分布式浮標(biāo)陣高幀率異步水聲定位

王燕，梁國龍，付進(jìn)

(哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

受水聲信道帶寬窄、信號傳播速度慢、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］，即在每次測量前，被測聲源的時鐘(安裝在運動目標(biāo)上)與接收系統(tǒng)需進(jìn)行同步對時.同步對時雖可達(dá)到很高的精度，但同步系統(tǒng)對聲源和接收系統(tǒng)時鐘的穩(wěn)定度要求均較高.有限的時鐘穩(wěn)定度不僅會導(dǎo)致時鐘偏差累積，還容易因外界隨機強脈沖干擾而引起時鐘擾動偏差，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)精確對時，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.

對于作高速、復(fù)雜運動的水下目標(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)，這限制了對高速目標(biāo)的跟蹤能力.將長基線、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)提高測量幀率，但其單個浮標(biāo)基元的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，海上布放回收不便.為彌補上述缺陷，本文從信號波形設(shè)計出發(fā)，提出了一種基于組合脈沖串的長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.

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)勢圖和測量陣構(gòu)成圖.一個基本的定位系統(tǒng)由4個無線電遙控水聲定位浮標(biāo)組成，其中包括2個垂直雙水聽器浮標(biāo)和2個單水聽器浮標(biāo)，構(gòu)成一個6陣元的立體測量陣.各浮標(biāo)間利用GPS同步對時，浮標(biāo)接收機以異步方式接收從目標(biāo)聲源發(fā)射的脈沖信號，檢測到信號后記錄下脈沖前沿到達(dá)的時刻.GPS實時測定浮標(biāo)的大地坐標(biāo)位置，借助于無線電通信鏈實時將浮標(biāo)位置、信號傳播時延等參數(shù)傳送到測量船顯控平臺進(jìn)行定位解算.一個基本陣型可對3 km×3 km×300 m范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行實時三維跟蹤監(jiān)測，如需增大測量范圍，可通過增加級聯(lián)浮標(biāo)個數(shù)來實現(xiàn)，系統(tǒng)擴(kuò)展便利.

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

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

2 異步水聲定位原理

通過測量聲信號從聲源到各接收水聽器所經(jīng)歷的傳播時延可以確定聲源到各陣元的距離，每一組時延可確定聲源所在的一個球面［7］:

式中:(xi，yi，zi)和ti分別是第i個陣元的空間位置以及第i個陣元接收信號的時刻相對于接收機時鐘的時間;(xs，ys，zs)和ts分別為目標(biāo)的空間坐標(biāo)以及信號發(fā)射時刻相對于接收機時鐘的時間;c為聲波在水中的傳播速度.xs、ys、zs和ts為未知量，其余變量均為可測量.

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

式(1)表示的方程組還可寫成矩陣形式:

其中:

若A的逆矩陣存在，對式(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).但此時得到的解為雙解，利用陣元5或陣元6的測量數(shù)據(jù)作為判據(jù)，便可得到目標(biāo)的真實位置.

任意選取6個陣元中的4個，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

在水聲信道中，上下邊界會引起多途時延擴(kuò)展，在淺水信道下時延擴(kuò)展可達(dá)到300～400 ms.多途時延擴(kuò)展會導(dǎo)致前后脈沖間的相互干擾，增加檢測和估計的難度［8-9］.增加脈沖間距雖然會減小這種干擾，卻會使系統(tǒng)幀率降低.本文提出的應(yīng)對方法是設(shè)計一種組合脈沖串，不同頻段的脈沖信號交叉使用，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)計為由12個脈沖、最多7種類型脈沖組合而成，組合脈沖串重復(fù)周期2 s.不同類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)為脈沖類型序號.P0為CW脈沖，P1，P2，…，P6均為窄帶LFM脈沖.利用脈沖P0實時測量目標(biāo)高速運動產(chǎn)生的多普勒頻移，來實時調(diào)整與LFM脈沖作相關(guān)處理的參考信號.脈沖P1、P2用作脈沖子序列奇偶標(biāo)識碼，便于不同浮標(biāo)間測得脈沖信號信息的時空關(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延擴(kuò)展嚴(yán)重時，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 信號處理算法

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

圖4 信號處理器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)陷波濾波器即可對單頻CW脈沖信號P0進(jìn)行檢測和參數(shù)估計［12］.但LFM脈沖信號P1，P2，…，P6雖與P0頻帶不重疊，當(dāng)LFM信號強度較大時，邊帶頻譜分量的串漏仍會使陷波濾波器輸出的包絡(luò)起伏較大，容易引起虛警.對單通道自適應(yīng)陷波濾波器增設(shè)多個陷波通道，分別對應(yīng)幾個LFM脈沖信號的中心頻率，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，進(jìn)而顯著改善CW脈沖信號的檢測能力和頻率估計精度.

并行多通道自適應(yīng)陷波器組由多個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Pi的中心頻率.各個通道的濾波輸出累加后，與期望信號求差得到殘差，用來調(diào)整各個正交權(quán).

自適應(yīng)迭代過程為

CW信號的包絡(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)射信號的樣本作為參考信號.而水聽器接收到的信號除加性白噪聲外，往往還存在多普勒、多途等干擾，難以實現(xiàn)參考信號與輸入信號的真正匹配.此外，CW脈沖信號還可能串漏到鄰近頻帶，使相應(yīng)頻帶內(nèi)的LFM信號檢測出現(xiàn)虛警.針對上述問題，在拷貝相關(guān)器設(shè)計中分別采取了應(yīng)對措施.

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

相對于水面來說，水底介質(zhì)往往有更大的聲吸收，同時浮標(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，因而在峰選時只要挑選正的最大峰，對應(yīng)的信號就應(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LFM信號檢測的影響，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)峰檢測門限，則判定該脈沖有效，記錄脈沖類型和時延.

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.由于湖面較狹窄，試驗中水下僅布放了3個浮標(biāo)，浮標(biāo)接收水聽器深度約30 m，構(gòu)成了一個邊長約350 m的三角形測量陣.發(fā)射換能器吊放于目標(biāo)船上，顯控平臺置于湖邊.湖深80～100 m，湖底不平，湖面不甚開闊，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個條次的湖試三維定位結(jié)果.試驗中目標(biāo)船停機漂泊，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向下運動至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)的測量誤差均小于1 m.采用CW/LFM組合脈沖串，不僅可在無模糊的前提下提高幀率，而且可有效抑制通道間串漏.利用測時精度較高的LFM信號保證了系統(tǒng)定位精度.

6 結(jié)論

通過上述研究與試驗數(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)在軌跡測量幀率、定位精度、使用可靠性和便利性等方面較當(dāng)前國內(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、時延和頻率估計，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，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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