CN112305525A - 一种基于扩频技术的水声测距信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于扩频技术的水声测距信号处理方法。水听器接收到的数据经过放大滤波等信号调理过程后，通过数字采集形成原始数据，然后对原始数据进行正交基带解调、低通滤波、降采样等信号处理过程形成初步处理数据。根据已知水声信号的扩频参数生成原始参考数据后，同样进行正交基带解调、低通滤波、降采样和共轭处理形成初步参考数据。对初步处理数据和初步参考数据进行卷积后取模，得到检测信号。为了准确估计出信号传播时长，需要信号信标发射机和水下机器人接收机的时钟同步，信号发射时刻为时钟的整秒。通过同一码族不同扩频码来区分不同信标发射机和发射信号时刻，从实现更新速度较快的测距服务。本发明主要用来满足多个水下机器人同时作业需求的水声定位导航服务。
Description
技术领域
本发明属于水下定位导航领域，尤其涉及一种用于水声测距的信号处理方法。
背景技术
水下机器人可以在深水中代替人类完成对海洋资源的探测和开发，为生产节省了大量的成本。同时，在保护国家安全和人民财产方面体现重要价值。水下定位导航技术是水下机器人技术的难点和重点，在实际应用中，由于水下航行器的体积小和重量轻、易受海洋水底环境的影响，导致水下定位导航成为较为棘手的问题。目前，水下机器人中应用的导航系统一般根据其工作方式分为两类：一类是不需要借助外部信息的自主导航系统，如惯性导航系统；另一类是借助于外部信息的导航系统，如GPS/北斗/伽利略等卫星无线电导航系统、水声定位导航系统等。惯性导航系统需要借助于惯性器件的输出完成导航。但由于惯性器件的自身漂移问题会产生误差，其在不修正的情况下定位误差随时间积累，因此在水下长航程任务中无法单独使用。GPS等卫星无线电导航系统定位精度虽然比较高，但电磁波在水中传播时容易被吸收，也无法在长航程任务中使用。水声定位导航系统事先在工作的海域布置参考信标，通过测量水声信号从发射机到接收机的传播时长来测距，可以弥补惯性导航系统和卫星无线电系统在水下机器人长航程任务的不足。但传统的水声定位导航系统缺点也非常明显，由于其问答工作模式导致其容纳水下机器人的数目有限，并且定位服务更新速率太慢。因此，可以考虑借助于扩频技术，研究信号的处理算法，解决以上问题。
本发明基于扩频技术，不同的信标发射机向外发射定位服务信号，水下机器人接收机接收水声信号进行自我位置解算，避免了传统水声定位系统问答式作业方式造成的系统容纳水下机器人数目有限的问题。通过同一码族不同扩频码来区分不同的发射机和发射信号时刻，从实现更新速度较快的测距服务。为了保证以上功能的实现，需要信号发射机和信号接收机的时钟同步，信号发射时刻为时钟的整秒。本发明为水下机器人协同作业提供了理论支撑和工程应用保障。
发明内容
本发明涉及一种基于扩频技术的水声测距信号处理方法，包括以下步骤：
A1：对水听器接收到的数据进行放大滤波等信号调理后，进而通过模拟数字采集电路进行数字采集形成原始数据C1；
A2：对原始数据C1进行正交基带解调、低通滤波、降采样等信号处理过程形成初步处理数据C2；
A3：根据已有信号参数与生成原始参考数据C3，进行正交基带解调、低通滤波、降采样和共轭处理形成初步参考数据C4；
A4：将初步处理数据C2和初步参考数据C4进行卷积运算后取模，得到检测信号C5；
A5：将检测信号C5与阈值进行比较，大于阈值后判断信号传播时间，进而求出发射机与接收机距离。
为了准确估计出信号传播时长，需要保证信标信号发射机和水下机器人信号接收机的时钟同步。
信号发射时刻为时钟的整秒开始，即整数秒零毫秒零微秒零纳秒。
通过同一码族不同扩频码来区分不同发射机和发射信号时刻。如果发射机数目为N，标志发射信号整秒时刻数目记做M，同一码族共有D组不同的伪随机码，则三者关系需要满足：
N×M≤D
为了减小由于遍历不同扩频码产生的计算量，需要尽量减少发射信号整秒时刻数目M。如果水声测距最大作用距离为L，水中声速为c，水声定位服务更新频率为H秒，则M需要满足：
其中，
为向上取整。
本发明的有益效果与现有技术相比，本发明的有益效果是：
针对多个水下机器人协同作业需求定位导航服务时，可以采用信标发射机发射信号，水下机器人只接收声学信号的服务模式。由此避免了传统水声定位系统问答模式导致的系统容纳水下机器人的数目有限的情况。此外，本发明采用不同的伪随机码信号标致信号的发射起始时刻，使得水下机器人较高的定位服务更新速率需求成为可能。本发明为多水下机器人协同工作提供了理论基础和工程应用方法。
附图说明
图1是信号发生器产生的信号仿真图。
图2是模拟水听器接收到的测距信号。
图3是通过低通滤波后信号仿真图。
图4是经过处理最后得到检测信号示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种基于扩频技术的水声测距信号处理方法，包括以下步骤：
A1：对水听器接收到的数据进行放大滤波等信号调理后，进而通过模拟数字采集电路进行数字采集形成原始数据C1；
A2：对原始数据C1进行正交基带解调、低通滤波、降采样等信号处理过程形成初步处理数据C2；
A3：根据已有信号参数与生成原始参考数据C3，进行正交基带解调、低通滤波、降采样和共轭处理形成初步参考数据C4；
A4：将初步处理数据C2和初步参考数据C4进行卷积运算后取模，得到检测信号C5；
A5：将检测信号C5与阈值进行比较，大于阈值后判断信号传播时间，进而求出发射机与接收机距离。
进一步的，为了准确估计出信号传播时长，需要保证信标信号发射机和水下机器人信号接收机的时钟同步。
进一步的，信号发射时刻为时钟的整秒开始，即整数秒零毫秒零微秒零纳秒。
进一步的，通过同一码族不同扩频码来区分不同发射机和发射信号时刻。如果发射机数目为N，标志发射信号整秒时刻数目记做M，同一码族共有D组不同的伪随机码，则三者关系需要满足：
N×M≤D
进一步的，为了减小由于遍历不同扩频码产生的计算量，需要尽量减少发射信号整秒时刻数目M。如果水声测距最大作用距离为L，水中声速为c，水声定位服务更新频率为H秒，则M需要满足：
其中，
为向上取整。
结合仿真数据来详述上述解算步骤。
假设系统的工作深度要求为6000m；
信号中心频率定为11kHz；
传播损失为86dB；
噪声源级为85dB；
换能器的声源级为171dB；
检测阈值为20dB；
扩频码采用7级Gold码，码速率为2.2kHz；
信号采样率为70kHz；
解调频率为8kHz；
低通滤波的通带为0～6kHz。
仿真得到的结果如图1～图4所示。从图4可以看出，按照图1产生的发射信号在信噪比为0dB的情况下，本发明提供的信号处理方法可以实现水下声学测距信号的正确处理。
Claims (5)
1.一种基于扩频技术的水声测距信号处理方法，包括以下步骤：
步骤一：对水听器接收到的数据进行放大滤波等信号调理后，通过数字采集形成原始数据；
步骤二：对原始数据进行正交基带解调、低通滤波、降采样等信号处理过程形成初步处理数据；
步骤三：根据已有信号参数与生成原始参考数据，进行正交基带解调、低通滤波、降采样和共轭处理形成初步参考数据。
步骤四：将初步处理数据和初步参考数据进行卷积运算后取模，得到检测信号。
步骤五：将检测信号与阈值进行比较，大于阈值后判断信号传播时间，进而求出信标发射机与水下机器人接收机距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于扩频技术的水声测距信号处理方法，为了准确估计出信号传播时长，需要保证信标信号发射机和水下机器人信号接收机的时钟同步。
3.根据权利要求1所述的一种基于扩频技术的水声测距信号处理方法，信号发射时刻为时钟的整秒开始，即整数秒零毫秒零微秒零纳秒。
4.根据权利要求1所述的一种基于扩频技术的水声测距信号处理方法，通过同一码族不同扩频码来区分不同发射机和发射信号时刻。如果发射机数目为N，用以标志发射信号整秒时刻数目记做M，同一码族共有D组不同的伪随机码，则三者关系需要满足：
N×M≤D 。
5.根据权利要求1和4所述的一种基于扩频技术的水声测距信号处理方法，为了减小由于遍历不同扩频码产生的计算量，需要尽量减少发射信号整秒时刻数目M。如果水声测距最大作用距离为L，水中声速为c，水声定位服务更新频率为H秒，则M需要满足：
其中，
为向上取整。
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