王燕，梁國(guó)龍，付進(jìn)

(哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

受水聲信道帶寬窄、信號(hào)傳播速度慢、界面多途及聲線彎曲等諸多不利因素的制約，對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行高精度的定位導(dǎo)航較之陸地和空中目標(biāo)要困難得多［1］.而空間分布式浮標(biāo)陣水聲定位系統(tǒng)為水下目標(biāo)高精度三維定位提供了必要的技術(shù)手段［2-3］.

對(duì)于水下合作目標(biāo)，現(xiàn)有的水聲定位系統(tǒng)多采用同步工作方式［4］，即在每次測(cè)量前，被測(cè)聲源的時(shí)鐘(安裝在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上)與接收系統(tǒng)需進(jìn)行同步對(duì)時(shí).同步對(duì)時(shí)雖可達(dá)到很高的精度，但同步系統(tǒng)對(duì)聲源和接收系統(tǒng)時(shí)鐘的穩(wěn)定度要求均較高.有限的時(shí)鐘穩(wěn)定度不僅會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘偏差累積，還容易因外界隨機(jī)強(qiáng)脈沖干擾而引起時(shí)鐘擾動(dòng)偏差，進(jìn)而影響系統(tǒng)定位精度.而異步工作方式不要求聲源和接收系統(tǒng)精確對(duì)時(shí)，在陣內(nèi)可達(dá)到與同步系統(tǒng)相媲美的定位精度［3］，因而適用范圍更加廣泛.

對(duì)于作高速、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的水下目標(biāo)，定位系統(tǒng)必須保證足夠高的軌跡采樣率才能正確描述其軌跡.但受距離模糊［5］的限制，通常的定位系統(tǒng)其軌跡采樣率均較低(在秒量級(jí))，這限制了對(duì)高速目標(biāo)的跟蹤能力.將長(zhǎng)基線、超短基線2種定位方法組合［6］，可在不產(chǎn)生距離模糊的前提下適當(dāng)提高測(cè)量幀率，但其單個(gè)浮標(biāo)基元的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，海上布放回收不便.為彌補(bǔ)上述缺陷，本文從信號(hào)波形設(shè)計(jì)出發(fā)，提出了一種基于組合脈沖串的長(zhǎng)基線高幀率異步水聲定位技術(shù)，可將幀率進(jìn)一步提高到0.1 s量級(jí).

1 定位系統(tǒng)構(gòu)成

圖1、2分別是浮標(biāo)陣異步水聲定位系統(tǒng)工作態(tài)勢(shì)圖和測(cè)量陣構(gòu)成圖.一個(gè)基本的定位系統(tǒng)由4個(gè)無(wú)線電遙控水聲定位浮標(biāo)組成，其中包括2個(gè)垂直雙水聽(tīng)器浮標(biāo)和2個(gè)單水聽(tīng)器浮標(biāo)，構(gòu)成一個(gè)6陣元的立體測(cè)量陣.各浮標(biāo)間利用GPS同步對(duì)時(shí)，浮標(biāo)接收機(jī)以異步方式接收從目標(biāo)聲源發(fā)射的脈沖信號(hào)，檢測(cè)到信號(hào)后記錄下脈沖前沿到達(dá)的時(shí)刻.GPS實(shí)時(shí)測(cè)定浮標(biāo)的大地坐標(biāo)位置，借助于無(wú)線電通信鏈實(shí)時(shí)將浮標(biāo)位置、信號(hào)傳播時(shí)延等參數(shù)傳送到測(cè)量船顯控平臺(tái)進(jìn)行定位解算.一個(gè)基本陣型可對(duì)3 km×3 km×300 m范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)三維跟蹤監(jiān)測(cè)，如需增大測(cè)量范圍，可通過(guò)增加級(jí)聯(lián)浮標(biāo)個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)擴(kuò)展便利.

圖1 系統(tǒng)工作態(tài)勢(shì)Fig.1 Sketch of the localization system

圖2 定位系統(tǒng)測(cè)量陣構(gòu)成Fig.2 Structure of the localization system measurement array

2 異步水聲定位原理

通過(guò)測(cè)量聲信號(hào)從聲源到各接收水聽(tīng)器所經(jīng)歷的傳播時(shí)延可以確定聲源到各陣元的距離，每一組時(shí)延可確定聲源所在的一個(gè)球面［7］:

式中:(xi，yi，zi)和ti分別是第i個(gè)陣元的空間位置以及第i個(gè)陣元接收信號(hào)的時(shí)刻相對(duì)于接收機(jī)時(shí)鐘的時(shí)間;(xs，ys，zs)和ts分別為目標(biāo)的空間坐標(biāo)以及信號(hào)發(fā)射時(shí)刻相對(duì)于接收機(jī)時(shí)鐘的時(shí)間;c為聲波在水中的傳播速度.xs、ys、zs和ts為未知量，其余變量均為可測(cè)量.

在式(1)中，xs、ys、zs和ts為未知量，其余變量均為可測(cè)量.設(shè)di(i=1，2，3，4)為第i號(hào)陣元到目標(biāo)的距離，di1為第i號(hào)陣元與第1號(hào)陣元到目標(biāo)的距離差.ri為第i號(hào)陣元到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，并且有

式(1)表示的方程組還可寫(xiě)成矩陣形式:

其中:

若A的逆矩陣存在，對(duì)式(3)中的X求解，得

再令F=A－1B，H=A－1C，K=［x1y1z1］，L= FTF－1，N=HTH+KKT－2KH，M=2(FTHFTKT)，得

將式(11)代入式(10)，即可求得聲源位置(xs，ys，zs).但此時(shí)得到的解為雙解，利用陣元5或陣元6的測(cè)量數(shù)據(jù)作為判據(jù)，便可得到目標(biāo)的真實(shí)位置.

任意選取6個(gè)陣元中的4個(gè)，只要式(3)中A的逆矩陣存在，即可求得一組目標(biāo)位置解，將多組解綜合，可得到更高精度的目標(biāo)三維位置.

3 組合脈沖串設(shè)計(jì)

在水聲信道中，上下邊界會(huì)引起多途時(shí)延擴(kuò)展，在淺水信道下時(shí)延擴(kuò)展可達(dá)到300～400 ms.多途時(shí)延擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致前后脈沖間的相互干擾，增加檢測(cè)和估計(jì)的難度［8-9］.增加脈沖間距雖然會(huì)減小這種干擾，卻會(huì)使系統(tǒng)幀率降低.本文提出的應(yīng)對(duì)方法是設(shè)計(jì)一種組合脈沖串，不同頻段的脈沖信號(hào)交叉使用，并且前后脈沖的頻率不同，這樣可以在不降低幀率的條件下減小脈沖間干擾.

考慮到水聲信道可用頻帶較窄，組合脈沖串設(shè)計(jì)為由12個(gè)脈沖、最多7種類(lèi)型脈沖組合而成，組合脈沖串重復(fù)周期2 s.不同類(lèi)型的脈沖頻帶互不重疊或頻帶重疊但調(diào)頻斜率極性相反.設(shè)Pi(i=0，1，…，6)為脈沖類(lèi)型序號(hào).P0為CW脈沖，P1，P2，…，P6均為窄帶LFM脈沖.利用脈沖P0實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移，來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整與LFM脈沖作相關(guān)處理的參考信號(hào).脈沖P1、P2用作脈沖子序列奇偶標(biāo)識(shí)碼，便于不同浮標(biāo)間測(cè)得脈沖信號(hào)信息的時(shí)空關(guān)聯(lián).

脈沖串的序列結(jié)構(gòu)可分別選取如圖3所示的3種結(jié)構(gòu).

上述脈沖序列結(jié)構(gòu)均可將幀率提高12倍，軌跡采樣周期降至0.166 ms.而其中結(jié)構(gòu)1所需的獨(dú)立信道數(shù)最少(只需5條)，但抗多途能力較結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3稍差.當(dāng)信道帶寬比較充裕且多途時(shí)延擴(kuò)展嚴(yán)重時(shí)，可將脈沖序列結(jié)構(gòu)改換為結(jié)構(gòu)2或結(jié)構(gòu)3，其中結(jié)構(gòu)3可抗秒量級(jí)的多途擴(kuò)展.

圖3 組合脈沖串的幾種可選序列結(jié)構(gòu)Fig.3 Several optinal structures of combined pulse train

4 信號(hào)處理算法

信號(hào)處理器采用2類(lèi)處理器并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖4所示.并行多通道自適應(yīng)陷波器組［10］與瞬時(shí)頻率方差檢測(cè)器［11］用于CW脈沖的檢測(cè)、時(shí)延和頻率估計(jì);并行拷貝相關(guān)器組用于多通道LFM脈沖的檢測(cè)和時(shí)延估計(jì).拷貝相關(guān)器的參考樣本根據(jù)自適應(yīng)濾波器測(cè)得的CW脈沖頻率偏移量進(jìn)行實(shí)時(shí)修正.

圖4 信號(hào)處理器Fig.4 Diagram of the signal processor

4.1 并行多通道自適應(yīng)陷波器組

原則上講，僅利用單通道的自適應(yīng)陷波濾波器即可對(duì)單頻CW脈沖信號(hào)P0進(jìn)行檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)［12］.但LFM脈沖信號(hào)P1，P2，…，P6雖與P0頻帶不重疊，當(dāng)LFM信號(hào)強(qiáng)度較大時(shí)，邊帶頻譜分量的串漏仍會(huì)使陷波濾波器輸出的包絡(luò)起伏較大，容易引起虛警.對(duì)單通道自適應(yīng)陷波濾波器增設(shè)多個(gè)陷波通道，分別對(duì)應(yīng)幾個(gè)LFM脈沖信號(hào)的中心頻率，構(gòu)成并行多通道自適應(yīng)陷波器組(如圖5)，則可去除LFM脈沖引起的干擾，避免包絡(luò)波動(dòng)，進(jìn)而顯著改善CW脈沖信號(hào)的檢測(cè)能力和頻率估計(jì)精度.

并行多通道自適應(yīng)陷波器組由多個(gè)單頻陷波濾波器并聯(lián)而成.各路的正交參考輸入可表示為

式中:頻率ωi為脈沖信號(hào)Pi的中心頻率.各個(gè)通道的濾波輸出累加后，與期望信號(hào)求差得到殘差，用來(lái)調(diào)整各個(gè)正交權(quán).

自適應(yīng)迭代過(guò)程為

CW信號(hào)的包絡(luò)和頻率可在自適應(yīng)濾波器達(dá)到穩(wěn)態(tài)后利用權(quán)值計(jì)算得到

圖5 并行多通道自適應(yīng)陷波器組結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of parallel multi channel adaptive notch filter bank

4.2 并行拷貝相關(guān)器組

通?？截愊嚓P(guān)器以發(fā)射信號(hào)的樣本作為參考信號(hào).而水聽(tīng)器接收到的信號(hào)除加性白噪聲外，往往還存在多普勒、多途等干擾，難以實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)與輸入信號(hào)的真正匹配.此外，CW脈沖信號(hào)還可能串漏到鄰近頻帶，使相應(yīng)頻帶內(nèi)的LFM信號(hào)檢測(cè)出現(xiàn)虛警.針對(duì)上述問(wèn)題，在拷貝相關(guān)器設(shè)計(jì)中分別采取了應(yīng)對(duì)措施.

多普勒效應(yīng)會(huì)使拷貝相關(guān)輸出的峰值位置產(chǎn)生偏移，峰值降低，進(jìn)而影響檢測(cè)性能和測(cè)時(shí)精度.所以在信號(hào)波形設(shè)計(jì)上，除測(cè)時(shí)精度較高的LFM信號(hào)外，還增加了CW脈沖P0，它不僅可作為測(cè)時(shí)脈沖，其頻率還可給出多普勒頻偏的大小，作為修改拷貝相關(guān)器參考信號(hào)頻率的依據(jù)，使參考信號(hào)和接收信號(hào)具有相同的多普勒頻偏.這不僅可提高測(cè)時(shí)精度，還有助于改善相關(guān)處理效果.

相對(duì)于水面來(lái)說(shuō)，水底介質(zhì)往往有更大的聲吸收，同時(shí)浮標(biāo)距水面較近，其他途徑的反射聲影響較小，所以水面一次反射是最主要的多途干擾，其他反射聲可暫不考慮.一般水面反射系數(shù)接近于－1，所以水面反射聲的拷貝相關(guān)峰值是負(fù)的，而直達(dá)聲的拷貝相關(guān)峰值是正的，因而在峰選時(shí)只要挑選正的最大峰，對(duì)應(yīng)的信號(hào)就應(yīng)該是直達(dá)聲脈沖，從而可以有效剔除反射聲干擾.

為減小CW脈沖對(duì)LFM信號(hào)檢測(cè)的影響，在并行拷貝相關(guān)器組中增加了CW脈沖的相關(guān)器通道(拷貝相關(guān)器0).各路相關(guān)器輸出在峰選后進(jìn)行峰值比較，若峰值最大的通道是拷貝相關(guān)器0，則為串漏;若峰值最大的是其他通道并且峰值高于相關(guān)峰檢測(cè)門(mén)限，則判定該脈沖有效，記錄脈沖類(lèi)型和時(shí)延.

并行拷貝相關(guān)器組的結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 并行拷貝相關(guān)器組結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of parallel copy correlator bank

5 湖試結(jié)果與分析

2008年8月在湖北平洛湖進(jìn)行了浮標(biāo)陣異步水聲定位系統(tǒng)的湖上試驗(yàn).由于湖面較狹窄，試驗(yàn)中水下僅布放了3個(gè)浮標(biāo)，浮標(biāo)接收水聽(tīng)器深度約30 m，構(gòu)成了一個(gè)邊長(zhǎng)約350 m的三角形測(cè)量陣.發(fā)射換能器吊放于目標(biāo)船上，顯控平臺(tái)置于湖邊.湖深80～100 m，湖底不平，湖面不甚開(kāi)闊，聲速剖面如圖7所示.采用結(jié)構(gòu)1的組合脈沖序列，幀周期0.166 s.

下面給出2個(gè)條次的湖試三維定位結(jié)果.試驗(yàn)中目標(biāo)船停機(jī)漂泊，聲源的水平位置基本不變，條次1的聲源深度固定為50 m，條次2的聲源以約1 m/s的速度從深度27 m向下運(yùn)動(dòng)至44 m.圖8為系統(tǒng)湖試陣型及條次1水平定位結(jié)果圖，圖9和圖10分別為條次1和條次2的三維定位結(jié)果.統(tǒng)計(jì)條次1的水平x軸定位均方根誤差為0.61 m，水平y(tǒng)軸方向定位均方根誤差為0.81 m，垂直深度定位均方根誤差為0.93 m.

圖7 聲速剖面Fig.7 Sound velocity profile

圖8 系統(tǒng)湖試陣型及條次1水平定位結(jié)果Fig.8 Array shape of the system lake trial and the horizontal locationing result of track 1

圖9 條次1三維定位結(jié)果Fig.9 3-D localization result of track 1

圖10 條次2三維定位結(jié)果Fig.10 3-D localization result of track 2

從湖試結(jié)果看，在未采用任何后置處理手段的條件下，定位系統(tǒng)的水平x、y坐標(biāo)和垂直z坐標(biāo)的測(cè)量誤差均小于1 m.采用CW/LFM組合脈沖串，不僅可在無(wú)模糊的前提下提高幀率，而且可有效抑制通道間串漏.利用測(cè)時(shí)精度較高的LFM信號(hào)保證了系統(tǒng)定位精度.

6 結(jié)論

通過(guò)上述研究與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得如下結(jié)論:

1)提出了一種采用分布式浮標(biāo)陣、基于CW/ LFM組合脈沖串的異步高幀率水聲定位技術(shù)，使定位系統(tǒng)在軌跡測(cè)量幀率、定位精度、使用可靠性和便利性等方面較當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的成熟技術(shù)有較大改進(jìn).

2)采用并行多通道自適應(yīng)陷波器組和并行拷貝相關(guān)器組分別用于CW脈沖和LFM脈沖的檢測(cè)、時(shí)延和頻率估計(jì)，可有效抑制通道間串漏和減小多普勒效應(yīng)的影響.

此外，在非等聲速剖面時(shí)，采用聲線修正的手段可以獲取更高精度的深度定位結(jié)果.

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