CN113176539A - 一种水声信号噪声多级抑制与稳健定位系统及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种水声信号噪声多级抑制与稳健定位系统及定位方法涉及水声定位系统及定位方法，目的是为了克服现有水声定位系统中水声链路可靠性低，容易导致量测数据丢失，以及机动性差的问题，系统包括惯导系统、应答器和超短基线系统；惯导系统固定在水下移动平台上，用于根据水下移动平台的运动状态，输出惯性信息和实时速度信息至超短基线系统；应答器，用于与超短基线系统通信；超短基线系统包括信号处理单元和超短基线基阵，且信号处理单元通过超短基线基阵接收应答器发射的应答信号。
Description
技术领域
本发明涉及水声定位系统及定位方法。
背景技术
近年来，水声技术在资源勘探、科学考察、水下声通信、海底监测网、远洋作战等方面都起到了重要的作用。水声定位是水声技术的重要研究分支，随着其在水下目标跟踪、海洋资源开发、水下运动载体的定位导航等军事及民用领域应用范围越来越广泛。
受制于海洋环境和水下移动作战平台的工况，声波在水中的传播会受到高噪声、复杂多途扩展以及多普勒频移等影响，链路联通条件差，无间断的可靠联通难以保障。同时为了保障水下作战平台的隐蔽性，海底应答器需处于小声源级发射状态，使得超短基线对环境噪声的抑制能力尤为重要。
现有方式通过多阵元全空间预成波束获得空间指向性增益，同时设计高分辨长脉冲编码信号来获取时间增益实现噪声抑制。但覆盖全空间预成多波束计算大，对硬件系统要求较高，不适用对体积、重量、功耗以及集成度要求较高的水下快速移动平台，机动性差。
并且在低信噪比背景下，水声定位系统中水声链路可靠性低，容易导致量测数据丢失。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有水声定位系统中水声链路可靠性低，容易导致量测数据丢失，以及机动性差的问题，提供了一种水声信号噪声多级抑制与稳健定位系统及方法。
本发明的一种水声信号噪声多级抑制与稳健定位系统，包括惯导系统、应答器和超短基线系统；
惯导系统固定在水下移动平台上，用于根据水下移动平台的运动状态，输出惯性信息和实时速度信息至超短基线系统；
应答器，用于与超短基线系统通信；
超短基线系统包括信号处理单元和超短基线基阵，且信号处理单元通过超短基线基阵接收应答器发射的应答信号；
信号处理单元包括信息预测模块、波束形成模块、信号重构模块和定位解算模块；
信息预测模块，与惯导系统连接，用于根据惯性信息对应答信号的波达方向和信道冲激响应函数进行预测，以及根据实时速度信息对应答信号的多普勒频偏及相位变化进行预测；确定通过超短基线在正常声联通条件下，每次定位都利用定位信号进行信道估计，建立信道冲击响应函数变化(相关系数)与水下移动平台的位置、速度、航向的关系函数；在声链路间断的条件下，由前续声信道冲激响应函数、前续超短基线的位置、速度、航向以及当前惯导信息通过该关系函数对当前声信道进行预测；
波束形成模块，与信息预测模块连接，用于根据预测的波达方向，对超短基线基阵进行多阵元波束形成，并利用多阵元波束形成后的超短基线基阵接收应答信号；
信号重构模块，同时与信息预测模块连接，用于根据预测的多普勒频偏及相位变化调整参考信号的参数，并将调整参数后的参考信号与预测的信道冲激响应函数卷积得到重构的参考信号；
定位解算模块，同时与波束形成模块和信号重构模块连接，用于通过应答信号和重构的参考信号计算应答信号的传播时延值，并根据应答信号的传播时延值，采用空间分集测量的方法实现定位。
本发明的一种水声信号噪声多级抑制与稳健定位方法，基于上述的系统，方法具体步骤如下：
步骤一、根据惯导系统输出的惯性信息和应答器的位置信息，结合水声定位解算模型，对应答信号的波达方向进行预测；根据惯导系统输出的实时速度信息对应答信号的多普勒频偏及相位变化进行预测；以及对应答信号的信道冲击响应函数进行预测；
步骤二、根据步骤一预测的应答信号的波达方向，对超短基线基阵进行多阵元波束形成，使得多阵元波束形成后的超短基线虚拟阵元接收应答信号；
步骤三、根据步骤一预测的应答信号的多普勒频偏及相位变化调整参考信号的参数，将调整参数后的参考信号与步骤一预测的信道冲激响应函数卷积，重构参考信号；
步骤四、将步骤三得到的重构的参考信号和步骤二得到的应答信号进行拷贝相关，通过拷贝相关结果峰值的位置，计算应答信号的传播时延值；
步骤五、利用传播时延值，基于超短基线基阵，采用分集测量方式进行定位解算。
进一步地，步骤一中，根据惯导系统输出的惯性信息和应答器的位置信息，结合水声定位解算模型，对应答信号的波达方向进行预测的具体方法如下：
步骤一一、根据惯导系统输出的惯性信息和应答器的位置信息，结合水声定位解算模型，利用应答器在基阵坐标系下的预测位置，获得应答器与超短基线基阵之间相对位置关系，其中水声定位解算模型如下：
其中，
为应答器在基阵坐标系下的预测位置；
为水下移动平台在导航坐标系下预测位置，该
包括在惯性信息中；
为应答器在导航坐标系下位置，
为载体坐标系到导航坐标系下的转换矩阵；
为基阵坐标系到载体坐标系转换矩阵，
为超短基线基阵的位置安装偏差；
建立导航坐标系，导航坐标系是指“东北天”地理坐标系，该坐标系以赤道与本初子午线交点为原点on，xn轴指向地理东向，yn轴指向地理北向，zn轴指向天顶方向；
然后建立基阵坐标系，基阵坐标系是指以声学基阵中心为原点oa，沿声学基阵平面指向水下航行器的艏向方向为ya轴，za轴垂直于基阵平面向上，xa、ya、za构成右手坐标系；
建立载体坐标系obxbybzb，载体坐标系的坐标原点ob位于INS的质心，坐标轴xb的正方向沿水下载体的横轴指向右，坐标轴yb的正方向沿水下载体的纵轴指向前，坐标轴zb的正方向沿水下航行器的立轴指向上，载体坐标系满足右手定则；
步骤一二、根据应答器与超短基线基阵之间相对位置关系，从而确定接收信号的波达方向。然后直接根据相对位置关系，通过几何求解确定接收信号的波达方向。
进一步地，步骤一中，预测的信道冲击响应函数为：
其中：h(tN+1)为tN+1时刻预测的信道冲击响应函数，h(ti),i＝i,2…,k,…,N为ti时刻估计的信道冲击响应函数，
为信道h(ti)和信道h(tj)的相关系数，
为信道h(ti)与h(tN+1)的相关系数。
进一步地，步骤二中，根据预测的应答信号的波达方向，对超短基线基阵进行多阵元波束形成的具体方法如下：
为超短基线基阵的每个阵元所接收的应答信号施加不同的相移，使设定方向入射的应答信号能够正向叠加，其他的方向入射的应答信号被抑制；
超短基线基阵为多阵元平面阵，该多阵元平面阵划分为多个子阵，每个子阵作为一个独立波束形成的单元，并将每个子阵设定一个波束形成参考位置，将该参考位置作为超短基线虚拟阵元的位置，并且在超短基线虚拟阵元连接所构成的所有基线中，至少存在一组相互垂直的基线组合。
进一步地，步骤三的具体步骤如下；
步骤三一、利用预测的应答信号的多普勒频偏及相位变化，调整参考信号的频率以及对参考信号进行相位补偿；
步骤三二、将步骤三一得到的调整后的参考信号与预测的信道冲激响应卷积，实现对参考信号的重构。
进一步地，步骤四中，通过下式将重构的参考信号和应答信号进行拷贝相关处理；
其中：SMf(t)为拷贝相关处理的输出信号，Sr(t)为超短基线虚拟阵元所接收的应答信号，S'(t)为重构的参考信号；τ为进行拷贝相关处理时参考信号与应答信号的时延值。
进一步地，步骤五的具体方法如下：
步骤五一、利用超短基线基阵中所有的超短基线虚拟阵元，形成多组独立的基线；
步骤五二、通过选择不同的基线组合，结合对应的应答信号的传播时延值，采用分集测量方式进行定位解算；
步骤五三、并根据解算方位角标准差对每个超短基线虚拟阵元的时延值进行判断，对超过设定阈值的误差时延值进行修正。
进一步地，解算方位角通过下式得到：
其中：α、β为解算方位角，(xN,yN),tN,N＝1,2,3,4，其中N为超短基线虚拟阵元的序号，tN分别为应答信号达到第N个超短基线虚拟阵元的传播时延，(xN,yN)为第N个超短基线虚拟阵元的坐标值，c为声速，(N1,N2,N3,N4)为分集测量所采用的阵元组合。
本发明的有益效果是：
本发明提出一种水声信号噪声逐级抑制与稳健定位方法及系统，引入惯性信息辅助，利用惯导系统输出的姿态、位置、速度信息预测接收信号的波达方向，进行波束形成获得空间处理增益，满足水下移动平台对机动性的要求；通过利用惯导系统输出惯性信息对信道环境进行预测，结合信道信息对参考信号进行重构，提升参考信号与接收信号的匹配度，减小相关损失；通过空间分级测量，提高了对错误通道和大误差通道的检出率，确保以最小误差基线参与定位解算，提高超短基线定位数据的稳定性。
附图说明
图1为本发明的一种水声信号噪声多级抑制与稳健定位方法的原理框图；
图2为本发明的一种水声信号噪声多级抑制与稳健定位系统的结构示意图；
图3为本发明的一种水声信号噪声多级抑制与稳健定位系统中信号处理单元与惯导系统的配合结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一，本实施方式的一种水声信号噪声多级抑制与稳健定位系统及方法：
其中，如图1所示，方法如下：
步骤S1，利用惯导系统输出的惯性信息，应答器的位置信息，结合水声定位解算模型，对接收信号的波达方向进行预测，同时对接收信号多普勒频偏、信道的冲击响应函数进行预测。
步骤S1中对信号波达方向预测过程为：利用应答器在基阵坐标系下的预测位置，获得应答器与超短基线基阵之间相对位置关系，从而确定接收信号的波达方向。
步骤S1中，通过采用水声定位解算模型获得应答器在基阵坐标系下的预测位置，水声定位解算模型为：
其中，
为应答器在基阵坐标系下的预测位置，
为平台在导航坐标系下预测位置，
为应答器在导航坐标系下位置，
载体坐标系到导航坐标系下的转换矩阵；
为基阵坐标系到载体坐标系转换矩阵，
为基阵的位置安装偏差。
其中，步骤S1中通过惯导输出的惯性信息，预测的信道冲击响应函数为：
h(tN+1)为tN+1时刻预测的信道冲击响应函数，h(ti),i＝i,2…,k,…,N为ti时刻估计的信道冲击响应函数，
为信道h(ti)和信道h(tj)的相关系数，
为信道h(ti)与h(tN+1)的相关系数。
步骤S2，根据步骤S1预测的接收信号的波达方向，进行多阵元波束形成，提高接收信号信噪比。
步骤S2中多阵元波束形成原理为：为多阵元平面阵每个阵元的接收信号施加不同的相移，使特定方向入射的信号能够正向叠加，而其他的方向入射的信号则会被抑制，从而提高接收信号的信噪比。
步骤S2中进行波束形成的超短基线基阵为多阵元平面阵，将该平面阵划分为多个子阵，每个子阵作为一个独立波束形成的单元，并将每个子阵设定一个波束形成参考位置，将该参考位置作为超短基线中超短基线虚拟阵元的位置。
步骤S2中的超短基线基阵的布放原则为：对于超短基线基阵，在超短基线虚拟阵元连接所构成的所有基线中，至少存在一组相互垂直的基线组合。
步骤S3，根据步骤S1预测的接收信号多普勒、相位变化，调整参考信号参数，将参考信号与预测的信道冲激响应函数卷积，重构参考信号。
步骤S3的重构参考信号包括：利用惯导系统输出平台的速度信息，预测出信号多普勒频偏以及相位的变化，调整参考信号频率，同时对参考信号进行相位补偿，并将该参考信号与预测的信道冲激响应卷积，实现对参考信号的重构。
步骤S4，将步骤S3所得的参考信号与步骤S2输出的信号进行拷贝相关，通过相关结果峰值的位置，准确计算信号传播时延值。
步骤S4中的拷贝相关原理为：
其中：SMf(t)为拷贝相关处理输出信号，Sr(t)为超短基线中超短基线虚拟阵元的接收信号，S'(t)为重构的参考信号。
步骤S5，利用信号传播时延值，基于多阵元平面阵，采用分集测量方式进行定位解算，提高超短基线定位精度与稳健性。
惯导系统输出的惯性信息包括：水下平台的位置信息、深度信息、姿态信息以及平台的实时速度信息等。步骤S5所采用空间分集测量方法为：利用超短基线基阵中所有的超短基线虚拟阵元，形成多组独立的基线，通过选择不同的基线组合，结合对应的信号传播时延值进行定位解算。并根据解算方位角标准差对每个超短基线虚拟阵元时延值进行判断，对大误差时延值进行修正，提高定位解算精度。
步骤S5的超短基线定位解算的方位角为：
其中：α、β为解算的方位角，(xN,yN),tN,N＝1,2,3,4分别为线列阵阵元声中心位置以及接收信号的传播时延，c为声速，(N1,N2,N3,N4)为分集测量所采用的阵元组合。
如图2所示，系统包括：惯导系统1、应答器2、超短基线系统3。
惯导系统1与超短基线系统3刚性连接在一起。
应答器2由水声换能器，耐压壳体、电子舱、电池舱、声学释放器组成。应答器通过声信号的接收与发射，实现与超短基线系统的信息交互。
惯导系统由陀螺仪和加速度计组成，用于给超短基线系统输出惯性信息以及实时速度信息。
超短基线系统由信号处理单元3-1、超短基线基阵3-2、电子舱和电池舱组成。
超短基线系统3中信号处理单元3-1具体包括：
信息预测模块3-1-1，用于根据惯性信息，对信号波达方向、接收信号多普勒以及信道冲激响应函数进行预测。
波束形成模块3-1-2：用于根据预测的波达方向，进行波束形成，提高接收信号的信噪比。
信号重构模块3-1-3：用于根据预测的信道信息，调整参考信号的参数，并将参考信号与预测的信道冲激响应卷积实现参考信号重构。
定位解算模块3-1-4：用于计算信号传播时延值，并根据信号传播时延值，采用空间分集测量的方式实现精确定位。
超短基线系统中超短基线基阵为多阵元平面阵，该平面阵被划分为多个子阵，每个子阵作为一个独立波束形成的单元，并将每个子阵设定一个波束形成参考位置，将该参考位置作为超短基线中超短基线虚拟阵元的位置。
超短基线系统中超短基线基阵布放原则为：对于超短基线基阵，在超短基线虚拟阵元连接所构成的所有基线中，至少存在一组相互垂直的基线组合。
信息预测模块预测波达方向的具体过程：利用应答器在基阵坐标系下的预测位置，获得应答器与超短基线基阵之间相对位置关系，从而确定接收信号的波达方向。
信息预测模块预测的信道冲激响应函数为：
其中：h(tN+1)为tN+1时刻预测的信道冲击响应函数，h(ti),i＝1,2,…,N为ti时刻估计的信道冲击响应函数，
为信道h(ti)和信道h(tj)的相关系数，
为信道h(ti)与h(tN+1)的相关系数。
波束形成模块的具体工作原理为：为多阵元平面阵每个阵元的接收信号施加不同的相移，使特定方向入射的信号能够正向叠加，而其他的方向入射的信号则会被抑制，从而提高接收信号的信噪比。
信号重构模块工作原理为：结合预测出信号多普勒频偏以及相位变化，调整参考信号频率，同时对参考信号进行相位补偿，并利用预测的信道冲击响应函数卷积参考信号，实现对参考信号的重构。
定位解算模块中分集测量原理为：利用超短基线基阵中所有超短基线虚拟阵元，形成多组独立的基线，通过选择不同的基线组合，结合对应的信号传播时延值进行定位解算。并根据解算方位角标准差对每个超短基线虚拟阵元时延值进行判断，对大误差时延值进行修正，提高定位解算精度。
定位解算模块解算的方位角为：
其中：α、β为解算的方位角，(xN,yN),tN,N＝1,2,3,4分别为线列阵阵元声中心位置以及接收信号的传播时延，c为声速，(N1,N2,N3,N4)为分集测量所采用的阵元组合。
如图3的系统工作流程框图，该系统首先通过惯导系统输出的惯性信息传递给信息预测模块，通过信息预测模块进行处理，获得预测的接收信号波达方向以及信道的基本信息。信息预测模块将预测的接收信号波达方向信息传递给波束形成模块，波束形成模块进行接收信号波束形成，提高接收信号的信噪比。同时信息预测模块将预测的信道信息传递给信号重构模块，信号重构模块利用预测的多普勒信息调整参考信号参数，并与预测的信道冲击响应函数进行卷积处理，实现对参考信号的重构，提高与接收信号的匹配度，减少相关损失。
利用波束形成模块输出的接收信号与信号重构模块输出的重构参考信号进行拷贝相关，精确提取超短基线基阵中每个超短基线虚拟阵元的时延值，然后利用对应的信号传播时延值，采用分集测量方式进行定位解算，提高对大误差时延的检出率，并对大误差时延值继续修正，提高定位解算的精度。
Claims (9)
1.一种水声信号噪声多级抑制与稳健定位系统，其特征在于，包括惯导系统(1)、应答器(2)和超短基线系统(3)；
所述惯导系统(1)固定在水下移动平台(4)上，用于根据水下移动平台(4)的运动状态，输出惯性信息和实时速度信息至所述超短基线系统(3)；
所述应答器(2)，用于与所述超短基线系统(3)通信；
所述超短基线系统(3)包括信号处理单元(3-1)和超短基线基阵(3-2)，且信号处理单元(3-1)通过所述超短基线基阵(3-2)接收所述应答器(2)发射的应答信号；
所述信号处理单元(3-1)包括信息预测模块(3-1-1)、波束形成模块(3-1-2)、信号重构模块(3-1-3)和定位解算模块(3-1-4)；
所述信息预测模块(3-1-1)，与惯导系统(1)连接，用于根据惯性信息对所述应答信号的波达方向和信道冲激响应函数进行预测，以及根据实时速度信息对所述应答信号的多普勒频偏及相位变化进行预测；
所述波束形成模块(3-1-2)，与所述信息预测模块(3-1-1)连接，用于根据预测的波达方向，对超短基线基阵(3-2)进行多阵元波束形成，并利用多阵元波束形成后的超短基线基阵(3-2)接收所述应答信号；
所述信号重构模块(3-1-3)，同时与所述信息预测模块(3-1-1)连接，用于根据预测的多普勒频偏及相位变化调整参考信号的参数，并将调整参数后的参考信号与预测的信道冲激响应函数卷积得到重构的参考信号；
所述定位解算模块(3-1-4)，同时与所述波束形成模块(3-1-2)和所述信号重构模块(3-1-3)连接，用于通过应答信号和重构的参考信号计算所述应答信号的传播时延值，并根据所述应答信号的传播时延值，采用空间分集测量的方法实现定位。
2.一种水声信号噪声多级抑制与稳健定位方法，其特征在于，基于权利要求1所述的系统，所述方法具体步骤如下：
步骤一、根据惯导系统输出的惯性信息和应答器的位置信息，结合水声定位解算模型，对应答信号的波达方向进行预测；根据惯导系统输出的实时速度信息对所述应答信号的多普勒频偏及相位变化进行预测；以及对所述应答信号的信道冲击响应函数进行预测；
步骤二、根据步骤一预测的应答信号的波达方向，对超短基线基阵进行多阵元波束形成，使得多阵元波束形成后的超短基线虚拟阵元接收所述应答信号；
步骤三、根据步骤一预测的应答信号的多普勒频偏及相位变化调整参考信号的参数，将调整参数后的参考信号与步骤一预测的信道冲激响应函数卷积，重构参考信号；
步骤四、将步骤三得到的重构的参考信号和步骤二得到的应答信号进行拷贝相关，通过拷贝相关结果峰值的位置，计算所述应答信号的传播时延值；
步骤五、利用所述传播时延值，基于超短基线基阵，采用分集测量方式进行定位解算。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤一中，根据惯导系统输出的惯性信息和应答器的位置信息，结合水声定位解算模型，对应答信号的波达方向进行预测的具体方法如下：
步骤一一、根据惯导系统输出的惯性信息和应答器的位置信息，结合水声定位解算模型，利用应答器在基阵坐标系下的预测位置，获得应答器与超短基线基阵之间相对位置关系，其中水声定位解算模型如下：
其中，
为应答器在基阵坐标系下的预测位置；
为水下移动平台在导航坐标系下预测位置，该
包括在惯性信息中；
为应答器在导航坐标系下位置，
为载体坐标系到导航坐标系下的转换矩阵；
为基阵坐标系到载体坐标系转换矩阵，
为超短基线基阵的位置安装偏差；
步骤一二、根据应答器与超短基线基阵之间相对位置关系，从而确定接收信号的波达方向。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中，预测的信道冲击响应函数为：
其中：h(tN+1)为tN+1时刻预测的信道冲击响应函数，h(ti),i＝i,2…,k,…,N为ti时刻估计的信道冲击响应函数，
为信道h(ti)和信道h(tj)的相关系数，
为信道h(ti)与h(tN+1)的相关系数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤二中，根据预测的应答信号的波达方向，对超短基线基阵进行多阵元波束形成的具体方法如下：
为超短基线基阵的每个阵元所接收的应答信号施加不同的相移，使设定方向入射的应答信号能够正向叠加，其他的方向入射的应答信号被抑制；
所述超短基线基阵为多阵元平面阵，该多阵元平面阵划分为多个子阵，每个子阵作为一个独立波束形成的单元，并将每个子阵设定一个波束形成参考位置，将该参考位置作为超短基线虚拟阵元的位置，并且在超短基线虚拟阵元连接所构成的所有基线中，至少存在一组相互垂直的基线组合。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤三的具体步骤如下；
步骤三一、利用预测的应答信号的多普勒频偏及相位变化，调整参考信号的频率以及对参考信号进行相位补偿；
步骤三二、将步骤三一得到的调整后的参考信号与预测的信道冲激响应卷积，实现对参考信号的重构。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤四中，通过下式将重构的参考信号和应答信号进行拷贝相关处理；
其中：SMf(t)为拷贝相关处理的输出信号，Sr(t)为超短基线虚拟阵元所接收的应答信号，S'(t)为重构的参考信号；τ为进行拷贝相关处理时参考信号与应答信号的时延值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤五的具体方法如下：
步骤五一、利用超短基线基阵中所有的超短基线虚拟阵元，形成多组独立的基线；
步骤五二、通过选择不同的基线组合，结合对应的应答信号的传播时延值，采用分集测量方式进行定位解算；
步骤五三、并根据解算方位角标准差对每个超短基线虚拟阵元的时延值进行判断，对超过设定阈值的误差时延值进行修正。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述解算方位角通过下式得到：
其中：α、β为解算方位角，(xN,yN),tN,N＝1,2,3,4，其中N为超短基线虚拟阵元的序号，tN分别为应答信号到达第N个超短基线虚拟阵元的传播时延，(xN,yN)为第N个超短基线虚拟阵元的坐标值，c为声速，(N1,N2,N3,N4)为分集测量所采用的阵元组合。
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