CN111427030B - 一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法，采用扩频技术，将通信信息与扩频码数据进行异或运算，并对载波信号进行调制，不仅可以解决一个水下机器人使用水声定位和水声通信两套声学系统造成的资源浪费和信号干扰问题，同时可以保证水下机器人一直被动接收声学信号，此种模式下由于避免了系统与用户之间的问答形式，理论上其容纳水下机器人的数目无上限，从而为现今飞速发展的水下机器人协同作业提供了理论支撑和工程应用保障。

Description

一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，更具体的说是涉及一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法。
背景技术
海洋面积约占地球表面积的71％，广阔的空间中蕴藏着资源的丰富。海洋为人类的生存提供了重要支持，其巨大的空间以及丰富的资源，已经成为人类生存、发展的战略空间。水下机器人技术是海洋开发技术的重要技术之一，其在海底地形地貌勘察、海洋救助打捞、水下设施检查、海洋矿藏开发等民用领域应用的越来越广泛。此外，水下机器人对于潜艇对抗、航道封锁、水下通讯破坏等军事领域也有着广阔的应用前景。
水下定位导航技术是水下机器人技术的难点和重点，水下定位导航需要为水下机器人提供长距离、长时间的准确的位置、速度和姿态信息。目前，水下定位导航应用比较多的有惯性导航、地形匹配、水声定位导航等。其中，水声定位导航技术为水下机器人长期、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。但其缺点也非常明显，目前水声定位和水声通信采用两套声学系统，造成资源浪费，且其容纳的水下机器人的数目有限，并且在实际通信过程中，水声定位容易与水声通信互相干扰。
因此，如何避免资源浪费以及信号干扰是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法，不仅可以解决一个水下机器人使用水声定位和水声通信两套声学系统造成的资源浪费和信号干扰的问题，且理论上容纳水下机器人的数目无上限。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法，包括：信号调制和信号处理两部分；
其中，信号调制包括如下步骤：
步骤一：确定载波信号C1、扩频码信息G1和通信信息D1；
步骤二：对通信信息D1和扩频码信息G1进行异或运算，得到数据信息A1；
步骤三：基于数据信息A1调制载波信号C1，得到数据信息A2；
其中，数据信息A2被发射出去，并经过处理得到数据信息A3；
信号处理包括如下步骤：
步骤四：从数据信息A3中截取一段待处理数据A4；
步骤五：将预先生成的正交载波信号和同相载波信号分别与待处理数据A4相乘，并进行傅里叶变换，得到初处理数据A5；
步骤六：生成本地扩频码，并进行傅里叶运算和复共轭运算，得到本地扩频码信息G2；
步骤七：将初处理数据A5与本地扩频码信息G2相乘，并进行反傅里叶运算，得到数据信息A6；
步骤八：计算数据信息A6的模，若数据信息A6的模大于检测阈值，则判定信号处理成功，进而获取通信信息D1。
优选的，数据信息A2经过发射电路，通过换能器发射至海洋环境中，经过海水传播，通过水听器获取数据信息A2，并经过放大、滤波和模数转换过程，得到数据信息A3。
优选的，在步骤一中，载波信号C1采用正弦信号，载波中心频率确定的方法是：载波中心频率的选择要保证水下机器人在水声定位系统作用距离内满足声纳方程要求。
优选的，在步骤一中，选择Gold码作为扩频码，扩频码的级数满足声纳方程，具体原则为：最小级数满足声纳方程要求的信号处理增益，码元速率根据载波中心频率来确定，码元速率不高于载波中心频率的1/5。
优选的，在步骤四中，从数据信息A3中截取一段待处理数据A4的采样时间为1个扩频码周期持续时间。
优选的，本地扩频码信息G2的长度为扩频码信息G1的两倍。
优选的，将数据信息A1以二进制相移键控方式调制载波信号C1，得到数据信息A2。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法，采用扩频技术，将通信信息与扩频码数据进行异或运算，并对载波信号进行调制，不仅可以解决一个水下机器人使用水声定位和水声通信两套声学系统造成的资源浪费和信号干扰的问题，同时可以保证水下机器人一直被动接收声学信号，此种模式下由于避免了系统与用户之间的问答形式，理论上其容纳水下机器人的数目无上限，从而为现今飞速发展的水下机器人协同作业提供了理论支撑和工程应用保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法的示意图；
图2为本发明提供的信噪比为-20dB时的接收数据的仿真图；
图3为本发明提供的接收信号处理结果仿真图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1，本发明实施例公开了一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法，包括：信号调制和信号处理两部分；
其中，信号调制包括如下步骤：
步骤一：确定载波信号C1、扩频码信息G1和通信信息D1；
具体的，对于载波信号C1，需要确定载波信号形式、载波中心频率；
载波信号C1采用正弦信号，载波中心频率确定的方法是：载波中心频率的选择要保证水下机器人在水声定位系统作用距离内满足声纳方程要求。建议信号的工作频率设计初步设计范围选定为：10k~100k，然后根据水下机器人作业需求确定水声定位系统作用距离，后面需要根据声纳方程对信号中心频率范围进一步筛选判断。
对于扩频码信息G1，需要确定扩频码的类型、级数和码元速率；
选择Gold码作为扩频码，扩频码的级数满足声纳方程，具体原则为：最小级数满足声纳方程要求的信号处理增益，最小级数带来的扩频增益与声源级的和，要大于各类损失、噪声级（混响级）、信号检测阈值三者的和。码元速率根据载波中心频率来确定，码元速率不高于载波中心频率的1/5。
对于通信信息D1，需要确定通信信息的具体内容、位数、数据率等；
通信信息D1的内容可以根据用户需求定制：除了包含用以提高定位精度的信息：如信号生成时刻信息，位置信息、纠错码等，也可以包含水文信息：如温度、盐度、深度等。其中，通信信息位数由通信信息换算成二进制数据位数确定。此外，在实际实现时，每个数据码周期为两个扩频码的周期。
步骤二：对通信信息D1和扩频码信息G1进行异或运算，得到数据信息A1；
步骤三：基于数据信息A1调制载波信号C1，得到数据信息A2；
具体的，在步骤三中，将数据信息A1以二进制相移键控方式调制载波信号C1，得到数据信息A2。
其中，数据信息A2经过发射电路，通过换能器发射至海洋环境中，经过海水传播，通过水听器获取数据信息A2，经过放大、滤波和模数转换过程，得到数据信息A3。
信号处理包括如下步骤：
步骤四：从数据信息A3中截取一段待处理数据A4；从数据信息A3中截取一段待处理数据A4的采样时间为1个扩频码周期持续时间。
步骤五：将预先生成的正交载波信号和同相载波信号分别与待处理数据A4相乘，并进行傅里叶变换，得到初处理数据A5；
在进行傅里叶运算时，建议本地同相载波信号为实部，本地正交载波信号为虚部。
步骤六：生成本地扩频码，并进行傅里叶运算和复共轭运算，得到本地扩频码信息G2；本地扩频码信息G2的长度为扩频码信息G1的两倍。
步骤七：将初处理数据A5与本地扩频码信息G2相乘，并进行反傅里叶运算，得到数据信息A6；
步骤八：计算数据信息A6的模，若数据信息A6的模大于检测阈值，则判定信号处理成功，进而获取通信信息D1。
本发明提供的用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法，将通信信息与扩频码进行异或运算，然后以二进制相移键控方式调制水声载波信号，经过发射机、换能器将信号发射出去。对于水声信号处理部分，首先进行预处理：将水听器接收到的数据经过放大、滤波、模拟数字转换成原始待处理数据，同时对本地生成的扩频码做傅里叶运算和复共轭运算得到本地扩频码信息。然后将原始待处理数据与本地产生的同相和正交参考载波信号进行相乘并做作傅里叶运算得到初处理数据，然后将本地扩频码信息与初处理数据相乘并做反傅里叶运算并取模，如果模值大于检测阈值则认为信号检测成功，进而可以提取通信信息。本发明提供的技术方案主要用来满足海洋科考、海洋探测、海洋开采、水下打捞救助等过程中要求多个水下机器人协作过程中，同时获取高精度的定位需求。
下面结合仿真数据来做进一步解释说明。
假设系统的工作距离要求为4000m，根据已有经验，初步选定其工作频段为30kHz-50kHz，如果采用的换能器的声源级为170dB，4000m传播损失为116dB（40kHz时），噪声源NL为：86dB（30kHz-50kHz），检测阈值为20dB，需要扩频系统额外提供增益至少为52dB。如果采用Gold码序列的话，则经过计算最小级数需要不小于9，本实例中选取级数10，码元长度1023，由于初步带宽为20kHz，因此码元速率要不大于10kHz，此时建议码元速率为8.184kHz，取载波中心频率为码元速率的5倍，此时载波中心频率为40.92kHz。由此对信号的实际带宽范围为32.736 kHz ~49.104kHz，满足初步工作频段范围内，设计有效。按照本发明提供的建议，每个数据码周期包含两个扩频码周期，则此时通信信息的速率为4bps。虽然通信速率较低，但可以将水声定位和通信系统合二为一。在信号处理过程中，截取数据信息的时间为125ms，本地的扩频码为2046位，信号采样率为204.6kHz。
仿真得到的结果如图2和图3所示。从图2和图3可以看出，按照图2产生的发射信号在信噪比为-20dB的情况下，本发明提供的信号处理方法可以捕获到信号，并完成通信信息提取，从而实现水下定位和通信信号的复用性。
其中，图3中尖峰所示的信号处理后得到的的通信信息，底部黑色的部分代表噪声信号，且噪声信号比接收的信号要小很多，因此，从图中看底部近似纯黑色。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法，其特征在于，包括：信号调制和信号处理两部分；
其中，信号调制包括如下步骤：
步骤一：确定载波信号C1、扩频码信息G1和通信信息D1；
步骤二：对通信信息D1和扩频码信息G1进行异或运算，得到数据信息A1；
步骤三：基于数据信息A1调制载波信号C1，得到数据信息A2；
其中，数据信息A2被发射出去，并经过处理得到数据信息A3；
信号处理包括如下步骤：
步骤四：从数据信息A3中截取一段待处理数据A4；
步骤五：将预先生成的正交载波信号和同相载波信号分别与待处理数据A4相乘，并进行傅里叶变换，得到初处理数据A5；
步骤六：生成本地扩频码，并进行傅里叶运算和复共轭运算，得到本地扩频码信息G2；
步骤七：将初处理数据A5与本地扩频码信息G2相乘，并进行反傅里叶运算，得到数据信息A6；
步骤八：计算数据信息A6的模，若数据信息A6的模大于检测阈值，则判定信号处理成功，进而获取通信信息D1；
在步骤一中，载波信号C1采用正弦信号，载波中心频率确定的方法是：载波中心频率的选择要保证水下机器人在水声定位系统作用距离内满足声纳方程要求；
在步骤一中，选择Gold码作为扩频码，扩频码的级数满足声纳方程，具体原则为：最小级数满足声纳方程要求的信号处理增益，码元速率根据载波中心频率来确定，码元速率不高于载波中心频率的1/5。
2.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法，其特征在于，数据信息A2经过发射电路，通过换能器发射至海洋环境中，经过海水传播，通过水听器获取数据信息A2，并经过放大、滤波和模数转换过程，得到数据信息A3。
3.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法，其特征在于，在步骤四中，从数据信息A3中截取一段待处理数据A4的采样时间为1个扩频码周期持续时间。
4.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法，其特征在于，本地扩频码信息G2的长度为扩频码信息G1的两倍。
5.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人定位的水声信号调制及处理方法，其特征在于，将数据信息A1以二进制相移键控方式调制载波信号C1，得到数据信息A2。
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