CN102096064A - 一种用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明所述的用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法为信号产生在信号处理单元1中，通过发射信号样本存储器、发射信号控制模块和发射信号生成模块实现；信号解算在信号处理单元2中，通过参考信号样本存储器、相关器1、相关器2、包络计算模块1和包络计算模块2、峰值检测器1、峰值检测器2、时延差初测值计算模块、相位计算模块1、相位计算模块2、减法器1、时延差修正值计算模块和减法器2实现。本发明所述的测量并计算多普勒偏移方法的系统包括接收端和发射端，发射端包括信号处理单元1、功放、发射换能器，接收端包括接收换能器1、接收换能器2、滤波器1、滤波器2和信号处理单元2。

Description

一种用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法及其系统

技术领域：

本发明提出了一种用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法和系统，以应用于对定位精度要求较高的短基线水声定位系统，为定位解算提供高精度的时延差测量值。

背景技术：

短基线水声定位系统广泛用于导航，水下测量，海洋勘探和开发等众多领域。随着对海洋探索的不断深入，人们对定位精度的要求日益提高。

根据短基线定位的原理：短基线水声定位系统的定位精度与定位基阵的基线上两接收换能器之间的距离(即基线的长度)成正比；定位精度与对定位基阵的基线上两接收换能器接收到声波时延差的测量精度成正比。通常，人们希望短基线水声定位系统基阵的尽可能的小，以便节省空间；而一些设备对定位基阵的尺寸有着严格的要求。因而，提高时延差测量的精度值，就成了提高短基线定位系统定位精度的必然要求。

发明内容：

本发明的目的是研究出一种用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法及其系统。

本发明针对短基线水声定位系统中希望在基线长度较短条件下有较高定位精度的要求，给出了一种利用相位差计算时延差补偿值的方法和系统，以提高测量时延差的精度。

本发明所述的用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法，至少包括以下步骤：

1)短基线水声定位系统的发射端发射线性调频脉冲信号作为定位信号，形式如下：

$s_1\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{L}n{T}_{S1}+\mathrm{\&pi;}{k}_0{n}^2{T}_{S1}^2)& 0\&le;n\&le;T/T_{S1}\\ 0& n<0,n>T/T_{S1}\end{array}\right.$

其中，T_S1是短基线水声定位系统发射信号的采样间隔，T是线性调频信号由最低频扫到最高频所经过的时间，k₀是信号的调频斜率，f_L是信号s(n)的最低频率；

2)短基线水声定位系统的接收端有相关器1和相关器2，相关器1接收信号x₁(n)并进行相关处理，相关器2接收信号x₂(n)并进行相关处理；相关器1和相关器2进行相关处理时，使用的参考信号相同，参考信号形式如下：

$s_2\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{L}n{T}_{S2}+\mathrm{\&pi;}{k}_0{n}^2{T}_{S2}^2)& 0\&le;n\&le;T/T_{S2}\\ 0& n<0,n>T/T_{S2}\end{array}\right.$

其中，T_S2是短基线水声定位系统接收信号的采样间隔；

设处理后，从相关器1输出的输出信号R₁(m)和从相关器2输出的输出信号R₂(m)的包络出现峰值对应的位置为M₁和M₂，那么时延差初测值为：

${\mathrm{\&tau;}}_R=\frac{M_1-M_2}{F_{S2}}$

根据峰值位置M₁和M₂，由相位计算模块1生成的生成信号p₁(m)和相位计算模块2生成的生成信号p₂(m)分别为：

p₁(m)＝R₁(m-M₁-L)0≤m≤2L-1

p₂(m)＝R₂(m-M₂-L)0≤m≤2L-1

其中，L是满足如下条件的一个整数：①L≤M₁且L≤M₂；②存在一个非负整数z，使得等式

成立；求取p₁(m)和p₂(m)离散傅里叶变换，并计算出相位和

则p₁(m)和p₂(m)之间的相位差为：

设存在W个非负整数满足：

$\frac{f_L}{F_{S2}}\&CenterDot;2L\&le;K_1<K_2<\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;<K_w\&le;\frac{f_H}{F_{S2}}\&CenterDot;2L$

则时延差修正值为：

那么，时延差初测值和时延差修正值的差值，即为时延差值

Δτ＝τ_R-τ_M

参数Δτ的物理意义是，在发射端发出的信号经过信道传播后，接收端两个不同的通道接收到信号的时刻相差了Δτ。

本发明所述的用于短基线水声定位系统中精确测量时延差方法的系统包括：接收端和发射端，发射端包括信号处理单元1，功放，发射换能器，接收端包括接收换能器1，接收换能器2，滤波器1，滤波器2，信号处理单元2；信号处理单元1与功放之间通过数据线连接；功放和发射换能器之间通过数据线连接；发射换能器和接收换能器1之间是无线水声信道；发射换能器和接收换能器2之间是无线水声信道；接收换能器1和滤波器1之间通过数据线连接；接收换能器2和滤波器2之间通过数据线连接；滤波器1和信号处理单元之间通过数据线连接；滤波器2和信号处理单元之间通过数据线连接；

信号处理单元1用于生成待发送的信号；功放用于放大待发送的信号；发射换能器用于将电信号转化为声信号发送出去；接收换能器1和接收换能器2用于接收声信号，并转化为电信号；滤波器1和滤波器2用于选择特定频段的信号，以提高信噪比；信号处理单元2用于对接收到的信号进行处理，计算出两路的时延差。

信号处理单元1由一块DSP实现，它包括发射信号样本存储器，发射信号控制模块和发射信号生成模块，发射信号样本存储器和发射信号生成模块连接，发射信号控制模块和发射信号生成模块连接。信号处理单元2由一块FPGA和一块DSP实现，FPGA与DSP间由数据线连接；FPGA包括参考信号样本存储器、相关器1、相关器2、包络计算模块1和包络计算模块2；参考信号样本存储器和相关器1、相关器2连接，相关器1、相关器2分别是与包络计算模块1和包络计算模块2连接；DSP包括峰值检测器1、峰值检测器2、时延差初测值计算模块、相位计算模块1、相位计算模块2、减法器1、时延差修正值计算模块和减法器2；包络计算模块1和包络计算模块分别与峰值检测器1、峰值检测器2连接，相位计算模块1、相位计算模块2分别与峰值检测器1、峰值检测器2连接，时延差初测值计算模块上连接有峰值检测器1、峰值检测器2和减法器2，减法器1与相位计算模块1、相位计算模块2和时延差修正值计算模连接。

本发明的优点是：本发明的方法和系统应用于对定位精度要求较高的短基线水声定位系统，为定位解算提供高精度的时延差测量值，提高测量时延差的精度。

附图说明：

图1为本发明系统的组成框图。

图2为信号处理单元1组成框图。

图3为信号处理单元2组成框图。

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

如图所示，本发明所述的用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法，其发射信号产生在信号处理单元1(1)中，通过发射信号样本存储器(9)，发射信号控制模块(10)和发射信号生成模块(11)实现，信号时延差的测定在信号处理单元2(8)中通过参考信号样本存储器(12)，相关器1(13)，相关器，2(14)，包络计算模块1(15)，包络计算模块2(16)，峰值检测器1(17)，峰值检测器2(18)，时延差初测值计算模块(19)，相位计算模块1(20)，相位计算模块2(21)，减法器1(22)，时延差修正值计算模块(23)和减法器2(24)实现，包括如下步骤：

步骤1、根据实际测量需要，选择线性调频脉冲信号的幅度A，频率下限f_L，频率上限f_H，扫频时间T。令：

$k_0=\frac{f_H-f_L}{T}$

获得线性调频脉冲信号的解析表达式如下：

$s\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{L}t+\mathrm{\&pi;}{k}_0{t}^2)& 0\&le;t\&le;T\\ 0& t<0,t>T\end{array}\right.$

根据信号发射的采样率F_S1，对信号s(t)做离散化处理生成数字信号，表达式如下：

$s_1\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{L}n{T}_{S1}+\mathrm{\&pi;}{k}_0{n}^2{T}_{S1}^2)& 0\&le;n\&le;T/T_{S1}\\ 0& n<0,n>T/T_{S1}\end{array}\right.$

其中，T_S1＝1/F_S1表示信号发射时的采样间隔。将s₁(n)的数值存入发射信号样本存储器(9)。

根据信号接收的采样率F_S2，对信号s(t)做离散化处理生成数字信号，表达式如下：

$s_2\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{L}n{T}_{S2}+\mathrm{\&pi;}{k}_0{n}^2{T}_{S2}^2)& 0\&le;n\&le;T/T_{S2}\\ 0& n<0,n>T/T_{S2}\end{array}\right.$

其中，T_S2＝1/F_S2表示信号接收时的采样间隔。将s₂(n)的数值存入参考信号样本存储器(12)。

步骤2、根据实际测量需要，设定发射信号控制模块(10)的控制逻辑。在发射信号控制模块(10)的控制下，发射信号生成模块(11)从发射信号样本存储器(9)中取出发射信号样本，经功放(2)放大后，由发射换能器(3)发射出去。接收换能器1(4)接收到的信号经滤波器1(6)处理后，以采样率F_S2进行采样，得到信号x₁(n)送入信号处理单元单元2(8)；接收换能器2(5)接收到的信号经滤波器1(7)处理后，以采样率F_S2进行采样，得到信号x₂(n)送入信号处理单元单元2(8)。

步骤3、采集到的信号x₁(n)和参考信号样本存储器(12)中存储的信号s₂(n)在相关器1(13)进行相关运算，相关器1(13)的输出信号表达式如下：

$R_1\left(m\right)=\underset{n=0}{\overset{T/T_{S2}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_2\left(n\right)x_1(n+m)$

采集到的信号x₂(n)和参考信号样本存储器(12)中存储的信号s₂(n)在相关器2(14)进行相关运算，相关器2(14)的输出信号表达式如下：

$R_2\left(m\right)=\underset{n=0}{\overset{T/T_{S2}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{s}_2\left(n\right)x_2(n+m)$

步骤4、R₁(m)送入包络计算模块1(15)，计算出相关峰包络B₁(m)；R₂(m)送入包络计算模块2(16)，计算出相关峰包络B₂(m)。B₁(m)送入峰值检测器1(17)，计算出相关峰包络峰值位置M₁；B₂(m)送入峰值检测器2(18)，计算出相关峰包络峰值位置M₂。

峰值检测器1(17)的输出M₁和峰值检测器2(18)的输出M₂送入时延差初测值计算模块(19)，时延差初测值计算模块(19)的输出为：

${\mathrm{\&tau;}}_R=\frac{M_1-M_2}{F_{S2}}$

步骤5、R₁(m)送入相位计算模块1(20)，根据峰值检测器1(17)计算出的B₁(m)的峰值位置M₁，生成信号p₁(m)；R₂(m)送入相位计算模块2(21)，根据峰值检测器2(18)计算出的B₂(m)的峰值位置M₂，生成信号p₂(m)。p₁(m)和p₂(m)的表达式如下：

p₁(m)＝R₁(m-M₁-L)0≤m≤2L-1

p₂(m)＝R₂(m-M₂-L)0≤m≤2L-1

其中，L可选择大于满足如下条件的任意整数：①L≤M₁且L≤M₂；②存在一个非负整数z，使得等式

成立。在上述两条件成立前提下，L取值应选择在

左右为宜。

相位计算模块1(20)计算出p₁(m)的离散傅里叶变换结果P₁(k)，并求取P₁(k)相位

相位计算模块2(21)计算出p₂(m)的离散傅里叶变换结果P₂(k)，并求取P₂(k)相位

表达式如下：

其中，Im[·]表示取表达式的虚部，Re[·]表示取表达式的虚部。

步骤6、相位计算模块1(20)的输出结果

和相位计算模块2(21)的输出结果

送入减法器1(22)，减法器1(22)的输出为：

步骤7、减法器1(22)的输出送入时延差修正值计算模块(23)计算时延差修正值τ_M。设存在W个非负整数满足

$\frac{f_L}{F_{S2}}\&CenterDot;2L\&le;K_1<K_2<\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;<K_w\&le;\frac{f_H}{F_{S2}}\&CenterDot;2L$

则时延差修正值计算模块(23)的输出为：

步骤8、时延差初测值计算模块(19)的输出τ_R和时延差修正值计算模块(23)的输出τ_M送入减法器2(24)，减法器2(24)的输出

Δτ＝τ_R-τ_M即为信号x₁(n)和信号x₂(n)的时延差。

上述测量并计算多普勒偏移的方法采用的系统为短基线水声定位系统的发射和接收系统。该系统包括：接收端和发射端。

发射端包括信号处理单元1(1)，功放(2)，发射换能器(3)，接收端包括接收换能器1(4)，接收换能器2(5)，滤波器1(6)，滤波器2(7)，信号处理单元2(8)。信号处理单元1(1)与功放(2)之间通过数据线连接；功放(2)和发射换能器(3)之间通过数据线连接；发射换能器(3)和接收换能器1(4)之间是无线水声信道；发射换能器(3)和接收换能器2(5)之间是无线水声信道；接收换能器1(4)和滤波器1(6)之间通过数据线连接；接收换能器2(5)和滤波器2(7)之间通过数据线连接；滤波器1(6)和信号处理单元(8)之间通过数据线连接；滤波器2(7)和信号处理单元(8)之间通过数据线连接。

信号处理单元1(1)用于生成待发送的信号，可由一块DSP实现。它包括发射信号样本存储器(9)，发射信号控制模块(10)和发射信号生成模块(11)。发射信号样本存储器(9)和发射信号生成模块(11)连接，发射信号控制模块(10)和发射信号生成模块(11)连接。

功放(2)用于放大待发送的信号。

发射换能器(3)用于将电信号转化为声信号发送出去。

接收换能器1(4)和接收换能器2(5)用于接收声信号，并转化为电信号。

滤波器1(6)和滤波器2(7)用于选择特定频段的信号，以提高信噪比。

信号处理单元2(8)用于对接收到的信号进行处理，计算出两路的时延差。

信号处理单元2由一块FPGA和一块DSP实现，FPGA与DSP间由数据线连接；FPGA包括参考信号样本存储器(12)、相关器1(13)、相关器2(14)、包络计算模块1(15)和包络计算模块2(16)；参考信号样本存储器(12)和相关器1(13)、相关器2(14)连接，相关器1(13)、相关器2(14)分别是与包络计算模块1(15)和包络计算模块2(16)连接；DSP包括DSP实现峰值检测器1(17)、峰值检测器2(18)、时延差初测值计算模块(19)、相位计算模块1(20)、相位计算模块2(21)、减法器1(22)、时延差修正值计算模块(23)和减法器2(24)；包络计算模块1(15)和包络计算模块2(16)分别与峰值检测器1(17)、峰值检测器2(18)连接，相位计算模块1(20)、相位计算模块2(21)分别与峰值检测器1(17)、峰值检测器2(18)连接，时延差初测值计算模块(19)上连接有峰值检测器1(17)、峰值检测器2(18)和减法器2(24)，减法器1(22)与相位计算模块1(20)、相位计算模块2(21)和时延差修正值计算模块(23)连接。

Claims (4)

1.一种用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法，其特征在于至少包括以下步骤：

1)短基线水声定位系统的发射端发射线性调频脉冲信号作为定位信号，形式如下：

$s_1\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{L}n{T}_{S1}+\mathrm{\&pi;}{k}_0{n}^2{T}_{S1}^2)& 0\&le;n\&le;T/T_{S1}\\ 0& n,<0,n>T/T_{S1}\end{array}\right.$

其中，T_S1是短基线水声定位系统发射信号的采样间隔，T是线性调频信号由最低频扫到最高频所经过的时间，k₀是信号的调频斜率，f_L是信号s(n)的最低频率；

2)短基线水声定位系统的接收端有相关器1和相关器2，相关器1接收信号x₁(n)并进行相关处理，相关器2接收信号x₂(n)并进行相关处理；相关器1和相关器2进行相关处理时，使用的参考信号相同，参考信号形式如下：

$s_2\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\cos (2\mathrm{\&pi;}{f}_{L}n{T}_{S2}+\mathrm{\&pi;}{k}_0{n}^2{T}_{S2}^2)& 0\&le;n\&le;T/T_{S2}\\ 0& n<0,n>T/T_{S2}\end{array}\right.$

其中，T_S2是短基线水声定位系统接收信号的采样间隔；

设处理后，从相关器1输出的输出信号R₁(m)和从相关器2输出的输出信号R₂(m)的包络出现峰值对应的位置为M₁和M₂，那么时延差初测值为：

${\mathrm{\&tau;}}_R=\frac{M_1-M_2}{F_{S2}}$

根据峰值位置M₁和M₂，由相位计算模块1生成的生成信号p₁(m)和相位计算模块2生成的生成信号p₂(m)分别为：

p₁(m)＝R₁(m-M₁-L)0≤m≤2L-1

p₂(m)＝R₂(m-M₂-L)0≤m≤2L-1

其中，L是满足如下条件的一个整数：①L≤M₁且L≤M₂；②存在一个非负整数z，使得等式

成立；求取p₁(m)和p₂(m)离散傅里叶变换，并计算出相位

和

则

p₁(m)和p₂(m)之间的相位差为：

设存在W个非负整数满足：

$\frac{f_L}{F_{S2}}\&CenterDot;2L\&le;K_1<K_2<\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;<K_w\&le;\frac{f_H}{F_{S2}}\&CenterDot;2L$

则时延差修正值为：

那么，时延差初测值和时延差修正值的差值，即为时延差值

Δτ＝τ_R-τ_M

参数Δτ的物理意义是，在发射端发出的信号经过信道传播后，接收端两个不同的通道接收到信号的时刻相差了Δτ。

2.根据权利要求1所述的用于短基线水声定位系统中精确测量时延差方法的系统，包括接收端和发射端，其特征在于发射端包括信号处理单元1，功放，发射换能器，接收端包括接收换能器1，接收换能器2，滤波器1，滤波器2，信号处理单元2；信号处理单元1与功放之间通过数据线连接；功放和发射换能器之间通过数据线连接；发射换能器和接收换能器1之间是无线水声信道；发射换能器和接收换能器2之间是无线水声信道；接收换能器1和滤波器1之间通过数据线连接；接收换能器2和滤波器2之间通过数据线连接；滤波器1和信号处理单元之间通过数据线连接；滤波器2和信号处理单元之间通过数据线连接；

信号处理单元1用于生成待发送的信号；功放用于放大待发送的信号；发射换能器用于将电信号转化为声信号发送出去；接收换能器1和接收换能器2用于接收声信号，并转化为电信号；滤波器1和滤波器2用于选择特定频段的信号，以提高信噪比；信号处理单元2用于对接收到的信号进行处理，计算出两路的时延差。

3.根据权利要求2所述的用于短基线水声定位系统中精确测量时延差方法的系统，其特征在于信号处理单元1由一块DSP实现，它包括发射信号样本存储器，发射信号控制模块和发射信号生成模块，发射信号样本存储器和发射信号生成模块连接，发射信号控制模块和发射信号生成模块连接。

4.根据权利要求2所述的用于短基线水声定位系统中精确测量时延差方法的系统，其特征在于信号处理单元2由一块FPGA和一块DSP实现，FPGA与DSP间由数据线连接；FPGA包括参考信号样本存储器、相关器1、相关器2、包络计算模块1和包络计算模块2；参考信号样本存储器和相关器1、相关器2连接，相关器1、相关器2分别是与包络计算模块1和包络计算模块2连接；DSP包括峰值检测器1、峰值检测器2、时延差初测值计算模块、相位计算模块1、相位计算模块2、减法器1、时延差修正值计算模块和减法器2；包络计算模块1和包络计算模块分别与峰值检测器1、峰值检测器2连接，相位计算模块1、相位计算模块2分别与峰值检测器1、峰值检测器2连接，时延差初测值计算模块上连接有峰值检测器1、峰值检测器2和减法器2，减法器1与相位计算模块1、相位计算模块2和时延差修正值计算模连接。

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