CN101603832B - 一种广播式多用户自主水声导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水声导航领域，是一种广播式多用户自主水声导航方法，该方法的组合发射信号由双曲调频脉冲、单频脉冲、编码信号构成，发射端利用三元等间距发射线阵周期性的发射三路不同的组合信号；每个水下用户端分别利用一路水听器接收信号，估计水下导航用户相对于发射阵的多普勒频移，测量三路编码信号到达接收水听器的声传播时延差，计算出导航用户相对于发射阵的方向、距离和运动速度，并绘制出水下运动轨迹，实现自主水声导航功能。接收端只接收信号，估计声信号的传播时延差时，采用了谱相关处理，避开了分辨直达波、反射波的难题。本发明的优点：测量精度非常高，计算量小，可推广应用到水下对接引导、水下自动回收导航、水下作业定位等领域。

Description

一种广播式多用户自主水声导航方法

所属技术领域

本发明涉及水声导航领域，是一种广播式多用户自主水声导航方法。

背景技术

随着海洋资源的开发和国防建设的需要，在水下对接引导、水下打捞定位、UUV/AUV回收导航、两栖装甲装备入舰导航等应用场合下，越来越迫切地希望能够对水下近距离目标作高精度导航，并且希望多个水下用户能同时作自我导航，即类似于GPS作广播式导航。目前，国外近距离导航定位系统主要是短基线系统和超短基线系统。法国Ixea公司、英国Sonardyne公司、挪威Kongsberg Simard公司的商用短基线定位系统均采用应答方式进行定位、导航，均有一定的多目标定位能力，区别多目标的方式多采用划分窄频带，其优点是简单易行，其缺点是未能充分利用可用的工作带宽，支持的目标数目有限。

国内从事水声定位导航的哈尔滨工程大学研制了GRAT系统，主要应用于鱼雷靶场的鱼雷跟踪，定位原理是测量脉冲从目标声源传播到各接收浮标阵元的时延差，采用球面交汇来确定目标在发射时刻的水平位置，深度信息通过双脉冲深度遥测解码获得。该系统硬件设备较复杂，安装孔径很大，运动体不能对自身进行定位，且很难同时对多个目标定位。

发明内容

本发明的目的是针对近距离范围内多个水下用户自主导航的需求，提供一种广播式多用户自主水声导航方法，通过该导航方法，各水下用户能够实时自主测量相对于发射阵的方向、距离和运动速度，解决诸如UUV/AUV自动回收导航、水下打捞导航、两栖装甲装备入舰导航等多目标高精度水声导航难题，实现一个发射基阵下多个用户同时作水声导航的广播式导航模式。

为了实现上述目的，本发明提供这样一种广播式多用户自主水声导航方法：利用三元阵循环发射导航信号，每个水下用户只安装单路接收水听器，对接收信号作处理，测量三路导航信号传播到水听器的时延差，继而估计水下用户相对于发射阵的方向、距离和运动速度的方法。由于水下用户只接收信号作被动导航定位，避免了串音和多频带来的问题，故在一个发射基阵下多个水下用户能够同时作自主导航，实现广播式多用户的高精度水声导航。水下用户的相对方向、距离和运动速度是通过如下步骤得到：

步骤一：生成并发射三路组合发射信号

三元等间距发射阵的发射信号是组合信号，由双曲调频脉冲、单频脉冲和编码信号组成，其中，两侧换能器的发射编码信号，中间换能器的发射信号：双曲调频脉冲+单频脉冲+编码信号。双曲调频脉冲具有好的多谱勒宽容性，其作用是快速找到后续脉冲信号的到达时刻点；单频脉冲的作用是估计多谱勒频移；三路编码信号的自相关性较好，互相关性较差，有多种编码方式，它们的发射时刻完全相同，即同步发射，主要用于估计声信号到达接收水听器的传播时延差。

在发射端利用三路特性相同的功放作输出功率放大，再通过三只宽带换能器分别将这三路信号向水下循环发射，直到水下用户导航任务结束。

步骤二：估计各脉冲信号的到达时刻点

在接收端利用水听器接收导航信号，再通过信号调理、模数转换，获取数字信号，并送至计算处理中心。作数字信号处理时，预先生成双曲调频脉冲信号，作快速傅立叶变换(FFT)得到频域拷贝信号C_H，将水听器输出信号分割成若干批，相邻数据分别重叠50％，设共有M批数据，对每批数据作FFT得到频域信号

，再作匹配滤波得到相关系数：

$Y_H^m=\left|\mathrm{ifft}(X_H^m\·C_H^{*})\right|,(m=\mathrm{1,2},...,M)$

最大相关系数所对应的点即为双曲调频脉冲的达到时刻点，继而根据发射信号的组成推算出单频脉冲和编码信号的到达时刻点。

步骤三：估计多谱勒频移

从水听器输出信号中截取单频脉冲数据段x_C，调制到基带并降采样后作FFT得到X_C，计算其功率谱：

$P_C=X_C\·X_C^{*}---\left(2\right)$

在发射信号频率附近区域内，功率谱P_C的峰值所对应的频率即为单频脉冲的实际频率f_t，计算单频脉冲的发射频率f₀与实际频率f_t之间的频移Δf：

Δf＝f_t-f₀                           (3)

该多谱勒频移由水下用户与发射阵之间的相对运动引起，它们之间的相对运动速度v：

$v=\frac{\mathrm{\Δfc}}{f_0}---\left(4\right)$

其中，c为水声的传播速度。若相对运动速度v为正，表示水下用户正靠近发射阵，否则表示远离发射阵。

步骤四：估计编码信号的传播时延差

在不同多谱勒频移下生成三路编码信号的频域拷贝向量集{C₁ ¹，C₁ ²，…，C_N ¹，C₁ ²，C₂ ²，…，C_N ²，C₁ ³，C₂ ³，…，C_N ³}，从水听器输出的每批信号中截取混合编码信号，作FFT得到X_m，设步骤三计算出的多谱勒频移Δf对应了拷贝信号集中的第n个拷贝向量，以此为中心分别向左向右选择K个拷贝向量，得到当前快拍下三路编码信号的拷贝向量组合{C_n-K ¹，…，C_n ¹，…，C_n+K ¹，C_n-K ²，…，C_n ²，…，C_n+k ²，C_n-K ³，…，C_n ³，…，C_n+K ³}，作匹配滤波，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_k^1=\left|\mathrm{ifft}(C_k^1\·X_m^{*})\right|\\ Y_k^2=\left|\mathrm{ifft}(C_k^2\·X_m^{*})\right|\\ Y_k^3=\left|\mathrm{ifft}(C_k^3\·X_m^{*})\right|\end{array}\right.,k=n-K,...,n,...,n+K---\left(5\right)$

然后分别从Y_k ¹，Y_k ²，Y_k ³中选择峰值最大的相关谱Y¹，Y²，Y³，并以第2路相关峰的时刻点为中心从这三条相关谱中截取一小段谱，得到Z¹，Z²，Z³，由于三路信号的声传播特性极相似，三路相关谱的多路径特征也非常相似，故作Z¹，Z²和Z²，Z³间的谱相关，计算三路编码信号间的传播时延差τ₁₂，τ₂₃，τ₁₃。

步骤五：估计相对距离和相对方向

设三元发射线阵的阵元间距为d，水下用户距第2个发射换能器的距离为

，水下用户与三元发射阵法线的夹角为

，则有：

步骤六：后置处理及显示

初步判断相对距离

和相对方向

是否有效，例如当目标距离过大或小于0，相对方向余弦值的绝对值超过1等情况下，估计结果均与实际应用情况不符，将它们视为野值并剔除。

经过野值预剔除后，连续存储M+1批相对方向的估计结果，构建一个M+1个元素的样本集，计算样本集的均方差，由于小段时间内水下用户的相对方向不可能变化太大，当均方差小于某一个门限时，说明所有样本都有效，剔除样本集中最早时刻的样本，对剩余M个样本作后置平滑处理；若均方差大于某一个门限，说明其中某一个样本已经属于野值，比较各个值与均值的偏差，剔除偏差最大的值，如果剔除的样本不是第M+1个样本，则认为第M+1个样本是有效的，并对剩余的M个样本作后续的平滑处理，否则中止后续平滑处理。以此类推，每当接收端估计出一个新的相对方向后，作类似处理。

得到了剔除野值后的M个样本后，为了进一步提高估计精度，尤其是距离估计精度，分别对这些样本对应的相对方向和相对距离作加权平均处理，得到当前快拍下的估计方向和估计距离。将后置处理过的结果及时显示到显示屏上，并绘制用户的相对航行轨迹，实现用户自主水声导航功能。

本发明的优点在于：

1、水下用户只接收信号，不向外发射信号，故多个水下用户能够同时作自主水声导航，即广播式导航模式，如果不考虑声阻挡和声反射，该方法理论上可允许无穷多个用户同时作导航；

2、多个水下用户共用一个频带资源，极大地提高了水声带宽资源的利用效率；

3、在声场传播情况比较复杂的水声环境下，能够准确估计出三路信号的到达时延差，克服了声线多路径传播引起的误差；

4、算法计算量小，参数估计精度高。

附图说明

图1是该自主水声导航方法的功能模块框图。(图中1：发射端，2：接收端，3：三路宽带信号，4：功放，5：宽带发射换能器，6：基阵架，7：三元发射基阵，8：接收水听器，9：信号调理器，10：模数转换器，11：数字信号处理及控制中心，12：显示器)

图2是该自主导航方法的原理实验结果。

图3是三路发射信号的组成及结构。

图4数字信号处理的流程框图。

图5是各路m序列编码信号的多谱勒补偿的处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步说明：

本发明所述的这种广播式多用户自主水声导航方法，包括发射端和接收端。

发射端：

三元等间距发射阵周期性的发射组合脉冲信号，它们由双曲调频脉冲、单频脉冲和m序列编码信号组成，其中，两侧换能器的发射m序列编码信号，中间换能器的发射信号：双曲调频脉冲+单频脉冲+m序列编码信号。设发射信号的周期为T_o，调频脉冲的长度为T_HFM，单频脉冲的长度为T_PCW，m序列宽带脉冲的长度为T_m，等待时间为T_WAIT，见图3所示。接收端：

对水听器的输出信号作数字信号处理时，采用了批处理方式，每批数据的时间长度T_SEG略大于发射周期T_O与组合发射信号长度(T_HFM+T_PCW+T_m)的和。接收数据的处理流程框图见图4所示，预先生成双曲调频脉冲的频域拷贝信号C_HFM后，取每批数据的前(T_O+T_HFM)长的数据，作匹配滤波估计双曲调频脉冲的达到时刻点，继而推算出单频脉冲和m序列编码信号的到达时刻点。

根据估算出的单频脉冲的相对到达时刻点，从每批数据中截取单频脉冲数据段，作FFT计算其功率谱P_C，并估计出单频脉冲的实际频率f_t，计算单频脉冲的发射频率f₀与实际频率f_t之间的频移Δf

Δf＝f_t-f₀                       (1)

该多谱勒频移由水下用户与发射阵之间的相对运动引起，它们之间的相对运动速度v：

$v=\frac{\mathrm{\Δfc}}{f_0}---\left(2\right)$

其中，c为水声的传播速度。若相对运动速度v为正，表示水下用户正靠近发射阵，否则表示远离发射阵。

在不同多谱勒频移下生成三路m序列编码信号的频域拷贝向量集{C₁ ¹，C₂ ¹，…，C_N ¹，C₁ ²，C₂ ²，…，C_N ²，C₁ ³，C₂ ³，…，C_N ³}，从水听器输出的每批信号中截取m序列编码信号，作FFT得到X_m，设上面计算出的多谱勒频移Δf对应了拷贝信号集中的第n个拷贝向量，以此为中心分别向左向右选择K个拷贝向量，得到当前快拍下三路m序列编码信号的拷贝向量组合{C_n-K ¹，…，C_n ¹，…，C_n+K ¹，C_n-K ²，…，C_n ²，…，C_n+K ²，C_n-K ³，…，C_n ³，…，C_n+K ³}，作匹配滤波，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_k^1=\left|\mathrm{ifft}(C_k^1\·X_m^{*})\right|\\ Y_k^2=\left|\mathrm{ifft}(C_k^2\·X_m^{*})\right|\\ Y_k^3=\left|\mathrm{ifft}(C_k^3\·X_m^{*})\right|\end{array}\right.,k=n-K,...,n,...,n+K---\left(3\right)$

然后分别从Y_k ¹，Y_k ²，Y_k ³中选择峰值最大的相关谱Y¹，Y²，Y³，各路m序列编码信号的处理流程见图5所示。以第2路相关峰的时刻点为中心，分别从这三条相关谱Y¹，Y²，Y³中截取一小段谱，得到Z¹，Z²，Z³，作Z¹，Z²和Z²，Z³间的谱相关，精测m序列编码信号的传播时延差τ₁₂，τ₂₃，并计算出Z¹，Z³间的时延差τ₁₃：

τ₁₃＝τ₁₂+τ₂₃                        (4)

设三元发射线阵的阵元间距为d，水下用户距第2个发射换能器的距离为

，水下用户与三元发射阵法线的夹角为

，则有：

初步判断相对距离和相对方向

是否有效，例如当相对距离过大或小于0，相对方向余弦值的绝对值超过1等情况下，估计结果均与实际应用情况不符，将它们视为野值并剔除。

经过野值预剔除后，连续存储M+1批相对方向的估计结果，构建一个M+1个元素的样本集，计算样本集的均方差，由于小段时间内水下用户的相对方向不可能变化太大，当均方差小于某一个门限时，说明所有样本都有效，剔除样本集中最早时刻的样本，对剩余M个样本作后置平滑处理；若均方差大于某一个门限，说明其中某一个样本已经属于野值，比较各个值与均值的偏差，剔除偏差最大的值，如果该剔除的样本不是第M+1个样本，则认为第M+1个样本是有效的，并对剩余的M个样本作后续的平滑处理，否则中止后续平滑处理。以此类推，每当接收端估计出一个新的相对方向后，作类似处理。这种野值剔除方法的前提条件是绝大多数相对方向的估计值是有效的，只出现极少数的野值。尽管该方法在刚开始时不能全部剔除M个样本中的野值，随着新的估计结果不断更新样本集，样本集中的野值很快被全部剔除。

得到了剔除野值后的M个样本后，为了进一步提高估计精度，尤其是距离估计精度，分别对这些样本对应的相对方向和相对距离作加权平均处理，得到当前快拍下的估计方向和估计距离。将后置处理过的结果及时显示到显示屏上，并绘制用户的相对航行轨迹，实现水下用户自主导航功能。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种广播式多用户自主水声导航方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：

步骤一：生成并发射三路组合发射信号

三元等间距发射阵的发射信号是组合信号，由双曲调频脉冲、单频脉冲和编码信号组成，其中，两侧换能器发射编码信号，中间换能器发射的信号是双曲调频脉冲+单频脉冲+编码信号；三路编码信号的发射时刻完全相同，即同步发射，用于估计声信号到达接收水听器的传播时延差；

在发射端利用三路特性相同的功放作输出功率放大，再通过三只宽带换能器分别将这三路信号向水下循环发射，直到水下用户导航任务结束；

步骤二：估计各脉冲信号的到达时刻点

在接收端利用水听器接收导航信号，再通过信号调理、模数转换，获取数字信号，并送至计算处理中心；作数字信号处理时，预先生成双曲调频脉冲信号，作快速傅立叶变换FFT得到频域拷贝信号C_H，将水听器输出信号分割成若干批，相邻数据分别重叠50％，设共有M批数据，对每批数据作FFT得到频域信号

再作匹配滤波得到相关系数：

$Y_H^m=\left|\mathrm{ifft}\left(X_H^{m}g{C}_H^{*}\right)\right|(m=\mathrm{1,2},L,M)---\left(1\right)$

最大相关系数所对应的点即为双曲调频脉冲的达到时刻点，继而根据发射信号的组成推算出单频脉冲和编码信号的到达时刻点；

步骤三：估计多谱勒频移

从水听器输出信号中截取单频脉冲数据段x_C，调制到基带并降采样后作FFT得到X_C，计算其功率谱：

$P_C=X_{C}g{X}_C^{*}---\left(2\right)$

在发射信号频率附近区域内，功率谱P_C的峰值所对应的频率即为单频脉冲的实际频率f_t，计算单频脉冲的发射频率f₀与实际频率f_t之间的频移Vf；

Vf＝f_t-f₀                          (3)

该多谱勒频移由水下用户与发射阵之间的相对运动引起，它们之间的相对运动速度v：

$v=\frac{\mathrm{Vfc}}{f_0}---\left(4\right)$

其中，c为水声的传播速度。若相对运动速度v为正，表示水下用户正靠近发射阵，否则表示远离发射阵；

步骤四：估计编码信号的传播时延差

在不同多谱勒频移下生成三路编码信号的频域拷贝向量集

从水听器输出的每批信号中截取混合编码信号，作FFT得到X_m，设步骤三计算出的多谱勒频移对应了拷贝信号集中的第n个拷贝向量，以此为中心分别向左向右选择K个拷贝向量，得到当前快拍下三路编码信号的拷贝向量组合

作匹配滤波，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{Y}_k^1=\left|\mathrm{ifft}\left(C_k^{1}g{X}_m^{*}\right)\right|\\ Y_k^2=\left|\mathrm{ifft}\left(C_k^{2}g{X}_m^{*}\right)\right|\\ Y_k^3=\left|\mathrm{ifft}\left(C_k^{3}g{X}_m^{*}\right)\right|\end{array}\right.k=n-K,L,n,L,n+K---\left(5\right)$

然后分别从

中选择峰值最大的相关谱Y¹，Y²，Y³，并以第2路相关峰的时刻点为中心从这三条相关谱中截取一小段谱，得到Z¹，Z²，Z³，由于三路信号的声传播特性极相似，三路相关谱的多路径特征也非常相似，故作Z¹，Z²和Z²，Z³间的谱相关，计算三路编码信号间的传播时延差τ₁₂，τ₂₃，τ₁₃；

步骤五：估计相对距离和相对方向

设三元发射线阵的阵元间距为d，水下用户距第2个发射换能器的距离为

水下用户与三元发射阵法线的夹角为

则有：

$\stackrel{)}{R}=\frac{{2d}^2-c^2({\mathrm{\τ}}_{12}^2-{\mathrm{\τ}}_{23}^2)}{2c({\mathrm{\τ}}_{12}-{\mathrm{\τ}}_{23})}---\left(6\right)$

$\stackrel{)}{\mathrm{\θ}}={\cos }^{-1}\left[\frac{{\mathrm{cd}}^2{\mathrm{\τ}}_{13}-c^3{\mathrm{\τ}}_{12}{\mathrm{\τ}}_{23}{\mathrm{\τ}}_{13}}{{2d}^3-c^{2}d({\mathrm{\τ}}_{12}^2+{\mathrm{\τ}}_{23}^2)}\right]---\left(7\right)$

步骤六：后置处理及显示

初步判断相对距离和相对方向是否有效，进行野值预剔除，连续存储M+1批相对方向的估计结果，构建一个M+1个元素的样本集，计算样本集的均方差，当均方差小于某一个门限时，说明所有样本都有效，剔除样本集中最早时刻的样本，对剩余M个样本作后置平滑处理；若均方差大于某一个门限，说明其中某一个样本已经属于野值，比较各个值与均值的偏差，剔除偏差最大的值，如果剔除的样本不是第M+1个样本，则认为第M+1个样本是有效的，并对剩余的M个样本作后续的平滑处理，否则中止后续平滑处理；以此类推，每当接收端估计出一个新的相对方向后，作类似处理；

得到了剔除野值后的M个样本后，分别对这些样本对应的相对方向和相对距离作加权平均处理，得到当前快拍下的估计方向和估计距离，将后置处理过的结果及时显示到显示屏上，并绘制用户的相对航行轨迹。

2.根据权利要求1所述的广播式多用户自主水声导航方法，其特征在于：在自主水声导航方法的信号处理周期中，作数字信号处理时，采用了批处理方式，每批数据的时间长度略大于发射周期与组合发射信号长度的和，确保该段数据至少一次能完整接收到三路宽带脉冲，每批数据处理的处理时间必须小于该段数据对应的时间。

3.根据权利要求1所述的广播式多用户自主水声导航方法，其特征在于：在自主水声导航方法的传播时延差估计中，三元发射阵所在水域的水文条件接近，水声定位信号的声传播信道相似，声信号的多路传播径特征极其相似，通过对匹配滤波后的小段相关谱作谱相关处理，直接算出三路编码信号的传播时延差。

4.根据权利要求1所述的广播式多用户自主水声导航方法，其特征在于：初步判断相对距离

和相对方向

是否有效，当目标距离过大或小于0，相对方向余弦值的绝对值超过1的情况下，估计结果均与实际应用情况不符，将它们视为野值并剔除。

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