CN111273294A - 一种基于时间反转的水声脉冲回波测距方法 - Google Patents

一种基于时间反转的水声脉冲回波测距方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于时间反转的水声脉冲回波测距方法，通过对多径信道各路径时延进行估计，获取并设计虚拟信道；将接收信号通过虚拟信道，消除由多径效应引起的接收信号时间扩展现象；通过自适应能量加窗算法截断时反输出信号的旁峰成分，并提取信号的聚焦峰；对加窗信号与发射信号进行相关处理寻找接收信号的准确到达时间，信号到达时间与信号发射时间之差为信号在水下传播时长,最终利用声传播公式对测距系统与目标之间的距离进行测量。本发明消除了多径效应引起的信号畸变，提高了提取目标回波到达时间的准确性，进而提高多径环境下测距精度。

Description

一种基于时间反转的水声脉冲回波测距方法
技术领域
本发明属于信息信号处理领域，涉及一种脉冲测距方法。
背景技术
脉冲测距法是利用发射脉冲与接收信号之间的时间差来进行测距的方法。由于该方法理论简单易于实现，因此广泛应用于主动声呐系统。在水声脉冲测距系统中，测时精度决定了测距精度，如何提高测时精度是脉冲测距方法的关键问题之一。
测距系统存在系统时延，采用多次标定测量系统时延的方法可以有效降低系统时延带来的测时误差；水声接收机具有一定带宽使得一些边频不能通过，接收信号频谱的完整性受到影响，接收机的输出波形会产生一定失真，在时域上表现为脉冲前后沿出现起伏不再陡峭，利用三次样条插值法重构接收信号，精确求出每个载波周期的峰值提取出信号包络，在对信号包络进行平滑后通过求解斜率最大值来估计时延从而提高测时精度；复杂水声环境下，由界面反射或散射体散射引起的多径效应将会产生强混响，使得测距系统不能准确判断出反射信号到达的真实时刻，进而影响系统的测时精度。这种由多径效应产生的混响有两类常采用的处理方式，一类是针对混响的统计特性对其进行预白化处理，另一类是根据目标反射信号与混响相关性的差异，采用子空间分解理论从回波信号中将反射信号和混响信号分离开来，这两类方法具有一定提高信混比的能力，但是这些算法都是对多径效应带来的混响进行抑制，算法复杂实时性差。此外，由于不能对所有的混响进行抑制，干扰伪峰依然存在不利于对到达时间的精确估计。时间反转是一种空时聚焦技术，操作简单且利用其聚焦特性，可以消除多径效应引起的信号畸变，适用于提高多径环境下测距精度的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于时间反转的水声脉冲回波测距方法，通过对多径信道各路径时延进行估计，获取并设计虚拟信道；将接收信号通过虚拟信道，消除由多径效应引起的接收信号时间扩展现象；通过自适应能量加窗算法截断时反输出信号的旁峰成分，并提取信号的聚焦峰；对加窗信号与发射信号进行相关处理寻找接收信号的准确到达时间，信号到达时间与信号发射时间之差为信号在水下传播时长；最终利用声传播公式对测距系统与目标之间的距离进行精确测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
第一步，发射探测脉冲信号s(t)，发射时间记为τ1；
第二步，接收目标反射信号
Figure BDA0002387539400000021
式中，n为信道多径路径变量，N为信道多径数量，An为第n条路径对应的幅值，ξn为第n条路径对应的时延，d(t)为接收端加性噪声；
第三步，估计水声信道各路径时延
Figure BDA0002387539400000022
式中，δ为冲击函数，ζn'为估计的第n条路径对应的时延；
第四步，将接收信号进行时间反转处理，得到yAS(-t)，将时间反转后的信号通过估计信道
Figure BDA0002387539400000023
构建的虚拟信道，输出信号
式中，ζmn＝ζm-ζn为第m路径与第n条路径时延之差；
第四步，通过自适应能量加窗算法截断旁峰成分并提取信号的聚焦峰，加窗后的接收信号
Figure BDA0002387539400000025
TEmax≤t≤TEmax+Ts-1，式中，Ts为探测脉冲信号s(t)的时宽，TEmax为能量函数最大值所在位置，
Figure BDA0002387539400000026
arg为当|z(t)|2取最大值时TEmax的取值，Ans(-t)为截断的虚拟信道输出信号，
Figure BDA0002387539400000027
为截断噪声；
第五步，把加窗后输出结果与取反发射信号s(-t)进行相关处理，得到相关函数
Figure BDA0002387539400000028
式中，τ为时延变量，R-s(τ)＝E[s(-t)s(-t)]为s(-t)的自相关函数；
第六步，确定相关函数中峰值所在位置为回波信号到达时刻
Figure BDA0002387539400000029
第七步，估计测距系统与目标之间的距离
Figure BDA00023875394000000210
式中，
Figure BDA00023875394000000211
为平均声速。
本发明的有益效果是：通过对多径信道各路径时延进行估计，获取并设计虚拟信道；将接收信号通过虚拟信道，消除由多径效应引起的接收信号时间扩展现象；通过自适应能量加窗算法截断时反输出信号的旁峰成分，并提取信号的聚焦峰；对加窗信号与发射信号进行相关处理寻找接收信号的准确到达时间，信号到达时间与信号发射时间之差为信号在水下传播时长。最终利用声传播公式对测距系统与目标之间的距离进行测量。本发明利用时间反转技术的聚焦特性，消除了多径效应引起的信号畸变，从而提高了提取目标回波到达时间的准确性，进而提高多径环境下测距精度。本发明为水下目标探测定位跟踪等技术提供理论支撑，为我国实施远海防卫与近海防御战略打下坚实基础。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
具体实施方式
针对水下多径效应影响测时精度进而影响测距精度的问题，本发明提出基于时间反转的脉冲回波测距方法。
本发明的主步骤如下：
第一步：发射探测脉冲信号
测距系统探测脉冲信号记为s(t)，发射时间记为τ1。
第二步：接收目标反射信号
测距系统接收回波信号，
Figure BDA0002387539400000031
式中，
Figure BDA0002387539400000032
为射线模型下水声多径信道，s(t)为第一步发射的探测脉冲信号，t为时间变量，*为卷积运算，∑为求和符号，n为信道多径路径变量，N为信道多径数量，An为第n条路径对应的幅值，ξn为第n条路径对应的时延，d(t)为接收端加性噪声。
第三步：估计水声信道各路径时延
Figure BDA0002387539400000033
式中，
Figure BDA0002387539400000034
为估计的信道，ζn'为估计的第n条路径对应的时延。
第四步：对接收信号进虚拟时间反转处理
将接收信号进行时间反转处理，得到yAS(-t)，将时间反转后的信号通过估计信道
Figure BDA0002387539400000041
构建的虚拟信道，输出信号为，
Figure BDA0002387539400000042
式中，yAVTR(t)为输出信号，ζmn＝ζm-ζn为第m路径与第n条路径时延之差。
第四步：对虚拟时间反转处理后的信号进行自适应能量加窗处理
通过自适应能量加窗算法截断旁峰成分并提取信号的聚焦峰，
Figure BDA0002387539400000043
式中，z(t)为加窗后的接收信号
Figure BDA0002387539400000044
为窗函数，Ts为探测脉冲信号s(t)的时宽，TEmax为能量函数最大值所在位置，其获取方法为
Figure BDA0002387539400000045
arg为当|z(t)|2取最大值时TEmax的取值，Ans(-t)为截断的虚拟信道输出信号，
Figure BDA0002387539400000046
为截断噪声。
第五步：获取相关函数
把上加窗后输出结果与发射信号s(-t)(s(t)取反)进行相关处理，
Figure BDA0002387539400000047
式中，Rz(τ)为相关函数，τ为时延变量，E[]为求期望，R-s(τ)＝E[s(-t)s(-t)]为s(-t)的自相关函数。
第六步：估计接收信号到达时刻
相关函数中峰值所在位置为回波信号到达时刻，
Figure BDA0002387539400000048
式中，
Figure BDA0002387539400000049
为回波信号到达时刻，arg为当Rz(τ)取最大值时，τ的取值。
第七步：估计测距系统与目标之间的距离
水声信号从发射到接收，传播的距离是测距系统与目标之间距离的两倍，
Figure BDA0002387539400000051
式中，D为目标距离，
Figure BDA0002387539400000052
为平均声速。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
第一步：发射探测脉冲信号
为了便于对信道估计，采用设计波形作为探测脉冲信号，如线性调频信号，双曲调频信号或伪随机调制信号等。测距系统探测脉冲信号选用线性调频信号记为s(t)，发射频率为10kHz～12kHz，发射时宽为100ms。
第二步：接收目标反射信号
测距系统接收回波信号，
Figure BDA0002387539400000053
式中，yAS(t)为接收的目标回波信号，
Figure BDA0002387539400000054
为射线模型下水声多径信道，s(t)为，t为时间变量，*为卷积运算，∑为求和符号，n为信道多径路径变量，N为信道多径数量，An为第n条路径对应的幅值，ξn为第n条路径对应的时延，d(t)为接收端加性噪声。为了收集完整的时延扩展信号，增大信号接收时长，这里接收时长为200ms
第三步：估计水声信道各路径时延
根据相关法对水声信道各路径时延进行估计，
Figure BDA0002387539400000055
式中，
Figure BDA0002387539400000056
为估计的信道，ζn'为估计的第n条路径对应的时延。
第四步：对接收信号进虚拟时间反转处理
将接收信号进行时间反转处理，得到yAS(-t)，将时间反转后的信号通过估计信道
Figure BDA0002387539400000057
构建的虚拟信道，输出信号为，
Figure BDA0002387539400000058
式中，yAVTR(t)为输出信号，ζmn＝ζm-ζn为第m路径与第n条路径时延之差。
第四步：对虚拟时间反转处理后的信号进行自适应能量加窗处理
通过自适应能量加窗算法截断旁峰成分并提取信号的聚焦峰，其实现方法如下所述。
yAVTR(t)的数字信号为yAVTR(n)，n＝1,2,3,…,Nz，Nz代表时反接收序列的长度满足Tz＝Nzfs，fs为采样率取为100kHzs，Tz为yAVTR(t)的时宽；s(t)对应的数字信号为s(n)，n＝1,2,3,…,Ns，Ns代表时反接收序列的长度满足Ts＝Nsfs且Ns＜Nz，Ts为探测脉冲信号s(t)的时宽；由于时反具有恢复原始信号的特点，因此窗函数w(t)的数字信号w(n)的长度与s(n)同为Ns，
Figure BDA0002387539400000061
式中，NEmax为初值时刻，满足TEmax＝NEmaxfs，TEmax为窗函数初始时间，窗函数w(n)中NEmax的选取遵从能量最大原则，其获取方法参考自适应能量加窗算法。加窗后的信号记为，
zw(n)＝yAVTR(n)w(n)，n＝1,2,3,…,Ns
初始化设置为NEmax＝1；
以信号能量作为衡量准则，其公式如下
Figure BDA0002387539400000062
式中，E(NEmax)为初始时刻为NEmax时zw(n)的能量；
NEmax＝NEmax+L，L代表步长，重复步骤2，当L＝1时至NEmax＝Nz-Ns+1停止循环，当L＞1时至NEmax＝[(Nz-Ns)/L]L停止循环，[·]代表取整函数；
确定能量函数E(NEmax)最大值对应NEmax出现的位置，即
Figure BDA0002387539400000063
将数字信号形式转换成连续时间形式
Figure BDA0002387539400000064
式中，z(t)为加窗后的接收信号，
Figure BDA0002387539400000065
为窗函数，
Figure BDA0002387539400000066
为截断噪声。
第五步：获取相关函数
把上加窗后输出结果与发射信号s(-t)(s(t)取反)进行相关处理，
Figure BDA0002387539400000067
式中，Rz(τ)为相关函数，τ为时延变量，E[]为求期望，R-s(τ)＝E[s(-t)s(-t)]为s(-t)的自相关函数。
第六步：估计接收信号到达时刻
相关函数中峰值所在位置为回波信号到达时刻，
Figure BDA0002387539400000071
式中，
Figure BDA0002387539400000072
为回波信号到达时刻，arg为当Rz(τ)取最大值时，τ的取值。
第七步：估计测距系统与目标之间的距离
水声信号从发射到接收，传播的距离是测距系统与目标之间距离的两倍，
Figure BDA0002387539400000073
式中，D为目标距离，
Figure BDA0002387539400000074
为平均声速。

Claims (1)

1.一种基于时间反转的水声脉冲回波测距方法，其特征在于包括下述步骤：
第一步，发射探测脉冲信号s(t)，发射时间记为τ1；
第二步，接收目标反射信号
Figure FDA0002387539390000011
式中，n为信道多径路径变量，N为信道多径数量，An为第n条路径对应的幅值，ξn为第n条路径对应的时延，d(t)为接收端加性噪声；
第三步，估计水声信道各路径时延
Figure FDA0002387539390000012
式中，δ为冲击函数，ζn'为估计的第n条路径对应的时延；
第四步，将接收信号进行时间反转处理，得到yAS(-t)，将时间反转后的信号通过估计信道
Figure FDA0002387539390000013
构建的虚拟信道，输出信号
Figure FDA0002387539390000014
式中，ζmn＝ζm-ζn为第m路径与第n条路径时延之差；
第四步，通过自适应能量加窗算法截断旁峰成分并提取信号的聚焦峰，加窗后的接收信号
Figure FDA0002387539390000015
TEmax≤t≤TEmax+Ts-1，式中，Ts为探测脉冲信号s(t)的时宽，TEmax为能量函数最大值所在位置，
Figure FDA0002387539390000016
arg为当|z(t)|2取最大值时TEmax的取值，Ans(-t)为截断的虚拟信道输出信号，
Figure FDA0002387539390000017
为截断噪声；
第五步，把加窗后输出结果与取反发射信号s(-t)进行相关处理，得到相关函数
Figure FDA0002387539390000018
式中，τ为时延变量，R-s(τ)＝E[s(-t)s(-t)]为s(-t)的自相关函数；
第六步，确定相关函数中峰值所在位置为回波信号到达时刻
Figure FDA0002387539390000019
第七步，估计测距系统与目标之间的距离
Figure FDA00023875393900000110
式中，
Figure FDA00023875393900000111
为平均声速。
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