CN111366897B - 一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法 - Google Patents

一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，面向海洋科考、勘探、作业、安防等对水下多用户、高精度的定位导航需求，包括信号设计和信号处理两个步骤，信号设计过程中采用直接扩频序列来设计信号，设计完成的信号通过长基线水声定位系统的发射电路和换能器发射出去，而信号处理过程采用与信号设计过程相同的参考直接扩频序列进行处理，可以同时得到多普勒频移和码相位，准确估计得到信号的发射时刻，可以保证较高测距精度，由于使用直接扩频序列技术设计信号，利用直接扩频序列码的自相关和互相关特性，区分不同信标，使水下机器人可以工作在只接收处理信标信号的单程定位模式，解决传统长基线水声系统用户数目有限的问题。

Description

一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法
技术领域
本发明涉及水下定位导航技术领域，特别涉及一种一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法。
背景技术
海洋是国家可持续发展的重要支撑，水下定位导航技术是海洋探索与开发的基础支撑技术，目前，水下定位导航应用比较多的有惯性导航、地形匹配、地磁导航、多普勒测速以及水声定位导航等，惯性导航设备具有隐蔽性好、导航信息连续、短期定位精度和稳定性高等优点，但受自身累积误差的影响，定位精度随时间发散严重；地形匹配和地磁导航技术均需要提前获取作业区域内的相关数据信息，因此在作业中的应用受到极大的限制；多普勒测速能够提供稳定可靠的速度信息，通过速度积分能够获得水下机器人的位移信息，目前大多数水下机器人也主要采用惯性导航与多普勒组合的定位导航模式；水声定位导航技术可以为水下机器人长期、实时、准确的提供高精度定位数据，从而成为海洋探测开发不可或缺的一种定位手段。
根据测量基线的长度不同，水声定位导航系统可以分为长基线系统、短基线系统和超短基线系统，长基线系统因为其基线较长，因而相对的定位精度较高，但传统的长基线系统在深水使用时，一般采用问答的双程工作模式，导致其定位精度仍然无法满足实际需求，而且限制了系统的用户数目，大大限制了长基线水声定位系统使用的范围。
发明内容
鉴以此，本发明提出一种一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，可以同时得到多普勒频移和码相位，从而可以准确估计得到信号的发射时刻，保证较高测距精度，同时，应用本发明的水下机器人可以工作在只接收处理信标信号的单程定位模式，从而缩短双程工作模式下信号传播的时间，提高系统的定位精度。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，包括以下步骤：
步骤S1、确定水声定位信号需要的处理增益GP；
步骤S2、根据处理增益GP确定直接扩频序列的信息；
步骤S3、根据长基线水声定位系统功能要求确定定位电文信息，并确定定位电文的码速率信息；
步骤S4、对定位电文信息和直接扩频序列采用模二加运算得到数据序列X1；
步骤S5、将数据序列X1以BPSK方式调制载波信号后得到数据序列X2，并通过发射电路和换能器将数据序列X2以声学信号形式发射出去；
步骤S6、水听器将接收到的声学信号形式的数据序列X2转换成电信号，并由接收机进行转换后得到原始数据序列X3，从原始数据序列X3中取一段时间的数据作为待处理数据序列X4；
步骤S7、根据声信标与接收机相对运动确定多普勒频移最大值Fmax以及多普勒搜索步长Fstep，并分别生成同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6；
步骤S8、本地生成参考直接扩频序列，并分别对同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6进行BPSK调制，分别得到同相参考解调信号X7和正交参考解调信号X8；
步骤S9、将待处理数据序列X4分别与同相参考解调信号X7和和正交参考解调信号X8相乘，并分别进行低通滤波后得到同相积信号X9和正交积信号X10；
步骤S10、对同相积信号X9和正交积信号X10进行平方和运算得到V，若V不小于预设的检测阈值Vt，则可以获取多普勒频移和码相位信息，并完成定位电文剥离。
优选的，所述步骤S1中的处理增益GP由下式获得：
GP≥-(SL-TL-NL)；
其中，SL为换能器声源级，TL为传播损失，NL为噪声级。
优选的，所述步骤S2中直接扩频序列的信息包括码序列类型、最小级数以及码速率。
优选的，所述步骤S3中的定位电文信息包括发送信号的时刻信息以及声信标的精度信息、纬度信息、深度信息以及纠错码。
优选的，所述步骤S4中的模二加运算的法则为：1+1＝0；0+0＝0；1+0＝1；0+1＝1。
优选的，所述步骤S5中以BPSK方式调制载波信号的具体步骤为：在相邻的时间间隔上所传的序列为0或者1时，载波分别以原来相位或者180°翻转的方式传输。
优选的，所述步骤S6中从原始数据序列X3中取一段时间的数据作为待处理数据序列X4的采样时间控制法则为：采样时间下限为1个直接扩频序列周期持续时间，采样时间上限为1位定位电文信息持续时间。
优选的，所述步骤S7中的同相参考载波信号序列X5的表达式为：
X5＝cos(2π×(F0±N×Fstep)×t)；
其中F0为载波信号的中心频率，N为自然数且满足max(N)＝[Fmax/Fstep]+1，t为采样点数，且t＝1，2，...；
正交参考载波信号序列X6的表达式为：
X6＝sin(2π×(F0±N×Fstep)×t)。
优选的，所述步骤S8的具体步骤为：本地生成参考直接扩频序列后，对参考直接扩频序列进行采样并顺移一位采样点，然后分别对同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6进行BPSK调制，分别得到同相参考解调信号X7和正交参考解调信号X8。
优选的，所述步骤S10中的检测阈值Vt的取值不低于20dB。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，利用直接扩频序列，通过信号处理可以获得多普勒频移和码相位，可以准确估计得到信号的时延，提高了系统的测距精度，另一方面，利用直接扩频序列的自相关和互相关特性，区分不同信标，应用本发明的水下机器人可以工作在只接收处理信标信号的单程定位模式，不仅可以缩短双程工作模式下信号传播的时间，还可以提高系统的定位精度，同时可以解决传统长基线水声系统用户数目有限的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法的流程图；
图2为直接扩频序列为127位Gold码序列的仿真图；
图3是定位电文信息与Gold码序列经过模二加运算后，调制的载波数据仿真图；
图4是考虑高斯白噪声时发射信号仿真图；
图5是本发明接收信号处理结果仿真图。
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。
参见图1，本发明提供的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，基于长基线水声定位系统来进行使用，使用中涉及到系统中的发射电路、换能器、水听器还有接收机等现有装备，方法主要分为两部分，第一部分为信号设计过程，第二部分为信号处理过程，信号设计过程包括步骤S1-步骤S5：
步骤S1、确定水声定位信号需要的处理增益GP；
步骤S2、根据处理增益GP确定直接扩频序列的信息；
步骤S3、根据长基线水声定位系统功能要求确定定位电文信息，并确定定位电文的码速率信息；
步骤S4、对定位电文信息和直接扩频序列采用模二加运算得到数据序列X1；
步骤S5、将数据序列X1以BPSK方式调制载波信号后得到数据序列X2，并通过发射电路和换能器将数据序列X2以声学信号形式发射出去；
信号处理过程包括步骤S6-步骤S10：
步骤S6、水听器将接收到的声学信号形式的数据序列X2转换成电信号，并由接收机进行转换后得到原始数据序列X3，从原始数据序列X3中取一段时间的数据作为待处理数据序列X4；
步骤S7、根据声信标与接收机相对运动确定多普勒频移最大值Fmax以及多普勒搜索步长Fstep，并分别生成同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6；
步骤S8、本地生成参考直接扩频序列，并分别对同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6进行BPSK调制，分别得到同相参考解调信号X7和正交参考解调信号X8；
步骤S9、将待处理数据序列X4分别与同相参考解调信号X7和和正交参考解调信号X8相乘，并分别进行低通滤波后得到同相积信号X9和正交积信号X10；
步骤S10、对同相积信号X9和正交积信号X10进行平方和运算得到V，若V不小于预设的检测阈值Vt，则可以获取多普勒频移和码相位信息，并完成定位电文剥离。
本发明的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，首先对信号进行设计，将设计完成的信号通过声学方式传输出去，然后长基线水声定位系统会接收到声学信号，并将声学信号转换成电信号，对电信号进行处理以后可以获得多普勒频移和码相位，从而可以完成定位电文剥离，通过利用直接扩频序列，对信号处理后获得多普勒频移和码相位，可以准确估计得到信号的发射时刻以及时延，保证系统较高的的测距精度，同时，利用直接扩频序列的自相关和互相关特性，区分不同信标，使得应用本发明的水下机器人可以工作在只接收处理信标信号的单程定位，从而缩短双程工作模式下信号传播的时间，进一步提高系统的定位精度，解决传统长基线水声系统用户数目有限的问题。
优选的，所述步骤S1中的处理增益GP由下式获得：
GP≥-(SL-TL-NL)；
其中，SL为换能器声源级，TL为传播损失，NL为噪声级。
信号设计过程的首要步骤是先确定水声定位信号需要的处理增益，处理增益的获取由声呐方程来确定，在已知换能器声源级SL、传播损失TL以及噪声级NL的的前提下，可以计算得到处理增益的范围。
优选的，所述步骤S2中直接扩频序列的信息包括码序列类型、最小级数以及码速率。
根据处理增益确定直接扩频序列的信息时，需要确定直接扩频序列的码序列类型、最小级数以及码速率，如果直接扩频序列的码序列类型选择Gold码序列时，其最小级数r需要满足以下公式：
10lg(2r)≥GP。
优选的，所述步骤S3中的定位电文信息包括发送信号的时刻信息以及声信标的精度信息、纬度信息、深度信息以及纠错码。
所述的定位点位信息中，发送信号的时刻信息为必要信息，而声信标的精度信息、纬度信息、深度信息以及纠错码可以选择包含，并且所有的定位电文信息均以二进制表示。
优选的，所述步骤S4中的模二加运算的法则为：1+1＝0；0+0＝0；1+0＝1；0+1＝1，所述步骤S5中以BPSK方式调制载波信号的具体步骤为：在相邻的时间间隔上所传的序列为0或者1时，载波分别以原来相位或者180°翻转的方式传输。
将数据序列X1以BPSK方式调制载波信号后得到数据序列X2后，通过长基线水声定位系统的发射电路以及换能器将数据序列X2以声学信号的方式发送出去，然后通过长基线水声定位系统的水听器将接收到的声学信号转换成电信号，从而进入到信号处理过程。
优选的，所述步骤S6中从原始数据序列X3中取一段时间的数据作为待处理数据序列X4的采样时间控制法则为：采样时间下限为1个直接扩频序列周期持续时间，采样时间上限为1位定位电文信息持续时间。
在步骤S6中，水听器将接收到的声学信号转换成电信号后，由长基线水声定位系统的接收机对电信号进行固定放大、滤波、模拟数字转换后得到原始数据序列X3，在从原始数据序列X3中获取待处理数据序列X4时，依据上述的采样时间控制法则来进行获取。
优选的，所述步骤S7中的同相参考载波信号序列X5的表达式为：
X5＝cos(2π×(F0±N×Fstep)×t)；
其中F0为载波信号的中心频率，N为自然数且满足max(N)＝[Fmax/Fstep]+1，t为采样点数，且t＝1，2，...；
正交参考载波信号序列X6的表达式为：
X6＝sin(2π×(F0±N×Fstep)×t)。
其中所述的[Fmax/Fstep]为向下取整函数。
优选的，所述步骤S8的具体步骤为：本地生成参考直接扩频序列后，对参考直接扩频序列进行采样并顺移一位采样点，然后分别对同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6进行BPSK调制，分别得到同相参考解调信号X7和正交参考解调信号X8。
对同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6进行BPSK调制的过程与步骤S5中的BPSK的具体实施方式相同，在长基线水声定位系统中生成参考直接扩频序列后，对参考直接扩频序列进行采样并顺移一位采样点，共需要顺移max(t)次，此过程将获得max(t)种的参考直接扩频序列，然后分别对同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6进行BPSK调制而分别得到同相参考解调信号X7和正交参考解调信号X8，得到的同相参考解调信号X7和正交参考解调信号X8将各有max(t)种。
优选的，所述步骤S10中的检测阈值Vt的取值不低于20dB。
检测阈值的设定根据使用情况来实际设定，但一般情况下建议取值不低于20dB。
以下以一个实施例来论述本发明的实用性。
假设已有换能器的声源级SL为172dB，传播损失TL为96dB，噪声源NL为95dB，载波中心频率F0为10.16kHz。
在步骤S1中，处理增益需要满足：GP≥-(SL-TL-NL)＝-(172-96-97)＝21dB。
在步骤S2中，如果采用直接扩频序列的码序列类型选择Gold码序列的话，则最小级数r需要满足：r≥GP/10lg(2)＝7，此时设计码速率为1.27kHz，如图2所示为直接扩频序列为127位Gold码序列的仿真图。
在步骤S3中，设计20位定位电文信息内容，主要包含3位信标标号信息，12位时间信息，5位纠错码，定位电文的码速率为10bps。
在步骤S4中，模二加运算的法则为：1+1＝0；0+0＝0；1+0＝1；0+1＝1。
在步骤S5中，BPSK的调制方式具体实施方案为：数据幅度与对应的相位映射关系为：[0,1]→[-1,+1]，最终通过声信标的换能器将调制后的载波信号进行发射，如图3所示为调制后的载波数据仿真图。
在步骤S6中，接收机的固定放大倍数取值为20dB，滤波器的中心频率为10.16kHz，带宽为2.54kHz@3dB，阻带为30kHz@40dB。
在步骤S7中，设多普勒频移最大值为100Hz，多普勒搜索步长5Hz。
在步骤S8中，采样点数t最大值为8128。
在步骤S9中，采样时间为0.1s。
在步骤S10中，检测阈值Vt＝20dB。
参照图4和图所示，图4为考虑高斯白噪声时的发射信号仿真图，此时信噪比为-20dB，从图5中可以看出，按照图1的左侧的信号设计方法产生的发射信号在信噪比为-20dB的情况下，通过图1右侧所示的信号处理过程提供的方法可以获取多普勒频移和码相位值，继而完成信号发射时间的精确保证和定位信息提取，最终实现基于直接扩频序列的长基线水声定位系统的高精度定位功能和多用户同时使用功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、确定水声定位信号需要的处理增益GP；
步骤S2、根据处理增益GP确定直接扩频序列的信息；
步骤S3、根据长基线水声定位系统功能要求确定定位电文信息，并确定定位电文的码速率信息；
步骤S4、对定位电文信息和直接扩频序列采用模二加运算得到数据序列X1；
步骤S5、将数据序列X1以BPSK方式调制载波信号后得到数据序列X2，并通过发射电路和换能器将数据序列X2以声学信号形式发射出去；
步骤S6、水听器将接收到的声学信号形式的数据序列X2转换成电信号，并由接收机进行转换后得到原始数据序列X3，从原始数据序列X3中取一段时间的数据作为待处理数据序列X4；
步骤S7、根据声信标与接收机相对运动确定多普勒频移最大值Fmax以及多普勒搜索步长Fstep，并分别生成同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6；
步骤S8、本地生成参考直接扩频序列，并分别对同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6进行BPSK调制，分别得到同相参考解调信号X7和正交参考解调信号X8；
步骤S9、将待处理数据序列X4分别与同相参考解调信号X7和和正交参考解调信号X8相乘，并分别进行低通滤波后得到同相积信号X9和正交积信号X10；
步骤S10、对同相积信号X9和正交积信号X10进行平方和运算得到V，若V不小于预设的检测阈值Vt，则可以获取多普勒频移和码相位信息，并完成定位电文剥离。
2.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S1中的处理增益GP由下式获得：
GP≥-(SL-TL-NL)；
其中，SL为换能器声源级，TL为传播损失，NL为噪声级。
3.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S2中直接扩频序列的信息包括码序列类型、最小级数以及码速率。
4.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S3中的定位电文信息包括发送信号的时刻信息以及声信标的精度信息、纬度信息、深度信息以及纠错码。
5.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S4中的模二加运算的法则为：1+1＝0；0+0＝0；1+0＝1；0+1＝1。
6.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S5中以BPSK方式调制载波信号的具体步骤为：在相邻的时间间隔上所传的序列为0或者1时，载波分别以原来相位或者180°翻转的方式传输。
7.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S6中从原始数据序列X3中取一段时间的数据作为待处理数据序列X4的采样时间控制法则为：采样时间下限为1个直接扩频序列周期持续时间，采样时间上限为1位定位电文信息持续时间。
8.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S7中的同相参考载波信号序列X5的表达式为：
X5＝cos(2π×(F0±N×Fstep)×t)；
其中F0为载波信号的中心频率，N为自然数且满足max(N)＝[Fmax/Fstep]+1，t为采样点数，且t＝1，2，...；
正交参考载波信号序列X6的表达式为：
X6＝sin(2π×(F0±N×Fstep)×t)。
9.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S8的具体步骤为：本地生成参考直接扩频序列后，对参考直接扩频序列进行采样并顺移一位采样点，然后分别对同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6进行BPSK调制，分别得到同相参考解调信号X7和正交参考解调信号X8。
10.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S10中的检测阈值Vt的取值不低于20dB。
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