 2ct(1-4) c ( 妒1 2 一伊2 3 ) 式中：，一信号频率；仍2 ，伊。一1 - 2 阵元，2 3 阵元的相位差a 三阵测距法也可看成双阵测距”，这是将1 - 2 阵，2 3 阵看成是两个分 裂阵，分别测出_ 2 ，f 2 ，按( 1 - 2 ) 式计算出方位角q ，q - 2 ，再按( 1 - 1 ) 计算 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目标距离，这里基线长度为矾若在理想条件下，三个阵测距精度约为双阵 测距精度的d 2 l ，d 是三阵等间隔布阵两阵中心间距。上是双阵测距是每个分 裂阵中心间距。由此可见，三阵测距比较优越，这就是目前国外被动测距常 用三阵测距的主要原因。 早期，东南大学研制了y t m 系统。y t m 系统的测量阵示意于图1 - 3 。 图1 3y t m 系统测量阵示意图 y t m 采用了由6 个阵元组成的水听器阵，它采用三点法定位，通过测量 目标信号到达基阵对角线上三个阵元的时延差，再由双曲面交汇得到目标点 坐标。y t m 系统的作用距离约为半径5 0 0 米的范围内，在3 0 0 米内相对定位 误差为3 ( 9 米) 。 本文研究的水下高速目标轨迹测量系统是为保证海上定型试验和科研试 验的质量而研制的。本系统需对高速运动目标进行三维实时定位，本系统的 测量阵类似于y t m 系统，是在此系统基础上的一个改进。 本论文的研究内容主要是高速目标轨迹测量系统中的水下部分，即浮标 内部实时信号处理，为高速目标的定位提供必要的参数，浮标布放在海面上， 必须采用电池供电，因此浮标系统应是一低功耗系统。故选择n 公司的节能 d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 来完成浮标内主要信号处理的算法及通信实现， 浮标的工作模式由测量船通过无线电遥控进行控制。浮标的主要功能可以概 述为： 1 ) 目标方位、直达声与反射声时延差等实时测量，并经无线电通信链将 这些测量结果送给船载系统。然后由船载系统进行被动定位解算。 4 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 2 ) 根据无线电遥控指令各浮标将所采集的所有原始声学数据、同步 d g p s 数据、方位仪数据以及传感器深度数据通过无线电上传给船载 系统唧。 l 。3 论文研究内容 本课题的研究内容主要是水下高速目标轨迹测量系统中浮标内部的实时 信号处理，为高速目标的定位提供必要的测量数据，因此浮标主要信号处理 算法包括以下几个方面的内容：背景噪声功率估计，界面多途测深算法、双 水听器目标深度测量原理、多普勒补偿时延差估计研究及直方图方位估计等 算法的研究及其在d s p 芯片内的软件实现。 论文的主要内容安排如下： 1 1 论文的选题意义、背景。 2 ) 该系统水声定位原理，包括目标深度测量和目标方位估计原理，其 中测深又包含了界面多途定深算法研究包括传感器多途测深、双水 昕器目标深度测量及中心浮标双阵元时延差估计测深原理，目标方 位估计原理包含平均声强器及直方图方位估计算法研究。 3 ) 上条所述的相关算法的仿真结果及实验数据分析。 4 ) 系统信号处理模块软件设计：在d s p ( t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ) 环境下开 发相关算法及数据传输通信的实现软件，并得到了硬件调试验证。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章被动目标水声定位原理 本高速被动目标轨迹测量系统需在短时间内对被动的运动目标迸行三维 实时定位。由于采用二维矢量传感器，即使采用三维矢量传感器也不能在海 洋中测量目标仰角，而在平面波或球面波声场中可以测量目标仰角。海洋中 存在界面，直达声和海面反射声是相干的，相当于声源和海面虚源发出的球 面波，对于没有线谱和没有线谱调制的连续谱辐射声，矢量传感器只能测量 声场合成声强流的仰角，而该角度既非声源仰角，也非虚源仰角。因而本系 统浮标内部采用中心浮标双水听器时延差测深和“多途定位”的方法测量目标 深度，而目标方位估计采用的是直方图互谱方位估计的方法。 2 1 浅海水下声信道 高速目标轨迹测量系统应用于浅海3 0 0 m 左右海深区域。典型的浅海声 信道主要包括浅海均匀声道、浅海表面声道、浅海负梯度声道和混合层声道。 浅海信道的特点在于其声传播明显地受海面和海底边界的影响，在分析浅海 声场时，除了考虑直达声以外，还必须考虑经过一次或多次海面、海底的反 射声线，接收点处的总的声场等于直达声和这些反射声的干涉叠加。 首先简介一下邻近海面的水下点源声场，若有一点源s 位于水平面下互 深度处，接收点r 位于坐标( x ，y ，z ) 处，位置如图2 1 所示。 对于不存在海表面的均匀介质无界空间，点源8 发射的各向均匀球面波 的声压表示为： p = l p 一鹏 ( 2 1 ) 式中蜀为声源s 与接收点r 之间的直线距离。( 2 1 ) 式满足波动方程和辐射 定解条件式( 2 - 2 ) 。 俨p 一专等= - - 4 x 8 ( 州e 埘 ( 2 - 2 ) 式中p 为各向同性球面波的声压，f 为水中声速，一为声压幅值。 6 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 图2 1 水下点源s 和虚源最形成的声场 当存在海面边界时，若把海面看成一自由平面，其边界条件为： p = 0( = = o ) ( 2 3 ) 为此根据镜反射原理引入一位于( 0 , - z 0 点上的虚源s ，总声场应由点源s 和 虚源s 共同组成，则声压为： p ：1p 一觚一土b 一肫 ( 2 4 ) 一 盖l马 式中 r l = x 2 + ，2 + ( z 一而) 2 ，r 2 = 石2 + y 2 + ( 二+ = 1 ) 2 。 当z = o 时，r ，= r ：。为了使( 2 - 4 ) 式满足z - - - - o 处的边界条件p = 0 ， 式中的第二项前面必须有一负号。显然，( 2 - 4 ) 式满足波动方程和其它定解 条件，因此，( 2 4 ) 式即为邻近海面的水下点源声场的解。 声场表达式( 2 4 ) 可看成直达声线艘和海面反射系数矿= j 的反射声线 s 震的声场叠加。即若将接收到的声线“拉直”，则这些声线是从源s 及其海 面镜象点s 直射到接收点r 的声线的叠加。在这里使用了球面波反射声压等 于平面波反射系数乘上球面波入射声压的关系，这对于反射系数等于常数的 平整海面来说是正确的。 从通信论的观点来看，复杂的海洋声多途信道可以看做一个随机的时变、 空变、线性滤波器“1 ，可以用多途信道的冲击响应函数来描述它的性质特征。 考察图2 2 所示的声源和接收点之间信道的本征声线和冲激响应函数，其中 目标与接收点间距，= 8 0 0 m ，海深h = 4 0 0 m ，声源深度乒= 1 0 0 m ，接收点 正k 深度为3 0 m 。图2 2 中左图为声速分布，横轴是声速，单位m s ，纵轴是 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 海深，单位m ；右图为本征声线，横轴是水平距离，单位m ，纵轴是海深， 单位m 。 在图2 2 中，浅海信道的多途性显而易见。虽然信道( 包括浅海信道) 是时变空变的随机信道，但从大多数应用场合来看，实验证明声信道可以看 作缓慢时变的相关多途信道。相干多途信道可用时不变滤波器来描述。 图2 2 浅海均匀声道本征声线分布 为了简便起见，采用射线声学的观点。声信号自声源发出，沿各不同途 径的声线到达接收点，总的接收信号是通过接收点的所有声线所传送的信号 的干涉叠加，沿第f 途径到达的信号幅度记为4 。，由声线计算可算得彳。的值， 且可以计算沿第i 途径到达的信号时延f 0 ；，忽略介质吸收的频率特性，假定 沿任何途径的声传播都没有色散现象，即意味着若声源发出一个万脉冲，则 沿着每个途径到达的信号将是一个延时了的j 脉冲，沿每个单独的传播途径 的声信号在传播过程中波形不变，因而相干多途信道的冲击响应函数为： 卫 h ( t ) = a , 6 ( t t o ，) ( 2 5 ) f = l 画出系统函数，如图2 3 所示。 图2 - 3 表明在图2 2 条件下只有直达声和海面反射声是重要的，它们的幅 度较大。故在本测量系统的算法中主要考虑到直达声和海面反射声的存在。 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 图2 3 浅海均匀声道的冲击响应函数 2 2 传感器多途测深原理 在界面多途算法中，利用测得的直达声、反射声时延差来进行目标定位。 利用各阵元的界面多途时延差和纯方位估计算法计算出来的水平坐标可以联 合估计出目标三维坐标”。利用双水听器界面多途则可以同时得到目标的水 平距离和垂直深度。 由上一节讨论可知，接收点处总的声场是由不同路径传播到达的声线干 涉叠加而成，各声线的强度差异很大。因为一次海底反射声较一次海面反射 声弱许多，它与直达声的相关峰值也就比海面反射声与直达声的相关峰相差 许多。只有当海深较浅( h l o o m ) ，且信噪比较高时才能检测到海底反射 声与直达声的相关峰，从而估算出直达声和海底反射声的时延差，否则这个 相关峰就常常会在作接收信号自相关时被相关函数的估计误差和噪声所掩 盖，故我们在在此系统的测深算法中忽略海底反射声的存在。 计算接收信号的自相关函数，可用来测量直达声和反射声的时延差f 。 在深海，海面反射声显著强于海底反射声。接收信号的自相关函数示于图2 4 。 图2 4 给出的是水昕器接收信号的自相关函数，正是利用直达声与海面一次 反射声的时延差来测深的。 9 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 眯 姆 篁 1 皿 水听器接受信号的自相关函数 。泌燃蝴心k 批- 时延差( 8 ) 图2 4 水听器接收信号的自相关函数 图中最强与次最强的两个相关峰值之间的时延差即为直达声与海面反射 声的时延差。今b = 2 0 0 0 h z ，相关峰的宽度为0 5 m s 。在较高信噪比时，时延 差测量精度可达到百微秒的量级。但由于多普勒的存在，对相关峰的测量将 带来严重的影响，特别是当多普勒增加到一定程度时( 仿真证明在5 0 以 上) ，图中两个相关峰将被展宽并淹没，这时就必须用到多普勒补偿技术。( 详 细讨论见2 5 节) 。 s ( r 。z ) 图2 5 目标深度测量原理几何图 图2 5 中r 为接收点，它的坐标为( o ，d i ) ，其虚像坐标为( o ，- d i ) ，目标 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s 的坐标为( r i ，z ) 。r i 由纯方位方法”2 h 1 ”给出。第i 号浮标测得的直达声与海 面反射声的时延差为订。则有： 2 + ( z - i - 谚) 2 一2 + ( z 一谚2 = ct l ( 2 6 ) 上式中为c 声速，z 为待求的目标深度。由( 2 6 ) 式可解得z 为： z = 乒簿 ( 2 7 ) 上式中旃和c 均为己知量。，f 可由纯方位算出，矗可由浮标测得，进而 可以计算出目标深度。 每个矢量传感器的声压或振速信号自相关函数均可提供时延差订的值， 求他们的平均值，然后求解z ，可提高测量精度。六元阵可求得z 的六个解， 经加权平均和数据融合可达到更高的测量精度。高速目标位数据提供了精确 的目标深度值，在平滑轨迹时是十分有用的。 2 3 双阵元虚源法测深原理 根据浅海声传播的特点，可利用二元声压阵和反射声虚源定位原理测量 目标深度和水平距离，即双阵元反射声定位原理”，具体如下： b o t t o m 图2 6 双水听器虚源法定位原理图 如图2 6 所示，假设在一深度z = m 、的浅海海域中，点声源位于s 处。 距海面日米；水听器1 位于a 点，距海面厅；水听器2 位于b 点，距海面( + d ) ， 二者构成垂直阵，阵元间距为d 。水听器阵和声源的水平距离为r 。 点源传至a 点的直达声的声程删= ，海面反射声的声程j 4 = 屹，到达 b 点的直达声的声程s b = 1 3 ，海面反射声的声程s ”4 = n 。则： f = r 2 + ( 魄- z ) 2 ( 2 8 ) 孑= ，2 + ( 啊+ 力2 ( 2 - 9 ) 芬= ，2 + ( 而2 一z ) 2 ( 2 - 1 0 ) 砰= r 2 + ( 而2 + z ) 2 ( 2 1 1 ) 对水听器1 而言，多途时延差为： q = 孚 ( 2 - 1 2 ) 水听器2 的多途时延差为： f ：生兰( 2 1 3 ) c 整理( 2 1 2 ) 式得到： c 2 f ? = 曙+ 干一2 ，2 ( 2 1 4 ) 2 r i r 2 = ，? + ，1 2 一c2 f ? ( 2 - 1 5 ) 两边平方： 2 r 1 2 巧= 巧+ 0 + c 4 f ? - 2 r 1 2 c 2 砰- 2 r 孑c 2 f ： ( 2 1 6 ) 将( 2 。8 ) 、( 2 7 ) 代入( 2 1 6 ) 式，经整理，得到： 等号左边 = 2 【r 2 + ( 啊一z ) 2 】【，2 + ( 啊+ z ) 2 】 = 2 p 4 + ，2 【( 啊一z ) 2 + ( 啊+ z ) 2 】+ ( 岛一力2 ( 。+ z ) 2 = 2 p 4 + 2 ，2 砰+ 2 ，2 2 2 + ( 砰一：2 ) 2 】 ( 2 1 7 ) 等号右边 ：p ：+ ( 啊一z ) ：】2 + 【，：+ ( 啊+ z ) ：】2 + c 4 r ? 一2 c 2 彳 2 + ( 啊一z ) 2 + ，2 + ( 啊+ z ) 2 】 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = ，4 + 群+ z 4 + 2 r 2 砰+ 2 红2 2 2 + 2 2 2 r 2 4 才寸一4 2 3 啊一4 如，2 + 4 2 2 砰 十r 4 + 研+ z 4 + 2 r 2 砰+ 2 砰z 2 + 2 2 2 r 2 + 4 棚+ 4 2 3 红+ 4 z h l r 2 + 4 2 2 砰 + c 4f ? - 4 c 2 f y - 4 c 2 f ? 砰一4 c 2 f ? z 2 = 2 r 4 + 2 h 4 + 2 2 4 + 4 r 2 砰+ 1 2 啊2 2 2 + 4 2 2 ，2 + c 4 彳? 一4 c 2 f ? ，2 4 c 2 f 并一4 c 2 f ? ：2 1 2 - 1 8 ( 2 1 7 ) 式= ( 2 1 8 ) 式，整理得到： 1 6 2 2 砰十c 4 f ? 一4 c 2 f ? ，2 4 c 2 f ? 砰一4 6 2 f ? = 2 = 0 ( 2 1 9 ) 1 2 ：盟生堕哗二! 丝丝( 2 - 2 0 ) 蜒l t ： 同理，将( 2 1 0 ) 式和( 2 1 1 ) 式代入( 2 1 3 ) 式中，可得： ，z ；燮44 塑冀罂二笠：垒! ：( 2 - 2 1 ) 4 c 2 f j ( 2 2 0 ) 式= ( 2 2 1 ) 式，得到：等式左边 等式右边 = 【c 4 订一4 c 2 砰砰+ ( 1 6 k a 2 4 c 2 f ? ) z 2 】1 4 c z = 4 c 2 【c 4 f m 一4 c 2 3 麓砰+ ( 1 6 h 1 2 z ；一4 c 2 3 7 r ；) z 2 】( 2 2 2 ) = 【c 4 f ：4 4 c 4 f ：2 q 2 心2 + ( 1 6 暖一4 c 2 f ；) 】4 c 2 砰 = 4 c 2 【c 4 f ：砰一4 c 2 3 知：2 2 + ( 1 6 , f i 2 f ；一4 c 2 r ；f ；) z z 】( 2 - 2 3 ) ( 2 2 2 ) 式= ( 2 2 3 ) 式，可得距离和深度的显式： 或： ，= 孚2 2m ( 4 暖_ c 2 咖塑谳祭( 2 - 2 4 ) z = ( 2 2 5 ) 妒受叫瓣一 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 孑= c q ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 该方法简单，易于在硬件上实现。解算深度和距离时只需在水下电子舱 中进行两次自相关运算，只要将时延差送给岸站的信号处理机就可以完成目 标距离和深度的测量，无需将声学原始数据传至主控计算机，从而大大减少 了无线电通信数据量，提高了系统的工作效率。这一点对高速运动目标的定 位硬件系统来说，是尤其重要的。 2 4 双阵元时延差估计测深原理 互相关时延估计是高速目标轨迹定位算法中的关键技术“卧”。在实时定 位算法中需要利用互相关测时延来估计目标深度，现场高精度定位算法中双 曲面交汇、界面多途定位都是以时延差的精确估计为基础的。目标高速运动 引起严重的多普勒频偏，给时延估计带来了困难。本系统中通过改进的互相 关器，在保证了时延测量精度的前提下，提高了互相关器抗多普勒影响的性 能。 高速目标尾迹停留在水中数十秒时间，它的位置是有异于高速目标的， 是高速目标轨迹测量的重要干扰。然而尾迹气泡声辐射集中于较高频段，为 防止高速目标尾迹的气泡声辐射的干扰，取低频段3 0 0 h z 2 0 0 0 h z 来进行互 相关时延估计。 本节讨论多途信道以及目标运动产生的多普勒对互相关时延估计的测量 精度的影响。 2 4 1 中心浮标的互相关时延估计 考虑中心浮标双阵元接收的离散信号模型为： 两o ) = j ( f ) + 啊o ) ( 2 2 8 ) x 2 ( f ) = s ( t d ) + 玎2 ( f ) ( 2 2 9 ) 1 4 叫瓣钡榻 乒轷 哈尔滨二r = 程大学硕士学位论文 式中，s ( f ) ，胛。( ，) ，n ：( r ) 为实的，联合平稳的高斯随机过程，d 为两接 收信号之间的时延。其中s ( f ) 为源信号，甩。( f ) ，一：( f ) 为加性噪声，且三者互不 相关。 确定时延d 的方法是通过计算而( f ) 和x 2 ( f ) 的互相关函数来实现的， ( 2 2 8 ) ，( 2 - 2 9 ) 式中两接收信号而( f ) 和x 2 ( f ) 的互相关函数为： 。k ( f ) = 毋t o ) 工z ( f ) 】= e p ( ，沁( ，一d ) 】 ( 2 3 0 ) = r 。( 一d ) 在上面的计算中，利用了j ( f ) ，( f ) 和t 1 2 ( f ) 三者的互不相关特性，设观测 时间为丁则对各态历经过程的互相关值为： r ( f ) = 击r 州f ) x 2 ( f f ) a t ( 2 3 1 ) ( 2 3 0 ) 式中，r 。( ) 是源信号的自相关函数。由自相关函数的性质可知： j r 。( f d ) l r 。( o ) ( 2 3 2 ) 即，当f = d 时，r 。( ) 或足。( ) 取得最大值，即此时x 。( d 和x ：( r ) 的相 似性最大，取 6 ：f ( 2 3 3 ) 盂( ) = m a ) 【 氏( f ) 】 ( 2 3 4 ) 作为时间延迟的估值，这就是互相关时延估计法。 当互相关函数的主极大峰很尖锐时，容易比较准确地求得峰值所对应的 位置，从而得到较为准确的时延估值。但是在实际应用中，由于噪声和信道 多途的影响，常使互相关函数出现多个较大峰值或无明显主极大蜂的情况。 这样由于难以确定主极大蜂的位置而使时延估计产生较大误差。必须设计一 专家系统进行判决分析”1 ，见2 4 2 节。 高速目标轨迹测量系统中，中心浮标垂直吊有两个阵元5 和6 。这两个 阵元的时延差测量是在中心浮标的信号处理器中实时进行互相关运算得到 的。由于目标产生的多普勒，互相关的时延差测量会受到影响。然而，由于 阵元5 和6 在高速目标原位的顶上方，所以对于轨迹起始段，二者的多普勒 系数差氏是很小的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 氏= a 5 - a 6 = ( 哥瓦一哥西6 ) c ( 2 - 3 5 ) ，为多普勒系数。 上式为点积运算，速度矢量哥为： 哥= 叱7 + q 7 + 屹云 ( 2 3 6 ) ( k ，v ，匕) 为三个速度分量，( 7 ，7 ，云) 为三个正交的单位矢量。声传播方 向单位矢量为面和元。 磊2 寻7 + 等了+ 寻云 ( 2 - 3 7 砰= ( x 一) 2 + ( j ，一只) 2 + ( 三一乃) 2 ( 2 - 3 8 ) 其中，冠为目标到第i 阵元的斜距。 对于5 ，6 阵元，将( 2 3 7 ) 式代入( 2 - 3 5 ) 式得到多普勒系数差为： 氏= 丢t c 去一寺c x 一屯h + 哇一寺c y 一乃n + 嗤一去一毛助( 2 - 3 9 ) 若取：毛= = 0 ，乃= y 6 = 0 ，则( 2 - 3 9 ) 式为。 驴丢譬一争匕( 2 - 4 0 ) 对于目标运行的初始段，目标处于中心浮标的正下方附近，所以有： 恐“( z 一毛) ，民m ( z 一磊) ( 2 - - 4 1 ) 由此可知，对于轨迹的初始段有： 喀6 a 0 ( 2 4 2 ) 因而在开始时，互相关器积分时间长度取为l o o m s ，此时可精确测定轨 迹，随着时间增加，多普勒系数差氏将增大，互相关积分时间长度随之减小， 并且依据测得的目标初始轨迹，估计目标速度矢量帚，并依据( 2 3 9 ) 式预 报多普勒系数差氏。中心浮标互相关器将实时补偿多普勒系数差，从而可精 1 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 确地跟踪估计时延差。上述运算在中心浮标中运行。一个专家系统用来判 决直达声对应的毛。 2 4 2 互相关时延估计专家系统 当互相关函数的主极大峰很尖锐时，容易比较准确地求得峰值所对应的 位置，从而得到较为准确的时延估值。但是在实际应用中，由于噪声和信道 多途的影响，常使互相关函数出现多个较大峰值或无明显主极大峰的情况。 这样就难以确定主极大峰的位置而使时延估计产生较大误差。本节根据实测 水文给出了以下仿真结果【1 2 1 。 用南海实测的声速分布计算出的海洋水声信道的冲激响应函数，和原信 号进行卷积，再对处理后的信号作相关分析，得到如下仿真互相关波形： 仿真条件为：目标在水下3 0 0 米，信噪比2 5 d b ，互相关积分时间2 0 0 m s ， 信号带宽1 0 0 h z 1 0 0 0 h z 。 从图2 7 中的四幅图可以看出，互相关波形可能出现一个、两个、三个、 四个或多个相关峰。这是由阵元与目标的相对位置以及海洋信道的条件决定 的。一般来说，相关峰的个数与目标深度有关。当目标在大深度处，反射声 的能量比直达声小很多并且时延量也比较大，因此可能出现的相关峰个数比 较少；当目标在浅深度处，反射声( 尤其是海面反射声) 与直达声的能量接 近，时延量也很小，因此可能出现的相关峰个数比较多。为了去掉伪峰带来 的干扰，设计了“专家系统进行判决”，可以从1 4 个峰中选出直达声与直达 声的相关峰。 经过大量仿真研究及经验确定判决准则如下： 1 ) 单峰即峰值对应的时间为估计值 2 ) 双峰或三峰选择第二个峰值 3 ) 四峰或四峰以上选择第三个峰值 4 ) 门限选定：选择最大峰的7 5 为门限。 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 ( a ) 互相关波形一单峰 ( b ) 互相关波形一双峰 1 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( c ) 互相关波形三峰 ( d )互相关波形四峰 图2 7 多途信道中的互相关波形 2 4 3 双曲面交汇被动定位算法简介 双曲面交汇被动定位用于船载系统的事后信号处理技术上，为了更加清 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 楚地介绍利用双阵元时延差估计用于目标深度的测量，这里对双曲面交汇技 术作一简要的概述。 设目标位置为( x ，y ，z ) ，六个阵元的坐标位置已知为( x j ，乃，) ( f = 1 2 6 ) ， 由f 、j 阵元测得的时延差l ，可得定位方程： o 一五) 2 + 一只) 2 + ( z 一弓r 一 一薯) 2 十( y 乃) 2 + ( z 一弓) 2 = 。巧( ，= 1 ，z 回 ( 2 - 4 3 ) 其中吃= t f ，f j 为从声源到阵元f 的传播时延，c 为声速。 说明目标位置在( 2 4 3 ) 式确定的双曲面上，将( 2 - 4 3 ) 式移项平方得 2 a x j l x + 2 a y j y + 2 a z j j + r 1 2 一吩2 一c 2 乃2 = 2 c r o 一_ ) 2 + ( y 一乃) 2 + o 一乃) 2 1 ( a x j x + 缈y + a z j t z + a v ) = o ( f ，) ( 2 - - 4 4 ) 其中： 缸i 1 5 x i x l ，弩j t = y 广y i ，2 i 2 z j z 铲坚乓望 ，= ，= 厄i 万石万面 对于阵元扛1 , 2 ，5 ，z l = z 2 z 3 z 4 z 5 ，& = 0 ，( 2 - 4 4 ) 式变为 瓦1 ( 缸一x + 缈一y + 山) = 。 ( 2 - 4 5 ) 同理，由，、k 阵元测得的时延差可得 去( 嘞h 坳+ 如) = & ( 2 - 4 6 ) ( 2 - 4 5 ) 一( 2 4 6 ) 得到： 铬一静x + 一a y k j t ) y + 一嘞a j k ? 嘶( 2 - 4 7 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 从上式可以看出，目标位于通过任两组阵元间时延差r 矿r ，。确定的两个 双曲面交汇得到的曲线上。1 5 号阵元深度相同，因此从其中任取出两组时 延差确定的方程即可求出目标位置的水平坐标( x ，y ) 。i j k ，共有4 个独 立方程式，可求得3 组独立解( z ，y ) 。 将3 组解求平均得： 1313 童= 专以，夕= 专儿 ( 2 4 8 ) 由( 2 - 4 7 ) 式可以看出，要解出( z ，y ) 至少需要三个独立的时延差，所以 在选择时延差时要注意：所选的时延差要相互独立( 即不能构成封闭回路) 。 例如，在图2 8 中选择f 1 ：、和r 4 ，可以得到两个独立的方程求解。但 是如果选择1 2 、吃5 和毛l ，由于1 2 + f 2 5 + r 5 l = f l 一乃+ 吃一r 5 + r 5 一q = 0 ， 就只有两个时延差是相互独立的。 图2 8 分布解析图 把求得的( x ，y ) 坐标代入到含有第6 号阵元( 与其他五个阵元不在同一平 面上) 的双曲面交汇曲线方程中去可以求得目标的深度坐标z 。中心浮标上 安装了5 、6 两个阵元，他们有相同的水平坐标即a x 。= 缈。= 0 ，可以使双 曲面方程得到简化。依据目标辐射到达中心浮标阵元6 和5 的时延差，可 计算目标的深度z 。 对于i = 5 ，= 6 ，( 2 3 6 ) 式双曲面方程变为： ( x 一墨) 2 + ( y 一肚) 2 + ( z z s ) 2 一i 工一) 2 + o ，一儿) 2 + ( z 一气) 2 = c r s 6 2 1 ( 2 4 4 ) 式变为： & 6 5 z + 鸣6 - - - - c r 5 6 o 一) 2 + ( ) ，一) 2 + ( z - z 6 ) 2 ( 2 - 4 9 ) 对( 2 - 4 9 ) 式移项平方，得： 嘉i z 6 5 ) 2 2 2 + a 5 6 2 + 2 & 6 5 4 6 z 】_ o x 6 ) 2 + o 一) 2 + z 2 2 z 。z + z 6 2 隧c 2 t 5 6 2 十+ ( 等城卜筹七吨严旷蹦2 七s 灶。 ( 2 5 0 ) 令 p ( z 6 5 ) 2 斗口( 警线卜 鲁一( x x 6 ) 2 一( ) ，一y 6 ) 2 2 6 2 = ， 则( 2 5 0 ) 式改写为： 韶2 + 尼+ ，= 0 ( 2 5 1 ) 由( 2 5 1 ) 式，得到目标深度z 的解为： 7 ：二生圭壁2 二! 竺 ) 一a ，h 2 之万一( 2 - 5 2 ( 2 5 2 ) 式是双解，只有一个满足物理真实，须经判决取其中之一。判决规 则为： 若z a 、毛均大于o 。z = z 毕，f o ( 2 5 3 ) = 丁z 6 + z 5 ，i f t 5 6 o o ，y ) 坐标纯方位估计在船载系统中运算，所以得( x ，y ) 坐标须经无线电 通信链送中心浮标。在初始轨迹阶段，目标处于低多普勒差区域，y ) 坐标 可由中心浮标自行计算。用纯方位及双水听器界面多途定位方法计算水平距 离r 和深度z ，由矢量传感器测定目标方位，从而得到( x ，y ，z ) ，由通信链送 哈尔滨工程大学硕士学位论文 船载系统。 2 5 多普勒补偿时延差估计分析 声呐载体和目标作相对运动时，接收点的信号波形与辐射波形相比较在 时问上将被压缩或拉伸，前者对应于互相靠近时，后者对应于互相远离时， 这一现象就称为多h 勒现象【l 】。 由于多普勒的存在，使得作自相关时延估计时，相关峰降低并展宽将被 淹没。大量的仿真结果证明，当多普勒系数差小于5 o 时，多普勒对时延差 估计的精度影响不大，随着多普勒系数差的增加，相关峰降低并展宽将被淹 没，采用多普勒补偿的方法可有效的克服多普勒的影响，具体原理如下： 时域上传感器测得的声压信号的自相关函数： & ( f ) = l o l i ( t ) + p ( f ) 】 。f 埴( f + f ) 十，p + f ) 】 = 扛( f ) + 一s 【( 1 + 磊) f b ( f + r ) + 爿s 【( 1 + 磊x f + r ) 叶 = 而；丽+ 忑盱葡蕊f 硼+ 而面肝习币) 】+ 石而忑丽 7、 相关峰重合 冶多普勒差 ( 2 5 4 ) 假定海面反射系数与系数无关，但是直达声反射声系数差为瓯，上式中 前两项不受多普勒影响，对应主峰，后两项由于多普勒影响峰值将变小。 在实际的工程运算中，在不进行多普勒估计的情况下，为补偿多普勒， 声压中经a d 后的数字信号复制为两路，其中一路加上人为的多普勒占，即 使得，：= 。( 1 + 回t 互相关冗“为： r 一( f ) = 【p 直( f ) + p 反( f ) 】融直d o + f ) + p 反d ( ，+ f ) 】 = s ( t ) s l o + 8 x t + r ) + a ：s ( 1 + 8 0 ) t s 0 + 8 0 ) ( 1 + 8 x t + r ) + a s ( t ) s o + 8 0 x 1