CN109444896A - 水声阵列定位系统及其定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水声阵列定位系统及其定位方法，其特征在于，包括：水听器阵列，用于对目标信号进行采集；与水听器阵列连接的通道选择模块；用于选择水听器阵列当中阵元所采集的模拟信号；与通道选择模块连接的放大滤波模块；用于处理模拟信号，使模拟信号的通带与系统工作频段一致，即是300K~1.2MHz；多数据采集与预处理模块，用于将模拟信号转换为数字信号，并且进行数字信号预处理，所述多数据采集与预处理模块与放大滤波模块连接；定位算法模块，用于计算处理后的数字信号，实现多目标的波达方向解算，且与多数据采集与预处理模块连接。

Description

水声阵列定位系统及其定位方法
技术领域
本发明涉及海洋探测定位系统领域，尤其是一种水声阵列定位系统及其定位方法。
背景技术
海洋占地球面积的70%以上，蕴含着丰富的资源，为人类提供了可持续发展的新空间。但海洋探测技术远远落后于无线电技术，导致海洋资源的探索、开发极为缓慢。
在广阔的海洋水下空间中，电磁波的传播衰减非常严重，目前已知的水下传播距离最远的能量辐射形式是声波，所以水下技术还是以水声技术为主。在海洋开发、水下工程与军事应用中，一个最基本且最重要的问题是确定目标的存在和位置。这就是水下声学定位（underwater acoustic positioning）的由来。水声定位技术是水声技术和应用的关键技术之一，目前已广泛应用于目标跟踪识别、精确制导、水下探测、海底探索等方面。
水声定位是通过水声设备来确定水下目标的方位和距离的技术。利用三个以上的水听器构成水听器基阵，接收水下声脉冲信号，测量脉冲信号到达基阵各阵元时间差或相位差进行定位。二战结束之后，水下声学受到美国、欧洲多个发达国家等的重视，投入大量人力物力财力进行水下声学的研究，水声学由此得到迅速发展。并出现了多类声学定位系统。多数声学定位系统利用时间差或相位差一次只能定位一个目标，无法在多目标定位场景中使用。为了解决这个问题，将应用于空气信道的阵列信号处理技术经过水声信道适配后用于水下定位。
阵列信号处理最初来源于常规波束形成（CBF），基本原理是通过调整各个传感器上的时间延迟量，使得对于空间特定方向形成指向能力，对波束所指方向的信号最大化，其他方向的信号尽量抑制。
针对水下多目标声学定位中的问题，使用阵列信号处理的方法。但水听器阵为4*12阵列共48阵元，成均匀面阵排布，而数据采集通道只有12通道。如何做到12路数据同步采集与存储及在水听器阵列中选取12路组合成不同的阵型，使得在不同应用场景下使用不同阵型及算法满足实际需求，是本文要解决的两大问题。
目前根据定位系统的接收基阵的基线长度，可以将水声定位系统分为三类：长基线(Long Base-Line)、短基线(Short Base-Line)、超短基线(Ultra Short Base-Line)。长基线基阵长度在几公里到几十公里，利用测量水下目标声源到各个基元间的距离确定目标的位置。短基线的基阵长度一般在几米到几十米，利用目标发出的信号到达接收阵各个基元的时间差，解算目标的方位和距离。超短基线基阵长度一般在几个厘米到几十厘米，利用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位和距离。
发明内容
本发明的目的是提供一种水声阵列定位系统及其定位方法，旨在于解决现有水声定位系统无法做到从12路数据同步采集与存储及在水听器阵列中选取12路组合成不同的阵型，使得在不同应用场景下使用不同阵型及算法满足实际需求的技术问题。
为实现上述的目的，本发明的技术方案为：一种水声阵列定位系统，其包括：
水听器阵列（包括n个阵元，分别为阵元1，阵元2，阵元3....阵元n-1，阵元n），用于对目标信号进行采集；
与水听器阵列连接的通道选择模块；用于选择水听器阵列当中阵元所采集的模拟信号；
与通道选择模块连接的放大滤波模块；用于处理模拟信号，使模拟信号的通带与系统工作频段一致，即是300K~1.2MHz；
多数据采集与预处理模块，用于将模拟信号转换为数字信号，并且进行数字信号预处理，所述多数据采集与预处理模块与放大滤波模块连接；
定位算法模块，用于计算处理后的数字信号，实现多目标的波达方向解算，且与多数据采集与预处理模块连接。
所述的水声阵列定位系统，其中，所述通道选择模块采用FPGA芯片，并且使用硬件描述语言Verilog HDL编写代码，设置快速改变阵型按钮。
所述的水声阵列定位系统，其特征在于，所述定位算法模块采用DOA估计算法进行定位计算。
所述的水声阵列定位系统，其中，所述放大滤波模块采用运算放大器。
所述的水声阵列定位系统，其中，所述多数据采集与预处理模块采用检测各通道脉冲前沿及后沿方法，以最后检测到的脉冲时刻为开始，以最先检测到脉冲后沿为结束，对这期间各通道接收信号进行阵列信号处理。
所述的声阵列定位系统，其中，所述模拟信号一般为脉冲信号，脉冲信号包括CW信号、LFM信号或者跳频信号。
所述的声阵列定位系统，其中，所述水听器阵列为48阵元。
一种水声阵列定位系统的定位方法，其中，包括以下步骤：
步骤一，首先通过水听器阵列对目标信号进行采集；
步骤二，通道选择模块选择12路通道中的阵元的模拟信号，并传输给放大滤波模块；
步骤三，放大滤波模块对模拟信号进行放大和滤波，使得模拟信号的通带与系统工作频段一致；
步骤四，再由多数据采集与预处理模块进行信号转换，将模拟信号转换为数字信号，并对数字信号进行预处理；
步骤五，最后由定位算法模块采用DOA估计算法实现多目标的波达方向解算。
所述的水声阵列定位系统的定位方法，其中，所述步骤四包括以下步骤：
步骤A,首先数字信号进行带通滤波，然后进行包络检波和门限检测；
步骤B，其次，再由鉴宽器进行有效信号判别，若判断此次脉冲信号无效，则取消分组时间，重新开始本通道的前沿检测，若经过鉴宽器判定有效，则开始保存每路数据，并执行步骤C；
步骤C，各通道均检测到脉冲前沿后，且经鉴宽器判别有效，则开始运行实时定位算法。
所述的水声阵列定位系统的定位方法，其中，所述步骤C中，在运行定位算法的过程汇中若某一通道检测到脉冲后沿，则后续数据不再参与定位；且在各通道均检测到脉冲后沿后将关门一段时间，这段时间不做检测，并在一段时间后重新开始检测前沿。
有益效果：本发明可以从12路数据同步采集与存储及在水听器阵列中选取12路组合成不同的阵型，使得在不同应用场景下使用不同阵型及算法满足实际需求。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的工作流程图。
图3是本发明的数字信号处理流程。
图4是本发明的多路信号判别示意图。
图5是本发明的定位方法步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种水声阵列定位系统，其包括：
水听器阵列1，用于对目标信号进行采集；
与水听器阵列1连接的通道选择模块2；用于选择水听器阵列当中阵元所采集的模拟信号；
与通道选择模块2连接的放大滤波模块3；用于处理模拟信号，使模拟信号的通带与系统工作频段一致，即是300K~1.2MHz，本发明的放大滤波电路除了完成基本的信号放大及滤波外，最重要是保持各通路的一致性。；
多数据采集与预处理模块4，用于将模拟信号转换为数字信号，并且进行数字信号预处理，所述多数据采集与预处理模块4与放大滤波模块3连接；
定位算法模块5，用于计算处理后的数字信号，实现多目标的波达方向解算，且与多数据采集与预处理模4连接。
空间中信号到达方向（Direction of Arrival，DOA）是阵列信号处理的一个基本问题，主要用于确定同时在某一区域内多个（含一个）信号源的空间位置
如图2所示，本发明首先通过水声传感器（水听器）阵列对目标信号进行采集；此时信号为模拟信号，通过对模拟信号进行降噪，滤波放大，提高信噪比等手段后通过数据采集软件同步采集数据，将模拟信号转变为数字信号，然后再讲数字信号进一步进行滤波等预处理，处理后的数据经过定位算法可得出定位结果。本发明的水听器阵列为12*4共48阵元，但采集通道只有12路，所以增加48选12通道选择模块，旨在快速改变阵型
所述的水声阵列定位系统，其中，所述通道选择模块2采用FPGA芯片，并且使用硬件描述语言Verilog HDL编写代码，设置快速改变阵型按钮，所以每个按键代表一个阵型。
所述的水声阵列定位系统，其特征在于，所述定位算法模块5采用DOA估计算法进行定位计算。
所述的水声阵列定位系统，其中，所述放大滤波模块3采用运算放大器。
所述的水声阵列定位系统，其中，所述多数据采集与预处理模块4采用检测各通道脉冲前沿及后沿方法，以最后检测到的脉冲时刻为开始，以最先检测到脉冲后沿为结束，对这期间各通道接收信号进行阵列信号处理；所述水声阵列定位系统还包括数据存储模块6，用于存储判定有效的数据。
所述的声阵列定位系统，其中，所述模拟信号一般为脉冲信号，脉冲信号包括CW信号、LFM信号或者跳频信号。
因为在水下测量中，最常用的是脉冲信号，如CW，LFM，跳频等，信号在整个接收时间段内所占时间很短。按照阵列信号处理要求来看，显然不能直接将接收到的信号用于定位，而需要找到一个时间窗，在这个时间窗内，各通道均有信号，才能实现阵列信号输入的要求。所以本发明采用检测各通道脉冲前沿及后沿方法，以最后检测到的脉冲时刻为开始，以最先检测到脉冲后沿为结束，对这期间各通道接收信号进行阵列信号处理。
所述的声阵列定位系统，其中，所述水听器阵列1为48阵元。
如图5所示，本发明公开了一种水声阵列定位系统的定位方法，其中，包括以下步骤：
步骤一，首先通过水听器阵列对目标信号进行采集；
步骤二，通道选择模块选择12路通道中的阵元的模拟信号，并传输给放大滤波模块；
步骤三，放大滤波模块对模拟信号进行放大和滤波，使得模拟信号的通带与系统工作频段一致；
步骤四，再由多数据采集与预处理模块进行信号转换，将模拟信号转换为数字信号，并对数字信号进行预处理；
步骤五，最后由定位算法模块采用DOA估计算法实现多目标的波达方向解算。
所述的水声阵列定位系统的定位方法，其中，所述步骤四包括以下步骤：
步骤A,首先数字信号进行带通滤波，然后进行包络检波和门限检测；
步骤B，其次，再由鉴宽器进行有效信号判别，若判断此次脉冲信号无效，则取消分组时间，重新开始本通道的前沿检测，若经过鉴宽器判定有效，则开始保存每路数据，并执行步骤C；
步骤C，各通道均检测到脉冲前沿后，且经鉴宽器判别有效，则开始运行实时定位算法。
所述的水声阵列定位系统的定位方法，其中，所述步骤C中，在运行定位算法的过程汇中若某一通道检测到脉冲后沿，则后续数据不再参与定位；且在各通道均检测到脉冲后沿后将关门一段时间，这段时间不做检测，并在一段时间后重新开始检测前沿。
如图3所示，本发明的数字信号处理流程和多路信号判别示意图，其中数字洗好处理流程为：先将数字信号进行带通滤波，然后进行包络检波和门限检测；再由鉴宽器进行有效信号判别，若经过鉴宽器判定有效，则开始保存每路数据；且经鉴宽器判别有效，则开始运行实时定位算法，将有效的信号进行进行幅值补偿，再进行相位计算，最后进行方位计算。
如图4所示，本发明的多路信号判别示意图，信号处理过程为：
（1）当某一接收通道（一般为阵列边界阵元）的信号前沿被检测到以后，开始进行分组，同时经过鉴宽器进行有效信号判别。若判断此次脉冲信号无效，则取消分组时间，重新开始本通道的前沿检测；
（2）若经过鉴宽器判定有效，则开始保存每路数据。各通道均检测到脉冲前沿后，且经鉴宽器判别有效，则开始运行实时定位算法；
（3）若某一通道检测到脉冲后沿，则后续数据不再参与定位；
（4）在各通道均检测到脉冲后沿后将关门一段时间，这段时间不做检测；
（5）一段时间后重新开始检测前沿。
在实际中，水声信号较多使用CW信号，尤其在定位中使用最多，CW信号是单频调制的方形脉冲。实信号表示式为公式2-5
S（t）=A*sin（2πf0t），0<t<T（2-5）
其中，A为信号幅度，f0为单频调制信号的频率，t为时间，T为信号脉宽。A/D采样后，模拟信号变为数字信号，形式为公式2-6
S（k）=A*sin（2πf0k/fs），k=0，1，.....N（2-6）
其中，k为采样序号，fs为采样频率，包络检测计算式为公式2-7
A2=S2（k）+ S，2（k）（2-7）
上式中， S，2（k）为信号S2（k）的希尔伯特变换。而正弦信号的希尔伯特变换等于同频率的余弦信号。
信号能量的跃变时刻和信号前沿到达时刻很接近，因此可以将信号能量跃变时刻近似的作为信号前沿到达时刻，这就是包络门限检测法。
本发明可以从12路数据同步采集与存储及在水听器阵列中选取12路组合成不同的阵型，使得在不同应用场景下使用不同阵型及算法满足实际需求。
其中，DOA估计算法包括多重信号分类（MUSIC）算法和求根MUSIC算法。
以上是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，不付出创造性劳动对本发明技术方案的修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种水声阵列定位系统，其特征在于，包括：
水听器阵列，用于对目标信号进行采集；
与水听器阵列连接的通道选择模块；用于选择水听器阵列当中阵元所采集的模拟信号；
与通道选择模块连接的放大滤波模块；用于处理模拟信号，使模拟信号的通带与系统工作频段一致，即是300K~1.2MHz；
多数据采集与预处理模块，用于将模拟信号转换为数字信号，并且进行数字信号预处理，所述多数据采集与预处理模块与放大滤波模块连接；
定位算法模块，用于计算处理后的数字信号，实现多目标的波达方向解算，且与多数据采集与预处理模块连接。
2.根据权利要求1所述的水声阵列定位系统，其特征在于，所述通道选择模块采用FPGA芯片，并且使用硬件描述语言Verilog HDL编写代码，设置快速改变阵型按钮。
3.根据权利要求1所述的水声阵列定位系统，其特征在于，所述定位算法模块采用DOA估计算法进行定位计算。
4.根据权利要求1所述的水声阵列定位系统，其特征在于，所述放大滤波模块采用运算放大器。
5.根据权利要求1所述的水声阵列定位系统，其特征在于，所述多数据采集与预处理模块采用检测各通道脉冲前沿及后沿方法，以最后检测到的脉冲时刻为开始，以最先检测到脉冲后沿为结束，对这期间各通道接收信号进行阵列信号处理。
6.根据权利要求1所述的声阵列定位系统，其特征在于，所述模拟信号一般为脉冲信号，脉冲信号包括CW信号、LFM信号或者跳频信号。
7.根据权利要求1所述的声阵列定位系统，其特征在于，所述水听器阵列为48阵元。
8.一种如权利要求1-7任意一项所述的水声阵列定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，首先通过水听器阵列对目标信号进行采集；
步骤二，通道选择模块选择12路通道中的阵元的模拟信号，并传输给放大滤波模块；
步骤三，放大滤波模块对模拟信号进行放大和滤波，使得模拟信号的通带与系统工作频段一致；
步骤四，再由多数据采集与预处理模块进行信号转换，将模拟信号转换为数字信号，并对数字信号进行预处理；
步骤五，最后由定位算法模块采用DOA估计算法实现多目标的波达方向解算。
9.根据权利要求8所述的水声阵列定位系统的定位方法，其特征在于，所述步骤四包括以下步骤：
步骤A，首先数字信号进行带通滤波，然后进行包络检波和门限检测；
步骤B，其次，再由鉴宽器进行有效信号判别，若判断此次脉冲信号无效，则取消分组时间，重新开始本通道的前沿检测，若经过鉴宽器判定有效，则开始保存每路数据，并执行步骤C；
步骤C，各通道均检测到脉冲前沿后，且经鉴宽器判别有效，则开始运行实时定位算法。
10.根据权利要求8所述的水声阵列定位系统的定位方法，其特征在于，所述步骤C中，在运行定位算法的过程汇中若某一通道检测到脉冲后沿，则后续数据不再参与定位；且在各通道均检测到脉冲后沿后将关门一段时间，这段时间不做检测，并在一段时间后重新开始检测前沿。
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