一种多目标定位系统宽带分配及自适应宽带复用技术

一种多目标定位系统宽带分配及自适应宽带复用技术

0超声定位的影响海洋是人类的资源储存所。19世纪以来，人们越来越受到重视使用、开发和保护海洋。国际上一般使用声学定位系统对目标物进行定位，水声信号的频率受器件（水听器，换能器）参数的影响，并且由于水下声波传输距离与频率密切相关，波长越长，声波传输距离越长。通常在声波的带宽在一个有限的范围之内。较大的带宽可以增强系统的抗噪以及抗多途能力目前国内的通用水声定位跟踪系统主要是通过码分多址技术同时对水下多个目标进行实时定位1本文件的方法1.1带宽划分设计采用LFM信号LFM信号又称为鸟声（Chirp）信号，在水下定位中具有广泛的运用，其时域表达式如下：图1(a）、（b）所示分别为其时域图像和频域图像。图2所示为LFM信号的功率谱密度（PSD）图。从LFM信号的时域表达式，时域图像，频域图像，及其功率谱密度图可以发现信号的瞬时频率随时间呈线性变化根据器件（水听器，换能器）的性能参数以及声音频率与其在水中传播距离的关系，计算LFM信号的最大频率范围。根据水下待定位目标的数量，依照上述方法将信号带宽划分为多个不同频段，每个待定位目标选择其中一个频段，按照其选择的频段发射相应的LFM信号。依照频带划分情况设计相应的匹配滤波器。接收基阵通过匹配滤波器的滤波结果区分各个信号，从而识别不同水下待定位目标。1.2峰之间的比值定义一个参数P，其物理意义是信号经过匹配滤波器后，信号尖峰与次尖峰之间的比值。主要用来表征信号受干扰地严重程度。这样定义的原因：在水声定位中，受多途效应影响，声音信号在不断的反射，形成相干叠加，导致水面基阵接收到含有多个尖峰的信号。这里假设最高峰为直达声1.3带宽信号接收将频率带宽线性划分，会导致信号的带宽下降，继而致使信号的抗噪抗多途能力具体步骤如下。1）水面基阵在接收到经过匹配滤波器滤波的信号之后，计算各个信号的P值，当发现P的值接近于1时，发送相应的调整信号。2）水下各个待定位目标在接收到调整信号后，调整自身的频带，发射相应频带的LFM信号。假设换能器，水听器及水声传播距离要求频率范围20～32kHz，将其均分为3个频段，每个频段带宽均为4kHz。假设1号水下待定位目标其LFM信号频段为20～24kHz,2号水下待定位目标其LFM信号频段为24～28kHz,3号水下待定位目标其LFM信号频段28～32kHz。3个目标在水下作业的过程中，不断发射相应频带的LFM脉冲，水面基阵在接收的过程中，计算其接收信号的P值，假设1号水下待定位目标发射信号的P值接近于1时，水面基阵发出一个信号指示1号水下待定位目标提高带宽，其他目标减小带宽。假设每次带宽的增加值为500Hz,1号水下待定位目标接收到该信号时，将自身发射的LFM信号频率变为20～24.5kHz,2号水下待定位目标接收到该信号时，将自身发射的LFM信号频率变为24.5～28.25kHz,3号水下待定位目标接收到该信号时，将自身发射的LFM信号频率变为28.25～32kHz，这时3个待目标继续发射LFM信号，若1号目标的P值依然接近于1，则继续上面的操作。该方法可以通过P值动态地调整水下待定位目标的带宽，当P值接近于1时，发射信号通知水下目标调整自身频带，通过增大频带，增强信号的抗噪抗多途能力，P值增大。2实验与结果分析2.1匹配滤波器设计根据器件（水听器，换能器）的性能参数以及声音频率与其在水中传播距离的关系，计算其能正常工作的最大频率范围的LFM信号。现假设最大频率范围是20～32kHz。假设在时域上将LFM信号分为4个不同的频段，每个待定位目标选择其中一个频段，然后设计相对应的匹配滤波器。根据LFM脉冲频段设计4个匹配滤波器系数，如图3所示。匹配滤波器其本质是计算匹配滤波器系数与接收信号的相似程度，从图3可以看出匹配滤波器系数图像与接收信号在时域上的波形一致。图4所示为分别是4个信号经过4个不同的匹配滤波器滤波的结果。从图4可以看出不同信号在经过不同的匹配滤波器之后，只对其相应的匹配滤波器敏感，而经过其他匹配滤波器之后的信号非常微弱，基本被噪声淹没。通过频域线性分割已经可以实现多个水下待定位目标区别，但其信号带宽较窄，抗噪能力较弱。需要根据P值动态地通过调整信号的频带范围。2.2试验测试结果本实验测试是在一个长16m、宽8m、深6m的水池中进行的。水下待定位目标发出自身频段的LFM信号，水面定位基阵以一块高性能的FPGA作为核心，由于FP-GA拥有较高数据吞吐速度本实验同时对水下两台待定位目标进行实时定位。图5(a）、（b）所示分别是水下带定位目标和水面基阵的工作流程。图6(a）、（b）所示分别是水下待定位目标所携带的信号处理模块实物，水面基阵所携带的信号处理模块实物。基本实验方案：频率最大范围为20～32kHz，将频率分为20～26kHz,26～32kHz两个部分。1号水下待检测目标使用的频段为20～26kHz，二号水下待检测目标使用的频段为26～32kHz。两个目标在作业的过程中，根据P的值实时的调整频带的范围。图7(a）、（b）所示为1号待定位目标，2号待定位目标作业过程中在两个匹配滤波器上的滤波结果。可以发现1号目标发出的信号在经过两个匹配滤波器，只在第一个滤波器上展现出了很高的敏感度。2号目标发出的信号在经过两个匹配滤波器，只在第2个滤波器上展现出了很高的敏感度。表1、2所示分别为1号和2号水下待定位目标实测数据结果。从表1、2可以看出，各个信号在其目标滤波器上展现出了很高的尖峰且P值均大于1，而在非其匹配滤波器上几乎不敏感，可以区分各个水下待检测所发出的信号并寻找到信号直达峰。3实验结果分析本文针对多目标水下定位系统带宽难以合理分配的问题，提出了一种新的