CN102253362A - 基于时间反转镜技术在水下定位中的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供基于时间反转镜技术在水下定位中的方法，主要包括以下步骤：确定短基线各阵元相对大地坐标系坐标位置，向水下应答器位置发射宽带线性调频询问信号并且确定发射信号时刻；水下应答器接收宽带线性调频询问信号s(t)，利用s(t)估计出多途扩展时延长度t；根据t选择时间窗，在时间窗范围内对接收信号
进行时间反转处理得到
；利用滑动相关实时检测水上短基线处理机接收到的时间反转后的信号，根据检测结果判断相关峰是否超过设定的门限范围，如果超过门限则判断应答信号已经到来，此时确定信号接收时刻；计算短基线阵四路信号的时延差得到距离，交汇解算出目标位置。本发明可以满足系统高精度、低噪声的要求，有效抵消水下信道多途影响。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种水下定位的方法。
背景技术
由于电磁波在海水高导电介质中传播有极大的衰减，限制了无线电导航设备。与之相反，声学信号在海水中传播衰减很小，可以穿过较远的距离。作为水下声信号的传输媒介，海洋声信道可以看做是缓慢时变的相干多途信道。在水下声学定位领域，多途扩展严重会使水声接收机检测信号的错误概率增加，从而影响定位精度的准确性。因此，采取有效措施抗多途成为水声信号处理的关键问题，也是水下定位系统实现的难点之一。
在水声领域常用的抗多途技术包括分集技术、均衡技术等。分集技术包括频率分集、时间分集、空间分集和极化分集等等。其基本思想时将接收到的多途信号分离成互不相干的多路信号，然后将各路信号的能量按照一定的规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，从而提高接收端信噪比，但是分集技术都是以牺牲系统效率和设备复杂性为前提条件的；均衡技术主要是用来补偿或减小接收信号码间干扰的方法。可以分为频域均衡、时域均衡。频域均衡必须预知或测量新到的频率特性，这给均衡器的设计与调整带来困难。而时域均衡需要均衡器的延迟线有较长的时间跨度，增加了运算的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于提供提高定位物体的定位精度的基于时间反转镜技术在水下定位中的方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明基于时间反转镜技术在水下定位中的方法，其特征是：
(1)确定短基线各阵元相对大地坐标系坐标位置，利用短基线阵中的阵元作为询问发射机向水下应答器位置发射宽带线性调频询问信号s(t)，并且确定发射信号时刻；
(2)水下应答器接收宽带线性调频询问信号s(t)，利用s(t)估计出多途扩展时延长度t；
(3)水下应答器通过滑动相关实时检测接收信号，判断相关峰到来时刻，水下应答器根据多途扩展时延长度t选择时间窗，在时间窗范围内对接收信号s(t)*h(t)进行时间反转处理得到s(-t)*h(-t)；
(4)主动时间反转发射应答信号s(-t)*h(-t)给短基线阵，短基线阵中的各路阵元接收的应答信号形式可以表示为s(-t)*h(-t)*h(t)；
(5)利用滑动相关实时检测水上短基线处理机接收到的时间反转后的信号，根据检测结果判断相关峰是否超过设定的门限范围，如果超过门限则判断应答信号已经到来，此时确定信号接收时刻；
(6)计算短基线阵四路信号的时延差得到距离，交汇解算出目标位置。
本发明还可以包括：
1、所述的短基线阵中的阵元有4路。
本发明的优势在于：本发明采用短基线应答工作模式，设计信号中心频率高，且带宽和时间宽度长，可以满足系统高精度、低噪声的要求。结合时间反转镜技术产生聚焦增益，有效抵消水下信道多途影响，且算法简单，工程实现容易。
附图说明
图1为本发明的短基线应答系统框图；
图2为本发明的发射信号形式仿真；
图3为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～3，对本发明做更详细的说明：
短基线定位系统工作在应答方式下，短基线阵中的每个换能器采用柔性安装固定放入水中，经过校准得到各短基线阵元基于船坐标系的位置坐标。短基线定位过程是利用阵中的发射机向水下应答器发出询问信号，应答器接收到询问信号后，便会发出应答信号。计算短基线四路阵元接收应答信号相对于发射信号的时延，得到两者之间的距离，最后利用距离交汇解算出定位物体在船坐标系坐标位置，进而转换为大地坐标位置，完成系统定位。
短基线定位系统发射信号形式为图(1)所示，设计中心频率为40kHz。带宽B为20kHz，时间长度T为10ms的线性调频信号。采用线性调频信号是因其可以不受带宽和时宽的限制。使声纳同时获得更远的作用距离和更高的距离分辨率。另外该短基线定位系统可以在小范围内采用高频声纳信号，其基阵易于实现窄的指向性，抑制噪声的能力增强。
短基线定位系统利用了时间反转镜方法抗水下信道多途的措施为：短基线阵中的发射机发射询问信号经过声信道给水下应答器。当应答器接收询问信号时，利用主动时间反转处理接收询问信号。处理后的信号再一次经过声信道返回给短基线基阵。短基线基阵接收，由于询问信号与应答信号同时经过同一声信道，自适应的完成主动时间反转过程。因此，经过时间反转处理后有效地抵消了信道多途影响。
1、短基线定位实施方案
本发明采用短基线定位系统，工作在应答方式下，如图(1)所示。水下短基线阵1采用可拆卸的机械结构构成，柔性固定安装放入水中，短基线阵型构成简单，拆装方便。短基线定位系统首先要对系统初始化，包括基阵的校准等步骤，基阵校准可轮流利用各阵元发射信号，其余阵元接收，测出收发时间得到两者距离，选取合适的坐标原点建立船坐标系，可利用最优化的阻尼最小二乘法解算出短基线基阵1中阵元4、5、6、7在船坐标系2的位置坐标，坐标可以表示为(xi，yi，zi)(i＝1，2，3，4)。第二步为对应答器进行定位，应答器3是置于海底或装在载体上的发射/接收器。当应答器3收到短基线阵1中阵元4发出的询问信号后开始应答。当无询问信号时，它保持安静，以便延长电池寿命。交汇解算解得应答器3的位置坐标，其首要任务是确定短基线阵1中各阵元4、5、6、7与应答器3的距离Ri(i＝1，2，3，4)。本发明利用短基线阵1中的阵元4作为发射器，应答器3到短基线基阵1中各阵元的距离信号的往返距离的1/2代替表示为Ri(i＝1，2，3，4)，结合定位解算方程Ri＝(xi-x′)2+(yi-y′)2+(zi-z′)2；计算得到定位物体在船坐标系的位置坐标(x′，y′，z′)，然后利用GPS方位信息坐标转换为大地坐标。
2、高精度定位信号设计方案
由于噪声的存在，环境的变化以及设备安装等方面都会引起系统的定位误差，影响短基线定位精度主要由测时误差和基线长度决定，短基线阵基线长度短，在目标位置距离远时定位精度受基线长度限制较大。因此要提高短基线的定位精度，就必须减少测时误差，为了减少测时误差设计一种测时精度高的信号形式并结合相应的检测手段是必要的。
由声纳信号理论，在实现最佳信号处理(匹配滤波)，并保证一定信噪比的情况下，声纳探测的理论精度和分辨率均与发射信号的形式有关，距离分辨率和测距精度是由发射信号的频域特性决定的；探测距离和探测盲区是由发射信号的时域特性决定的。因此为了提高声纳系统的距离分辨率，信号必须具有大的带宽。为提高系统的探测距离，在平均功率一定的情况下要求信号具有大的时宽，同时需要考虑系统的探测盲区。总之，对于短基线定位系统中要选用的发射信号来说，为了提高测时精度、增加作用距离应选用具有大的时宽带宽积的信号，而线性调频信号是一种脉内频率调制信号，是通过非线性相位调制获得的大时宽带宽积的典型例子。，因此本发明采用线性调频信号。短基线定位系统要求定位距离不大于1千米，为了避免船上短基线阵元4、5、6、7在安装位置处的噪声干扰，主要是低频的发动机噪声，和信号传播衰减系统过程中的非相关噪声干扰，如水声环境噪声、系统电噪声等。设计采用高频声纳信号，工作于高频的声纳，其基阵易于实现窄的指向性，因此设计出的信号形式如图(2)所示，利用该信号可以完成对水下应答器的精确位置定位。
3、时间反转技术实施方案
短基线定位系统的主要目的是得到每个基阵与应答器的时延差进而获得距离，由于水下多途的影响，在系统滑动相关检测过程中不可避免的会受到多途伪峰的影响。严重影响时延估计的精度。而利用时间反转镜技术可以均衡掉多途伪峰，提高定位精度。时间反转镜(TRM)定位技术主要是利用了声场的互易性原理，声场互易性可简单解释为，在同样的传播条件下，声源在A点发射，B点得到的声压，和以同样的声源强度在B点发射，A点得到的声压相同，并且相互传播路径相同。在水下声信道传播过程中，可以认为信号s(t)由A点传播到B点的信道冲击响应hAB(t)和由B点传播到A点得信道冲击响应hBA(t)相同，因而信号s(t)经过A点到B点再返回A点经过时间反转处理后可以表示为s(t)*hAB(t)*hBA(t)。而信道冲击响应hAB(t)*hBA(t)在理想情况下为δ(t)。因而理想情况下可以在发射点A处得到原始信号s(t)，起到了自适应均衡信道多途影响的作用。
本发明所描述的利用时间反转镜的方法主要流程如图(3)所示是：
步骤1在已知确定短基线各阵元4、5、6、7相对大地坐标系坐标位置后，利用短基线阵1中的阵元4作为询问发射机向水下应答器3位置发射宽带线性调频询问信号s(t)，并且确定发射信号时刻。
步骤2水下应答器3接收时延分辨力高的宽带线性调频的询问信号s(t)，可以利用s(t)估计出多途扩展时延长度t。
步骤3水下应答器3通过滑动相关实时检测接收信号，判断相关峰到来时刻，水下应答器3根据多途扩展时延长度t选择时间窗，在时间窗范围内对接收信号s(t)*h(t)进行时间反转处理得到s(-t)*h(-t)。
步骤4主动时间反转发射应答信号s(-t)*h(-t)给水上短基线阵，短基线阵1中的各路阵元4、5、6、7接收的应答信号形式可以表示为s(-t)*h(-t)*h(t)，根据前面理论分析，此时主动时间反转自适应的均衡信道多途的作用，在理想情况下信道冲激响应h(-t)*h(t)也可以表示为δ(t)。
步骤5水上短基线处理机接收到时间反转后的信号，利用滑动相关实时检测上述信号，根据检测结果判断相关峰是否超过设定的门限范围，如果超过门限则判断应答信号已经到来。此时确定信号接收时刻
步骤6计算短基线阵四路信号的时延差得到距离，代入短基线定位解算方程，交汇解算出目标位置。
Claims (2)
1.基于时间反转镜技术在水下定位中的方法，其特征是：
(1)确定短基线各阵元相对大地坐标系坐标位置，利用短基线阵中的阵元作为询问发射机向水下应答器位置发射宽带线性调频询问信号s(t)，并且确定发射信号时刻；
(2)水下应答器接收宽带线性调频询问信号s(t)，利用s(t)估计出多途扩展时延长度t；
(3)水下应答器通过滑动相关实时检测接收信号，判断相关峰到来时刻，水下应答器根据多途扩展时延长度t选择时间窗，在时间窗范围内对接收信号s(t)*h(t)进行时间反转处理得到s(-t)*h(-t)；
(4)主动时间反转发射应答信号s(-t)*h(-t)给短基线阵，短基线阵中的各路阵元接收的应答信号形式可以表示为s(-t)*h(-t)*h(t)；
(5)利用滑动相关实时检测水上短基线处理机接收到的时间反转后的信号，根据检测结果判断相关峰是否超过设定的门限范围，如果超过门限则判断应答信号已经到来，此时确定信号接收时刻；
(6)计算短基线阵四路信号的时延差得到距离，交汇解算出目标位置。
2.根据权利要求1所述的基于时间反转镜技术在水下定位中的方法，其特征是：所述的短基线阵中的阵元有4路。
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