CN109814094B - 一种多目标水声定位时延估计算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多目标水声定位时延估计算法，包括单目标的相关包络函数峰值检测和多目标分类识别算法。该算法采用先进复杂的正交编码技术，完成多目标的地址编码，实现水下多目标的分类；采用宽带时延估计技术，提高了时延估计的精度。该算法以匹配滤波算法为核心，采用了信号的三个特征完成了多目标信号检测和识别，它们分别是信号短时能量比、单目标相关峰包络比和多目标相关峰包络比，提高了在复杂水声衰落信道下的多目标系统时延估计准确性和可靠性。

Description

一种多目标水声定位时延估计算法

技术领域

本发明属于水声定位技术领域，尤其涉及一种多目标水声定位时延估计算法。

背景技术

伴随着新型海洋技术的发展，大量的水面舰船和水下航行器被布放在相同的海域，水下多目标的定位导航技术成为迫切的需求。在水声定位领域，定位精度受到基阵的安装误差、时延估计误差和声速误差等参数的影响。其中，在时延估计技术领域，有窄带时延估计技术和宽带时延估计技术，基于宽带信号的时延估计技术有更高的测时精度，为高精度的水声定位提供了理论基础。

虽然在无线电定位通信系统中，目前已有的算法能够相对精确地估计时延，但是水声信道是时分快速衰落信道，多普勒频移严重、可利用带宽窄和复杂多变的强多途信号干扰；同时水声信道中还伴有海洋环境背景噪声和船舶等的各种航行噪声。这些不确定的信道特性引起了接收信号幅频特性的畸变，导致了时延估计的精度和准确性急剧下降。

线性调频信号(Linear Frequency Modulation Signal，LFM)，具有较大的时宽带宽积；匹配滤波后的输出信号对回波信号的多普勒频移不敏感，具有较好的距离分辨率和径向速度分辨率，在单目标定位系统中得到广泛的应用。但是在多目标定位导航系统中，与LFM信号正交的参考样本太少，满足不了多目标的定位需求。

发明内容

为了解决水下多目标的定位导航难题，本发明提出了一种多目标水声定位时延估计算法。

本发明所采用的技术方案是：

一种多目标的水声定位时延估计算法，包括：

步骤1，接收信号分帧、加窗预处理，计算与已知多目标样本信号的广义互相关信号，得到每个单目标包络信号，并计算出在[t₀-τ,t₀+τ]的时间范围内的多目标相关器极大值A_max；

步骤2，确定时间搜索门限Th_t1，计算每个目标的相关包络信号的极大值；确定时间回溯窗Th_t2，当前时刻t₀的包络与t₀-Th_t2时刻的包络比值满足理论设定门限时，满足包络直达声峰值检测条件，根据定位距离和环境噪声确定门限值；

步骤3，接收信号分帧，计算每帧信号的短时能量，当步骤2的信号能量与后一帧的信号能量比满足理论设定门限时，满足包络短时能量比检测条件，根据信道衰落导致信号能量起伏确定门限值；

步骤4，单目标在时刻t₀的包络与多目标相关器的极大值满足理论设定门限时，满足多目标联合包络检测条件，根据信道引起不同目标定位信号能量的衰落确定门限值；

步骤5，接收信号在多目标相关器检测时，同时满足步骤2-4的判断条件后，确定时刻t₀，精确估计出每个目标对应信号的时延，否则更新噪声值，继续检测。

较佳的，所述步骤1进一步包括：

步骤11，接收信号与已知样本信号的互相关运算，计算公式为

其中y(n)是已知的参考样本，x(n)是信号采集样本序列，*表示复共轭，N是每帧数据的长度；

步骤12，相关信号R(m)的Hilbert变换，得到信号的虚部

步骤13，相关信号的包络信号，根据信号的实部和虚部得到信号的包络信号

并查找[t₀-τ,t₀+τ]的时间范围内的包络最大值A_max。

较佳的，所述步骤2进一步包括：

步骤21，确定时间搜索门限Th_t1，计算连续多帧相关包络信号的极大值；

步骤22，确定回溯数据帧的时间Th_t2，当A_R(t₀)＞Kf₁×A_R(t₀-Th_t2)时，满足直达声包络检测条件，其中Kf₁是信号噪声门限比系数。

较佳的，步骤3进一步包括：

步骤31，接收信号分帧处理，划分为不同的时间段，每段时间的信号长度为N，

步骤32，当前帧能量E_framne＜Kf₂×E_framne+1时，满足包络短时能量比检测条件，其中Kf₂是短时能量比系数。

较佳的，步骤4进一步包括：

步骤41，每个目标相关包络的输出值，当前时刻的包络输出A_R(t₀)＜Kf₃×A_max时，满足多目标联合检测条件，其中Kf₃是多目标相关系数的比例系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用了信号短时能量比、单目标相关峰包络比和多目标相关峰包络比三个特征完成了多个定位目标信号的检测和时延估计；本发明首先采用信号短时能量比特征参数，解决了接收信号中的脉冲干扰问题，提高了单个目标信号检测的鲁棒性和可靠性；根据长时的相关峰包络比特征参数，成功地解决了多途干扰信号包络多峰值现象，精确地定位直达声的包络峰值，提高了时延估计的准确率；根据短时的多目标相关峰包络比特征参数，解决了多目标信号串扰难题，实现了水下多目标的精准测时。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明的多目标时延估计信号处理流程示意图；

图2为本发明的多目标时延负极处理流程示意图；

图3为本发明的模拟仿真的两目标多途信号时域波形图；

图4为本发明的两路目标时延估计精度结果图；

图5为本发明的多途模拟仿真信道直线运动轨迹；

图6为本发明的多途模拟仿真信道圆形运动轨迹。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。

参考图1和图2，一种多目标的水声定位时延估计算法，包括：

步骤1，接收信号分帧、加窗预处理，计算与已知多目标样本信号的广义互相关信号，得到每个单目标包络信号，并计算出在[t₀-τ,t₀+τ]的时间范围内的多目标相关器极大值A_max。所述步骤1进一步包括：步骤11，接收信号与已知样本信号的互相关运算，计算公式为

其中y(n)是已知的参考样本，x(n)是信号采集样本序列，*表示复共轭，N是每帧数据的长度；步骤12，相关信号R(m)的Hi lbert变换，得到信号的虚部

步骤13，相关信号的包络信号，根据信号的实部和虚部得到信号的包络信号

并查找[t₀-τ,t₀+τ]的时间范围内的包络最大值A_max。

步骤2，确定时间搜索门限Th_t1，计算每个目标的相关包络信号的极大值；确定时间回溯窗Th_t2，当前时刻t₀的包络与t₀-Th_t2时刻的包络比值满足理论设定门限时，满足包络直达声峰值检测条件，根据定位距离和环境噪声确定门限值。所述步骤2进一步包括：步骤21，确定时间搜索门限Th_t1，计算连续多帧相关包络信号的极大值；步骤22，确定回溯数据帧的时间Th_t2，当A_R(t₀)＞Kf₁×A_R(t₀-Th_t2)时，满足直达声包络检测条件，其中Kf₁是信号噪声门限比系数。

步骤3，接收信号分帧，计算每帧信号的短时能量，当步骤2的信号能量与后一帧的信号能量比满足理论设定门限时，满足包络短时能量比检测条件，根据信道衰落导致信号能量起伏确定门限值；步骤3进一步包括：步骤31，接收信号分帧处理，划分为不同的时间段，每段时间的信号长度为N，

步骤32，当前帧能量E_framne＜Kf₂×E_framne+1时，满足包络短时能量比检测条件，其中Kf₂是短时能量比系数。

步骤4，单目标在时刻t₀的包络与多目标相关器的极大值满足理论设定门限时，满足多目标联合包络检测条件，根据信道引起不同目标定位信号能量的衰落确定门限值。步骤4进一步包括：步骤41，每个目标相关包络的输出值，当前时刻的包络输出A_R(t₀)＜Kf₃×A_max时，满足多目标联合检测条件，其中Kf₃是多目标相关系数的比例系数。

步骤5，接收信号在多目标相关器检测时，同时满足步骤2-4的判断条件后，确定时刻t₀，精确估计出每个目标对应信号的时延，否则更新噪声值，继续检测。

本发明采用码分多址技术和相位调制技术，以匹配滤波算法为核心算法，完成多目标时延估计的算法，采用了信号的三个特征参数完成多目标信号的检测和识别，提高了在复杂水声衰落信道下的时延估计准确性和可靠性。本发明方法适用于长基线水声定位系统和短基线水声定位系统等。

图3所示为定位导航系统接收到的在多途射线信道模型下两目标仿真信号，信道环境参数为：工作距离5km，水深300m，发射换能器悬吊在水下30m，接收换能器水下260m，航速6节。本实施例的方法是通过询问应答，采用多个换能器收发码分多址定位信号，精确估计相对时延，实现定位测距的功能。其中定位信号采用相位调制信号，脉宽T，带宽8KHz，系统的采样率是f_s。本实施例的方法包括以下步骤：

1)接收信号分帧、加窗预处理，每帧长度128个点，与已知信号做互相关运算，得到每帧信号的相关信号；

2)对相关信号做Hilbert变换，得到相关信号的包络值；确定时间搜索窗Th_t1＝0.58ms，查找相关包络信号的极大值；确定回溯时间窗Th_t2＝20ms，当时刻t₀的包络值A_R(t₀)＞Kf₁×A_R(t₀-Th_t2)，满足相关包络信号峰值判断条件；

3)接收信号加窗，分帧处理，每帧长度32个点，计算时刻t₀数据帧的能量E_framne和下一帧的能量E_framne+1，当E_framne＜Kf₃×E_framne+1时，满足相关包络短时能量比检测条件；

4)单目标在时刻t₀的包络与多目标相关器的极大值满足理论设定门限时，满足多目标联合包络检测条件；

5)确定窗长度为20ms的时间窗[t₀-0.005,t₀+0.015]，对该时间窗的相关包络信号做样条插值，提高线性调频信号的估计精度。

本发明充分利用正交编码技术，在多目标系统中获得足够大的信号干扰抑制比，解决了多目标串扰问题；采用样条插值的方法，提高时延的估计精度；同时采用信号短时能量比特征参数，解决了接收信号中的脉冲干扰问题等。该算法性能稳定，在多途衰落信道中，相关包络信道存在多峰值的情况下，实时检测，准确地判断出直达声信号的峰值，如图4所示。本发明提出的算法在仿真模拟的水声射线信道模型中取得了理想的效果，如图5和图6所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种多目标水声定位时延估计算法，其特征在于，包括：

步骤1，接收信号分帧、加窗预处理，计算与已知多目标样本信号的广义互相关信号，得到每个单目标包络信号，并计算出在[t₀-τ,t₀+τ]的时间范围内的多目标相关器极大值A_max；

步骤11，接收信号与已知多目标样本信号的互相关运算，计算公式为

其中y(n)是已知多目标样本信号，x(n)是接收信号，*表示复共轭，N是每段时间的信号长度；

步骤12，相关信号R(m)的Hilbert变换，得到信号的虚部

π是圆周率；

步骤13，相关信号的包络信号，根据信号的实部和虚部得到信号的包络信号

并查找[t₀-τ,t₀+τ]的时间范围内的多目标相关器极大值A_max；

步骤2，确定时间搜索门限Th_t1，确定时间回溯窗Th_t2，当前时刻t₀的包络信号与t₀-Th_t2时刻的包络信号比值满足时间搜索的理论设定门限时，满足包络直达声峰值检测条件，根据定位距离和环境噪声确定时间搜索的理论设定门限值；

步骤3，接收信号分帧，计算每帧信号的短时能量，当步骤2中包络信号的信号能量与后一帧包络信号的信号能量比满足能量起伏的理论设定门限时，满足包络短时能量比检测条件，根据信道衰落导致信号能量起伏确定能量起伏的理论设定门限值；

步骤4，单目标在时刻t₀的包络与多目标相关器的极大值满足信号衰弱的理论设定门限时，满足多目标联合包络检测条件，根据信道引起不同目标定位信号能量的衰落确定信号衰弱的理论设定门限值；

步骤5，接收信号在多目标相关器检测时，同时满足步骤2-4的判断条件后，确定时刻t₀，精确估计出每个目标对应信号的时延，否则更新噪声值，继续检测。

2.根据权利要求1所述的一种多目标水声定位时延估计算法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：

步骤21，确定时间搜索门限Th_t1；

步骤22，确定时间回溯窗Th_t2，当A_R(t₀)＞Kf₁×A_R(t₀-Th_t2)时，满足包络直达声峰值检测条件，其中,Kf₁是信号噪声门限比系数,A_R(t₀)表示t₀时刻的包络信号。

3.根据权利要求2所述的一种多目标水声定位时延估计算法，其特征在于，步骤3进一步包括：

步骤31，接收信号分帧处理，划分为不同的时间段；

步骤32，当前帧能量E_framne＜Kf₂×E_framne+1时，满足包络短时能量比检测条件，其中Kf₂是短时能量比系数。

4.根据权利要求3所述的一种多目标水声定位时延估计算法，其特征在于，步骤4进一步包括：

步骤41，计算每个目标包络信号的输出值，当前时刻的包络输出A_R(t₀)＜Kf₃×A_max时，满足多目标联合检测条件，其中Kf₃是多目标相关系数的比例系数。

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