CN108155952A - 一种非应答式水下测量声信号传播时延的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非应答式水下测量声信号传播时延的方法，该方法所生成的发射信号由“复合双曲调频”信号、扩频调制的“同步时钟时间戳信息”报文编码信号组成，充分利用了宽带双曲调频信号抗多普效应、时间分辨率高、以及扩频调制抗噪声性能好的优点，能够有效对抗水声信道多普勒效应以及噪声的影响，适应各种复杂的水声信道条件，实现可靠的声信号传播时延估计，而发射信号将双曲调频和扩频技术相结合，采用优化的处理方法后可以获得比现有测量技术更好的性能和测量精度。

Description

一种非应答式水下测量声信号传播时延的方法

技术领域

本发明涉及水声导航、定位和水声通信领域，具体涉及一种非应答式水下测量声信号传播时延的方法。

背景技术

随着海洋资源的开发以及国防建设的需要，在水下AUV/UUV航行导航、水下打捞定位、水下对接导引等应用场景，对于广播式多用户(类似GPS)水下导航和定位的需求日益迫切。而非应答式测量声信号传播时延是实现广播式多用户水下导航、定位功能的基础。传统的非应答式测量声信号传播时延的方法虽然也采用了大带宽时间积的宽带信号(如线性调频、双曲调频信号)，但是在有强多普勒效应和大背景噪声干扰的水声信道条件下，存在测量性能可靠性低，延时测量误差高的缺点。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的测量声信号传播时延的方法受环境影响，导致其延时测量误差高的技术问题，提供一种非应答式水下测量声信号传播时延的方法。本发明的方法将宽带双曲调频信号抗多普效应、时间分辨率高、以及扩频调制技术抗噪声性能好的优点相结合，能够有效对抗信道多普勒效应和噪声的影响，以较低的处理复杂度获得可靠的测量性能，解决水下AUV/UUV航行导航、水下打捞定位、水下对接导引等应用场景中水下声信号传播时延测量的难题，为这些应用场景下实现广播式多用户水下精确导航与定位奠定技术基础。

为了实现上述目的，本发明提供的一种非应答式水下测量声信号传播时延的方法，利用信号发射端按照一定的规则和信号形式发射信号，信号接收端则按照一定步骤处理接收信号，从而得到声信号传播时延的估计。信号发射端和信号接收端皆采用全局同步时钟。接收端采用计时精度为毫秒量级以上的“本地计时器”，该计时器运行周期与全局同步时钟完全同步。本发明的方法具体包括：

步骤1)利用信号发射端获取本地当前时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx0；

步骤2)对步骤1)中获得的T_tx0增加一固定时间t_d，得到发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx；

步骤3)对步骤2)中获得的T_tx进行扩频数据调制，并生成设定数据格式的发射信号，所述的发射信号包括：“复合双曲调频”信号和扩频调制的含有T_tx的报文编码信号，所述的“复合双曲调频”信号由两个不同参数的双曲调频信号线性叠加而成；

步骤4)利用信号发射端的本地同步时钟脉冲信号达到T_tx时刻的跳变沿后，触发发射信号发射；

步骤5)估计发射信号到达信号接收端的时刻τ，并判断如果在时刻τ时确有发射信号到达后，则执行步骤6)；

步骤6)对接收到的发射信号中报文编码信号进行扩频数据解调，获得发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx，并根据发射信号的长度计算发射信号时间长度T_signal后，执行步骤7)；

步骤7)利用信号接收端获取本地当前时刻“同步时钟时间戳信息”T_rx、本地计时器读数T_r'_x，以及当前时刻至时刻τ之间缓存的数据长度Len，并根据采样率f_s计算该数据长度Len对应的时间T_buffer:

根据下式计算得到最终的传播时延值Δt：

Δt＝T_rx+T'_rx-(T_signal+T_buffer)-T_tx。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的“复合双曲调频”信号表示为：

S(t)＝S₁(t)+S₂(t)

其中：

其中，S(t)表示“复合双曲调频”信号，S₁(t)和S₂(t)表示两个双曲调频信号，和表示两个双曲调频信号的下限频率，和表示两个双曲调频信号的上限频率，T表示单个双曲调频信号的发射持续时间，m₁、f₁₀及m₂、f₂₀表示两个双曲调频信号的特征参数。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的报文编码信号包括：帧头数据循环前缀、帧头数据、报文数据和报文数据CRC校验和；所述的发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx写入报文数据内。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤5)具体包括：

步骤501)通过信号接收端对接收到的模拟声信号按照设定的采样率f_s进行采样，利用两个双曲调频信号S₁(t)和S₂(t)对采样得到的信号作拷贝相关处理，分别求得其相关函数绝对值|C₁(τ)|和|C₂(τ)|；

步骤502)将两个相关函数绝对值|C₁(τ)|和|C₂(τ)|的最大值与设定的门限值分别进行比较，若两个相关函数绝对值的最大值均大于门限值，则执行步骤503)，否则重新执行步骤501)；

步骤503)根据采样率f_s分别计算两个相关函数绝对值|C₁(τ)|和|C₂(τ)|的最大值在接收缓存中对应的时刻t₁和t₂，并按以下公式计算相对多普勒系数D和发射信号到达信号接收端的时刻τ：

若“复合双曲调频”信号中S₂(t)非0部分与S₁(t)非0部分时域重合则：

若“复合双曲调频”信号中S₂(t)非0部分与S₁(t)非0部分时域不重合则：

其中，T＝0.128ms；

步骤504)根据步骤503)中得到的相对多普勒系数D和发射信号到达信号接收端的时刻τ，对报文编码信号中的帧头数据进行扩频数据解调，检验该帧头数据如果与预期的帧头数据不相同，则判断在时刻τ时没有发射信号到达，此时重新执行步骤501)，否则，判断在时刻τ时确有发射信号到达，并执行步骤6)。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤6)具体包括：

步骤601)对报文编码信号中的报文数据进行扩频数据解调，得到发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx和报文数据CRC校验和；

步骤602)使用CRC校验和对接收到的报文数据进行CRC校验，若校验错误，则重新执行步骤5)，若校验正确，则保存发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx，并根据发射信号的长度计算发射信号时间长度T_signal后，执行步骤7)。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的信号接收端采用计时精度为毫秒量级以上的本地计时器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的扩频调制采用直接序列扩频或跳频扩频或软扩频或组合扩频或Chirp扩频方式。

本发明的一种非应答式水下测量声信号传播时延的方法优点在于：

本发明的方法所生成的发射信号由“复合双曲调频”信号、扩频调制的“同步时钟时间戳信息”报文编码信号组成，充分利用了宽带双曲调频信号抗多普效应、时间分辨率高、以及扩频调制抗噪声性能好的优点，能够有效对抗水声信道多普勒效应以及噪声的影响，适应各种复杂的水声信道条件，实现可靠的声信号传播时延估计，而发射信号将双曲调频和扩频技术相结合，采用优化的处理方法后可以获得比现有测量技术更好的性能和测量精度。同时该方法在信号发射端与接收端都采用全局同步时钟；即该方法在发射端发射信号时刻与全局同步时钟完全同步，且发射信号中的报文编码信号包含该信号发射时刻的“同步时钟时间戳信息”，而接收端采用计时精度为毫秒量级以上的“本地计时器”，该计时器运行周期也与全局同步时钟完全同步，与秒级的“同步时钟时间戳信息”T_rx叠加后，从而提高了测量精度，具有抗水声信道干扰能力强、处理复杂度低、可靠性高的优点，可直接应用于广播式多用户水下精确导航、定位以及水声通信等领域。

附图说明

图1为本发明提供的一种非应答式水下测量声信号传播时延的方法流程图。

图2是利用本发明的声信号传播时延测量方法生成的发射信号格式示意图。

图3是本发明实施例提供的声信号传播时延测量方法中信号发射端处理流程图。

图4是本发明实施例提供的声信号传播时延测量方法中信号接收端处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种非应答式水下测量声信号传播时延的方法进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种非应答式水下测量声信号传播时延的方法，包括：

步骤1)利用信号发射端获取本地当前时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx0；

步骤2)对步骤1)中获得的T_tx0增加一固定时间t_d，得到发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx；

步骤3)对步骤2)中获得的T_tx进行扩频数据调制，并生成设定数据格式的发射信号，所述的发射信号包括：“复合双曲调频”信号和扩频调制的含有T_tx的报文编码信号，所述的“复合双曲调频”信号由两个不同参数的双曲调频信号线性叠加而成；

步骤4)利用信号发射端的本地同步时钟脉冲信号达到T_tx时刻的跳变沿后，触发发射信号发射；

步骤5)估计发射信号到达信号接收端的时刻τ，并判断如果在时刻τ时确有发射信号到达后，则执行步骤6)；

步骤6)对接收到的发射信号中报文编码信号进行扩频数据解调，获得发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx，并根据发射信号的长度计算发射信号时间长度T_signal后，执行步骤7)；

步骤7)利用信号接收端获取本地当前时刻“同步时钟时间戳信息”T_rx、本地计时器读数T'_rx，以及当前时刻至时刻τ之间缓存的数据长度Len，并根据采样率f_s计算该数据长度Len对应的时间T_buffer:

根据下式计算得到最终的传播时延值Δt：

Δt＝T_rx+T'_rx-(T_signal+T_buffer)-T_tx。

基于上述非应答式水下测量声信号传播时延的方法，如图2所示，所述信号发射端生成的发射信号由“复合双曲调频”信号、扩频调制(扩频调制方式选定为Gold序列软扩频)的“同步时钟时间戳信息”信号组成。所述扩频调制方法包括但不限于：直接序列扩频、跳频扩频、软扩频、组合扩频和Chirp扩频。所述扩频调制的“同步时钟时间戳信息”信号由帧头数据循环前缀、帧头数据、报文数据以及报文数据CRC校验和组成。

信号发射端的“复合双曲调频”信号为形如以下形式的信号，该信号由2个不同参数的双曲调频信号线性叠加而成：

S(t)＝S₁(t)+S₂(t)

其中：

其中，S(t)表示“复合双曲调频”信号，S₁(t)和S₂(t)表示两个双曲调频信号，和表示两个双曲调频信号的下限频率，和表示两个双曲调频信号的上限频率，T为单个双曲调频信号的发射持续时间，m₁、f₁₀及m₂、f₂₀表示两个双曲调频信号的特征参数。

发射信号的具体参数选择如下：

(1)“复合双曲调频”信号：

“复合双曲调频”信号具体参数选择如下：

T＝0.128ms；

T＝128ms

“复合双曲调频”信号的发射持续时间为128ms。

(2)扩频调制的含有“同步时钟时间戳信息”的报文编码信号

扩频调制采用Gold软扩频调制，使用9阶Gold序列作为调制序列，调制载波中心频率6kHz，单个码片时间为0.5ms，每个扩频符号传输8bit数据，每个扩频符号持续时间为127.5ms，码片成形滤波器采用方波成形级联4k-8kHz带通滤波。

帧头数据循环前缀时间长度选择为50ms。帧头数据采用1个字节，数据内容为0x7e；CRC校验和采用8位CRC校验，生成多项式为：x⁸+x²+x+1。

由于在实际应用场景中，信号收发两端之间距离小于180km，信号发射端“同步时钟时间戳信息”只需包含“秒”信息(数值范围：0-59)即可，因此，“同步时钟时间戳信息”仅包含1个字节净负荷报文数据。

整个Gold序列软扩频调制的含有“同步时钟时间戳信息”的报文编码信号一共包含3字节数据，持续时间为432.5ms。

因此，整个发射信号的发射持续时间为：

T_signal＝432.5+128＝560.5ms。

实施例一

在本实施例中，利用上述方法测量声信号传播时延的具体过程分为信号发射处理步骤和信号接收处理步骤。如图3所示，信号发射按以下步骤进行：

信号发射端步骤一：

信号发射端首先获取本地当前时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx0。

信号发射端步骤二：

(1)对步骤一获得的T_tx0增加一固定时间t_d，得到发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx：T_tx＝T_tx0+t_d。固定时间t_d的选择应保证信号发射端有足够时间生成发射信号以及发射设备准备等工作。其中，固定时间t_d在本实施例中可设置为2秒。

(2)对T_tx进行扩频数据调制，设定帧头数据，计算得到报文数据CRC校验和；并按照图2所示的数据格式生成待发射信号TxSignal。

信号发射端步骤三：

信号发射端利用本地同步时钟脉冲信号达到T_tx时刻的跳变沿(上跳沿或下跳沿)后触发TxSignal发射，保证TxSignal的发射时刻为准确的T_tx时刻。

如图4所示，信号接收端对接收信号按照以下步骤进行处理：

信号接收端步骤一：

根据“复合双曲调频”信号特征进行信号到达时间及多普勒系数估计，具体包括：

信号接收端步骤一分步骤1：

信号接收端对接收到的模拟声信号按照一定的采样率进行采样，设其采样率为f_s，利用两个双曲调频信号S₁(t)和S₂(t)对采样得到的信号作拷贝相关处理，分别求得其相关函数绝对值|C₁(τ)|和|C₂(τ)|；

信号接收端步骤一分步骤2：

将两个相关函数绝对值|C₁(τ)|和|C₂(τ)|的最大值与一设定的门限值(它们各自非最大值平均值的平均值的3倍分别进行比较：若两个相关函数绝对值不都大于该门限值，则返回步骤一分步骤1；若两个相关函数绝对值都超过该门限值，则判为可能有信号到达，转入步骤一分步骤3；

信号接收端步骤一分步骤3：

根据采样率f_s分别计算两个相关函数绝对值|C₁(τ)|和|C₂(τ)|的最大值在接收缓存中对应的时刻t₁和t₂。按以下公式计算相对多普勒系数D和发射信号到达信号接收端的时刻τ：

若“复合双曲调频”信号中S₂(t)非0部分与S₁(t)非0部分时域重合则：

若“复合双曲调频”信号中S₂(t)非0部分与S₁(t)非0部分时域不重合则：

其中，T＝0.128ms；

信号接收端步骤一分步骤4：

根据步骤一分步骤3得到的相对多普勒系数D和发射信号到达信号接收端的时刻τ，对报文编码信号中的帧头数据进行扩频数据解调。检验该帧头数据是否是预期的帧头数据0x7e：若不是，则返回分步骤1；若是，判定在时刻τ时确有信号达到，并转入信号接收端步骤二。

信号接收端步骤二：

对报文编码信号中的报文数据扩频调制信号进行扩频数据解调，获得发射端发送信号时刻的“同步时钟时间戳信息”T_tx，具体包括：

对帧头数据后的报文数据进行扩频数据解调，获得完整的一帧报文数据和CRC 8校验数据和；

使用CRC 8校验数据和对接收的报文数据进行CRC校验计算。若校验错误(CRC校验和不为0)，则返回信号接收端步骤一；若校验正确(CRC校验和为0)，则保存发射端发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx数据，并根据接收到的发射信号长度计算发射信号时间长度T_signal，转入信号接收端步骤三。

信号接收端步骤三：

获取此时信号接收端本地“同步时钟时间戳信息”T_rx，以及本地计时器读数T'_rx，T'_rx指毫秒精度以上的时间计数器读数值，与秒级的“同步时钟时间戳信息”T_rx相叠加后，从而提高了测量精度，纪录此时刻至时刻τ之间缓存的数据长度Len。根据采样率f_s计算该数据长度Len对应的时间T_buffer:

根据下式计算得到最终的传播时延值Δt：

Δt＝T_rx+T'_rx-(T_signal+T_buffer)-T_tx。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种非应答式水下测量声信号传播时延的方法，其特征在于，包括：

步骤1)利用信号发射端获取本地当前时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx0；

步骤2)对步骤1)中获得的T_tx0增加一固定时间t_d，得到发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx；

步骤3)对步骤2)中获得的T_tx进行扩频数据调制，并生成设定数据格式的发射信号，所述的发射信号包括：“复合双曲调频”信号和扩频调制的含有T_tx的报文编码信号，所述的“复合双曲调频”信号由两个不同参数的双曲调频信号线性叠加而成；

步骤4)利用信号发射端的本地同步时钟脉冲信号达到T_tx时刻的跳变沿后，触发发射信号发射；

步骤5)估计发射信号到达信号接收端的时刻τ，并判断如果在时刻τ时确有发射信号到达后，则执行步骤6)；

步骤6)对接收到的发射信号中报文编码信号进行扩频数据解调，获得发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx，并根据发射信号的长度计算发射信号时间长度T_signal后，执行步骤7)；

步骤7)利用信号接收端获取本地当前时刻“同步时钟时间戳信息”T_rx、本地计时器读数T′_rx，以及当前时刻至时刻τ之间缓存的数据长度Len，并根据采样率f_s计算该数据长度Len对应的时间T_buffer:

根据下式计算得到最终的传播时延值Δt：

Δt＝T_rx+T′_rx-(T_signal+T_buffer)-T_tx。

2.根据权利要求1所述的非应答式水下测量声信号传播时延的方法，其特征在于，所述的“复合双曲调频”信号表示为：

S(t)＝S₁(t)+S₂(t)

其中：

其中，S(t)表示“复合双曲调频”信号，S₁(t)和S₂(t)表示两个双曲调频信号，f_L1和f_L2表示两个双曲调频信号的下限频率，f_H1和f_H2表示两个双曲调频信号的上限频率，T表示单个双曲调频信号的发射持续时间，m₁、f₁₀及m₂、f₂₀表示两个双曲调频信号的特征参数。

3.根据权利要求1或2所述的非应答式水下测量声信号传播时延的方法，其特征在于，所述的报文编码信号包括：帧头数据循环前缀、帧头数据、报文数据和报文数据CRC校验和；所述的发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx写入报文数据内。

4.根据权利要求3所述的非应答式水下测量声信号传播时延的方法，其特征在于，所述的步骤5)具体包括：

步骤501)通过信号接收端对接收到的模拟声信号按照设定的采样率f_s进行采样，利用两个双曲调频信号S₁(t)和S₂(t)对采样得到的信号作拷贝相关处理，分别求得其相关函数绝对值|C₁(τ)|和|C₂(τ)|；

步骤502)将两个相关函数绝对值|C₁(τ)|和|C₂(τ)|的最大值与设定的门限值分别进行比较，若两个相关函数绝对值的最大值均大于门限值，则执行步骤503)，否则重新执行步骤501)；

步骤503)根据采样率f_s分别计算两个相关函数绝对值|C₁(τ)|和|C₂(τ)|的最大值在接收缓存中对应的时刻t₁和t₂，并按以下公式计算相对多普勒系数D和发射信号到达信号接收端的时刻τ：

若“复合双曲调频”信号中S₂(t)非0部分与S₁(t)非0部分时域重合则：

若“复合双曲调频”信号中S₂(t)非0部分与S₁(t)非0部分时域不重合则：

其中，T＝0.128ms；

步骤504)根据步骤503)中得到的相对多普勒系数D和发射信号到达信号接收端的时刻τ，对报文编码信号中的帧头数据进行扩频数据解调，检验该帧头数据如果与预期的帧头数据不相同，则判断在时刻τ时没有发射信号到达，此时重新执行步骤501)，否则，判断在时刻τ时确有发射信号到达，并执行步骤6)。

5.根据权利要求4所述的非应答式水下测量声信号传播时延的方法，其特征在于，所述的步骤6)具体包括：

步骤601)对报文编码信号中的报文数据进行扩频数据解调，得到发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx和报文数据CRC校验和；

步骤602)使用CRC校验和对接收到的报文数据进行CRC校验，若校验错误，则重新执行步骤5)，若校验正确，则保存发射信号时刻“同步时钟时间戳信息”T_tx，并根据发射信号的长度计算发射信号时间长度T_signal后，执行步骤7)。

6.根据权利要求1所述的非应答式水下测量声信号传播时延的方法，其特征在于，所述的信号接收端采用计时精度为毫秒量级以上的本地计时器。

7.根据权利要求1所述的非应答式水下测量声信号传播时延的方法，其特征在于，所述的扩频调制采用直接序列扩频或跳频扩频或软扩频或组合扩频或Chirp扩频方式。