CN111884674B - 一种基于分步相关的水声扩频信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于分步相关的水声扩频信号检测方法，属于水声定位技术领域。方法包括以下步骤：将换能器接收到的水声扩频信号进行处理，将输出的结果存储到输入信号数字队列中；分别与两路频率与扩频信号载波频率相同，相位差90°的余弦信号逐点相乘，进行积分求和，得到两路码元值队列；将两路码元值队列分别以码元宽度为间隔进行抽样，与码元值逐点乘累加，乘累加结果进行平方求和再开平方，存入输出队列中；对每个码元的输出队列进行门限检测，从而进行判断是否检测到水声扩频信号。本发明所需的存储空间、运算量显著减少，且在同样检测门限下，与拷贝相关器检测性能相同，均为线性最优检测器，实现低信噪比条件下水声扩频信号的检测功能。

Description

一种基于分步相关的水声扩频信号检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于分步相关的水声扩频信号检测方法，属于水声定位技术领域。

背景技术

在水声定位领域中，需要测量待定位目标与多个参考点之间的水声信号传播时间或时间差来实现定位功能。进行传播时间测量时首先需要从噪声背景中检测到目标发出的水声信号。在传统定位系统中，目标发射的水声信号以单频和线性调频脉冲信号为主，多个目标之间使用频分方案进行区分，频带利用率不高。由于水声扩频信号可采用多个相互正交的伪随机码生成，这些扩频信号的自相关值较高，而互相关性较弱，具有良好的抗多址干扰特性。多个目标可以同时占用一段频带发射信号而互不干扰，具有频带利用率高的优点，已经在水声定位领域已开始逐步应用。

检测水声扩频信号的经典方法是使用拷贝相关器。这种方法将整个水声扩频信号波形存储为拷贝相关器的参考样本，通过与接收信号实时滑动相关来进行检测。这种检测方法利用了整个扩频信号的时间增益，是最优线性检测器。但扩频信号较长，扩频码数量较多时，其耗费的存储空间和运算量很大。

发明内容

本发明的目的是实现一种基于分步相关的水声扩频信号的检测方法，该方法针对PSK相位调制的水声扩频信号，将传统拷贝相关器检测方法转化为波形相关和码元相关两部分，进行分步相关，实现对水声扩频信号的检测。以解决拷贝相关器在检测扩频信号较长、扩频码数量较多时，所需的存储空间和运算量较大的问题。

一种基于分步相关的水声扩频信号的检测方法，所述方法包括以下步骤：

S100、将换能器接收到的水声扩频信号进行放大、滤波、采样、量化，将输出的结果存储到输入信号数字队列中；

S200、将接收信号数字队列分别与两路频率与扩频信号载波频率相同，相位差90°的余弦信号逐点相乘，然后按扩频码元宽度的长度进行积分求和，得到两路码元值队列，实现第一步相关，即波形相关功能；

S300、将两路码元值队列分别以码元宽度为间隔进行抽样，与本地存储的码元值进行逐点乘累加。两路码元的乘累加结果进行平方求和运算再开平方，得到对应这个码元的当前时刻的相关包络输出值，存入输出队列中，实现第二步相关，即码元相关功能；

S400、对每个码元的输出队列进行门限检测，当输出数值大于或等于检测门限时，认为检测到对应当前扩频码的水声扩频信号；当输出数值小于检测门限时，认为无对应当前扩频码的水声扩频信号，从而实现检测功能。

进一步的，在S100中，具体的，将换能器接收到的水声扩频信号进行放大、滤波、采样、量化，其采样频率f_s，需大于或等于4倍的扩频信号载波频率f，即：

f_s≥4f

将k时刻的采样信号y(k)存入输入信号数字队列中。

进一步的，在S200中，将y(k)与两路频率与扩频信号载波频率相同，相位差90°的余弦信号cos(2πfk/f_s)和sin(2πfk/f_s)相乘，获得乘积I(k)和Q(k)；

乘积I(k)：

I(k)＝y(k)×cos(2πfk/f_s)

余弦信号cos(2πfk/f_s)和sin(2πfk/f_s)可通过保存一个周期正余弦表产生；

对乘积I(k)做长度为一个码元宽度Ncs点的积分，即从k时刻开始,共求Ncs个点的和，即求从I(k)到I(k+Ncs-1)累加，和记为sumI(k)：

再计算第一个值：

之后，上式进一步优化成：

sumI(k)＝sumI(k-1)+I(k+Ncs-1)-I(k-1)，

将sumI(k)存储到第一路码元值队列中即可得到第一路波形相关的结果；

第二路波形相关的处理方式与第一路相同，得到第二路码元值队列：

sumQ(k)＝sumQ(k-1)+Q(k+Ncs-1)-Q(k-1)。

进一步的，在S300中，将两路码元值队列与本地保存的多条待检测的码元个数为N的扩频序列进行码元相关，具体的，将S200中得到的两路码元值队列sumI(k)和sumQ(k)，每隔一个码元宽度Ncs点，抽取出对应的值，即从sumI(k)到sumI(k+(N-1)N_CS)，共N个值，与本地保存的第1个扩频序列seq₁的N个码元值一一对应。根据扩频序列码元值的正/负，依次加/减对应的sumI和sumQ，得到k时刻的第1个序列的第一路和第二路码元相关输出：

然后，对这两路输出求平方和后再开平方得到第k个时刻的对应第1个扩频序列的码元相关输出r₁(k)，即：

对本地保存的其余扩频序列

分别进行同第一条序列的操作，得到N_um个扩频序列的码元相关输出

进一步的，在S400中，对每个扩频序列的输出队列进行门限检测，具体的，根据环境噪声的量化值计算得到一个门限值d。将扩频序列seq₁的码元相关输出r₁(k)与门限值d进行比较，当r₁(k)≥d时，认为接收信号中存在对应扩频序列seq₁对应的水声扩频信号，否则接收信号中不包含对应扩频序列的水声扩频信号。对其余扩频序列

分别进行上述检测过程，即可判断第k个时刻的接收信号中，是否包含水声扩频信号，并检测出对应的扩频序列。

随着接收信号的不断输入，一直进行上述检测过程，当k等于信号到达时刻，且发射的水声扩频信号与本地扩频序列相同时，对应码元相关的输出获得最大值：

其中：

此最大值对应时刻k可进一步作为扩频信号到达时刻的估计值，可进一步用于传播时间的测量。

本发明的主要优点是：

1)相对传统的拷贝相关器的检测方法，本发明设计方法所需的存储空间可显著减少。以检测N_um＝4个扩频序列，每个序列长度为N＝127，扩频信号总长度为63.5ms，采样率fs＝40kHz，量化字长为16bit为例，拷贝相关器所需存储空间为128kB，而本发明所需存储空间仅为11.76kB。

2)相对传统的拷贝相关器的检测方法，本发明设计方法所需的运算量可显著减少。以检测N_um＝4个扩频序列，每个序列长度为N＝127，扩频信号总长度为63.5ms，采样率fs＝40kHz，量化字长为16bit为例，每更新一个采样点，拷贝相关器所需运算量为10160次乘法和10156次加法，而本发明所需运算量仅为2次乘法和1020次加法。

3)本发明在同样检测门限下，与拷贝相关器检测性能相同，均为线性最优检测器，可实现低信噪比条件下，水声扩频信号的检测功能。

附图说明

图1为本发明的一种基于分步相关的水声扩频信号检测方法流程图；

图2为波形相关输出与本地保存的参考扩频序列进行码元相关的流程图；

图3为接收到的一段水声扩频信号使用拷贝相关器进行检测时的输出序列；

图4位接收到的一段水声扩频信号使用基于分步相关的水声扩频信号检测方法时的输出序列。

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。

发射信号为采用二进制相移键控(BPSK)调制方式的扩频信号，载波频率为f：

以一串±1二值伪随机序列例如m序列作为扩频码直接对载波的相位进行调制，对应相位为0和π，记调制信号的伪随机序列为序列1：seq₁，待检测的序列还包括序列2：seq₂……，记扩频序列总数为N_um，序列长度为N，扩频信号码片宽度为T，设采样率为fs，一个码元宽度内采样点数：

Ncs＝T×fs。

发射信号总长度为：

L＝Ncs×N

下面结合图1流程图和检测方法的具体步骤对本发明的方法的实施做进一步的描述：

参照图1所示，一种基于分步相关的水声扩频信号检测方法，所述方法包括以下步骤：

S100、将换能器接收到的水声扩频信号进行放大、滤波、采样、量化，将输出的结果存储到输入信号数字队列中。

S200、将接收信号数字队列分别与两路频率与扩频信号载波频率相同，相位差90°的余弦信号逐点相乘，然后按扩频码元宽度的长度进行积分求和，得到两路码元值队列，实现第一步相关，即波形相关功能。

S300、将两路码元值队列分别以码元宽度为间隔进行抽样，与本地存储的码元值进行逐点乘累加。两路码元的乘累加结果进行平方求和运算再开平方，得到对应这个码元的当前时刻的相关包络输出值，存入输出队列中，实现第二步相关，即码元相关功能。

S400、对每个码元的输出队列进行门限检测，当输出数值大于或等于检测门限时，认为检测到对应当前扩频码的水声扩频信号；当输出数值小于检测门限时，认为无对应当前扩频码的水声扩频信号，从而实现检测功能。

本发明的分步相关，意思是说相关分成两步进行，第一步是波形相关，第二步是码元相关。

进一步的，在S100中，具体的，将换能器接收到的水声扩频信号进行放大、滤波、采样、量化，其采样频率f_s，需大于或等于4倍的扩频信号载波频率f，即：

f_s≥4f

将k时刻的采样信号y(k)存入输入信号数字队列中。

进一步的，在S200中，将y(k)与两路频率与扩频信号载波频率相同，相位差90°的余弦信号cos(2πfk/f_s)和sin(2πfk/f_s)相乘，获得乘积I(k)和Q(k)；

乘积I(k)：

I(k)＝y(k)×cos(2πfk/f_s)

余弦信号cos(2πfk/f_s)和sin(2πfk/f_s)可通过保存一个周期正余弦表产生；

对乘积I(k)做长度为一个码元宽度Ncs点的积分，即从k时刻开始,共求Ncs个点的和，即求从I(k)到I(k+Ncs-1)累加，和记为sumI(k)：

再计算第一个值：

之后，上式进一步优化成：

sumI(k)＝sumI(k-1)+I(k+Ncs-1)-I(k-1)，

将sumI(k)存储到第一路码元值队列中即可得到第一路波形相关的结果；

第二路波形相关的处理方式与第一路相同，得到第二路码元值队列：

sumQ(k)＝sumQ(k-1)+Q(k+Ncs-1)-Q(k-1)。

进一步的，在S300中，将两路码元值队列与本地保存的多条待检测的码元个数为N的扩频序列进行码元相关，具体的，如图2所示，将S200中得到的两路码元值队列sumI(k)和sumQ(k)，每隔一个码元宽度Ncs点，抽取出对应的值，即从sumI(k)到sumI(k+(N-1)N_CS)，共N个值，与本地保存的第1个扩频序列seq₁的N个码元值一一对应。根据扩频序列码元值的正/负，依次加/减对应的sumI和sumQ，得到k时刻的第1个序列的第一路和第二路码元相关输出：

然后，对这两路输出求平方和后再开平方得到第k个时刻的对应第1个扩频序列的码元相关输出r₁(k)，即：

对本地保存的其余扩频序列

分别进行同第一条序列的操作，得到N_um个扩频序列的码元相关输出

进一步的，在S400中，对每个扩频序列的输出队列进行门限检测，具体的，根据环境噪声的量化值计算得到一个门限值d。将扩频序列seq₁的码元相关输出r₁(k)与门限值d进行比较，当r₁(k)≥d时，认为接收信号中存在对应扩频序列seq₁对应的水声扩频信号，否则接收信号中不包含对应扩频序列的水声扩频信号。对其余扩频序列

分别进行上述检测过程，即可判断第k个时刻的接收信号中，是否包含水声扩频信号，并检测出对应的扩频序列。

随着接收信号的不断输入，一直进行上述检测过程，当k等于信号到达时刻，且发射的水声扩频信号与本地扩频序列相同时，对应码元相关的输出获得最大值：

其中：

此最大值对应时刻k可进一步作为扩频信号到达时刻的估计值，可进一步用于传播时间的测量。

为了验证本发明检测方法的性能，对同一段接收到的水声扩频信号分别使用拷贝相关器和基于分步相关的水声扩频信号检测方法进行检测，其输出序列分别如图3和图4所示。从图中可以看出，基于分步相关的水声扩频信号检测方法输出序列与拷贝相关器近似相同，具有明显的峰值输出，使用同样门限对其进行检测时，其检测性能相同，证明了本发明的可行性。

Claims (5)

1.一种基于分步相关的水声扩频信号检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S100、将换能器接收到的水声扩频信号进行放大、滤波、采样和量化，将输出的结果存储到输入信号数字队列中；

S200、将接收信号数字队列分别与两路信号逐点相乘，所述两路信号为频率与扩频信号载波频率相同、相位差90°的正弦信号和余弦信号，然后按扩频码元宽度的长度进行积分求和，得到两路码元值队列，实现第一步相关，即波形相关功能；

S300、将两路码元值队列分别以码元宽度为间隔进行抽样，与本地存储的码元值进行逐点乘累加，两路码元的乘累加结果进行平方求和运算再开平方，得到对应这个码元的当前时刻的相关包络输出值，存入输出队列中，实现第二步相关，即码元相关功能；

S400、对每个码元的输出队列进行门限检测，当输出数值大于或等于检测门限时，认为检测到对应当前扩频码的水声扩频信号；当输出数值小于检测门限时，认为无对应当前扩频码的水声扩频信号，从而实现检测功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于分步相关的水声扩频信号检测方法，其特征在于，在S100中，具体的，将换能器接收到的水声扩频信号进行放大、滤波、采样和量化，其采样频率f_s，采样频率f_s需大于或等于4倍的扩频信号载波频率f，即：

f_s≥4f

将k时刻的采样信号y(k)存入输入信号数字队列中。

3.根据权利要求1所述的一种基于分步相关的水声扩频信号检测方法，其特征在于，在S200中，具体的，将k时刻的采样信号y(k)与两路频率与扩频信号载波频率相同，相位差90°的余弦信号cos(2πfk/f_s)和sin(2πfk/f_s)相乘，获得乘积I(k)和Q(k)；

乘积I(k)：

I(k)＝y(k)×cos(2πfk/f_s)

余弦信号cos(2πfk/f_s)和sin(2πfk/f_s)通过保存一个周期正余弦表产生；

对乘积I(k)做长度为一个码元宽度Ncs点的积分，即从k时刻开始,共求Ncs个点的和，即求从I(k)到I(k+Ncs-1)累加，和记为sumI(k)：

再计算第一个值：

之后，将上式进一步优化成：

sumI(k)＝sumI(k-1)+I(k+Ncs-1)-I(k-1)，

将sumI(k)存储到第一路码元值队列中即得到第一路波形相关的结果；

第二路波形相关的处理方式与第一路相同，得到第二路码元值队列：

sumQ(k)＝sumQ(k-1)+Q(k+Ncs-1)-Q(k-1)。

4.根据权利要求1所述的一种基于分步相关的水声扩频信号检测方法，其特征在于，在S300中，将两路码元值队列与本地保存的多条待检测的码元个数为N的扩频序列进行码元相关，具体的，将S200中得到的两路码元值队列sumI(k)和sumQ(k)，每隔一个码元宽度Ncs点，抽取出对应的值，即从sumI(k)到sumI(k+(N-1)N_CS)，共N个值，与本地保存的第1个扩频序列seq₁的N个码元值一一对应，根据扩频序列码元值的正/负，依次加/减对应的sumI和sumQ，得到k时刻的第1个序列的第一路和第二路码元相关输出：

然后，对这两路输出求平方和后再开平方得到第k个时刻的对应第1个扩频序列的码元相关输出r₁(k)，即：

对本地保存的其余扩频序列seq₂，seq₃，…，

分别进行同第一条序列的操作，得到N_um个扩频序列的码元相关输出

5.根据权利要求1所述的一种基于分步相关的水声扩频信号检测方法，其特征在于，在S400中，对每个扩频序列的输出队列进行门限检测，具体的，根据环境噪声的量化值计算得到一个门限值d，将扩频序列seq₁的码元相关输出r₁(k)与门限值d进行比较，当r₁(k)≥d时，认为接收信号中存在对应扩频序列seq₁对应的水声扩频信号，否则接收信号中不包含对应扩频序列的水声扩频信号，对其余扩频序列seq₂，seq₃，…，

分别进行上述检测过程，即可判断第k个时刻的接收信号中，是否包含水声扩频信号，并检测出对应的扩频序列，

随着接收信号的不断输入，一直进行上述检测过程，当k等于信号到达时刻，且发射的水声扩频信号与本地扩频序列相同时，对应码元相关的输出获得最大值：

其中：

此最大值对应时刻k进一步作为扩频信号到达时刻的估计值，进一步用于传播时间的测量。

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