基于Compact RIO的聲信號(hào)處理模塊在超短基線定位中的應(yīng)用?

于 平 郭燕子

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

超短基線（USBL）定位系統(tǒng)通過測(cè)量信號(hào)到達(dá)接收單元各通道之間的相位差來估算目標(biāo)方位，再通過測(cè)量目標(biāo)到接收陣之間的斜距來實(shí)現(xiàn)定位，而斜距的測(cè)量靠測(cè)定信號(hào)在目標(biāo)和接收陣之間的傳播時(shí)延來實(shí)現(xiàn)。USBL系統(tǒng)一般在高輸入信噪比條件下工作，通帶內(nèi)的輸入信噪比通常要大于15dB，由于噪聲的干擾，信號(hào)的相位會(huì)產(chǎn)生起伏，同時(shí)也存在時(shí)延測(cè)量的誤差，從而直接影響定位精度［8～11］。

本文提出一種基于Compact RIO嵌入式系統(tǒng)的聲信號(hào)處理模塊，用以實(shí)施信號(hào)采樣、存儲(chǔ)及處理各種不同類型的模擬信號(hào)，通過結(jié)合Compact RIO高速數(shù)據(jù)處理能力和LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水聲信號(hào)采集、處理，并應(yīng)用于超短基線定位系統(tǒng)中。水下定位試驗(yàn)驗(yàn)證了模塊的可行性和實(shí)用性，定位精度滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2 浮標(biāo)式超短基線定位

浮標(biāo)式超短基線組合定位系統(tǒng)采用常規(guī)的超短基線定位方法對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行定位［8～11］，時(shí)差或時(shí)延采用最大似然估計(jì)。

系統(tǒng)包括四元超短基線水聽器陣、模擬接收機(jī)、Compact RIO信號(hào)處理器、同步時(shí)鐘接口以及終端處理機(jī)等。方位姿態(tài)信號(hào)與GPS信號(hào)經(jīng)串口連同接收水聲信號(hào)傳送到Compact RIO進(jìn)行解算。如圖1所示，浮體在海面上漂浮，星站式GPS的天線等效中心安裝在浮體中位于圓形結(jié)合面的中央，天線要高出海洋的水平面。高精度的航向姿態(tài)傳感器，能給出浮體及短基線中心精確的航向角、縱傾角和橫搖角。浮體的延長(zhǎng)桿底部安裝一個(gè)超短基線陣，對(duì)目標(biāo)聲源進(jìn)行聲學(xué)定位。

3 基于Compact RIO的聲信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)［1～7］

采用擁有可編程自動(dòng)化控制器RT和FPGA的Compact RIO設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理機(jī)。數(shù)字信號(hào)處理機(jī)硬件平臺(tái)可以對(duì)4個(gè)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)和2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口連接，完成信號(hào)處理器與終端處理器、差分GPS、方位姿態(tài)儀的數(shù)據(jù)通信。水聲信號(hào)經(jīng)過模擬接收電路后，Compact RIO對(duì)四路水聲信號(hào)作相關(guān)處理得到時(shí)延值，結(jié)合同步周期內(nèi)采集到的方位姿態(tài)儀和差分GPS的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位修正處理，解算出目標(biāo)聲源的位置坐標(biāo)。

3.1 信號(hào)采集

信號(hào)采集直接決定對(duì)水聲信號(hào)分析的準(zhǔn)確度，在整個(gè)系統(tǒng)中占有很重要的地位。根據(jù)乃奎斯特定理，最低采樣頻率大于信號(hào)頻率的2倍，選擇采樣頻率一般設(shè)置為輸入信號(hào)最高頻率的7～10倍，在此情況下，就可以正確地還原波形，得到理想的波形。

3.2 IIR濾波器

數(shù)字濾波器是通過一定運(yùn)算關(guān)系濾除輸入信號(hào)的某些頻率成分或改變某些頻率成分的相對(duì)比例的器件。

根據(jù)系統(tǒng)要求只需調(diào)整式（1）中的ak和bk即可符合濾波器的技術(shù)指標(biāo)。程序框圖如圖2。

3.3 信號(hào)包絡(luò)提取

通常用希爾伯特幅值解調(diào)法來提取信號(hào)的包絡(luò)，其原理圖如圖3所示，信號(hào)包絡(luò)提取程序如圖4。

如x（t）為原始信號(hào)，y（t）為濾波后的信號(hào)，則y（t）的 Hilbert變換為

3.4 RT處理器

RT是實(shí)時(shí)處理器，主要完成從FPGA中取出數(shù)據(jù)，測(cè)出相關(guān)時(shí)延，同時(shí)讀取GPS和姿態(tài)儀數(shù)據(jù)，結(jié)合超短基線數(shù)據(jù)對(duì)吊放聲源進(jìn)行定位，同時(shí)將定位結(jié)果傳送到終端處理機(jī)，如圖5所示。對(duì)GPS數(shù)據(jù)讀取是一樣的。

4 水下試驗(yàn)

進(jìn)行了浮標(biāo)式短基線定位系統(tǒng)對(duì)吊放目標(biāo)聲源的水中定位試驗(yàn)。目標(biāo)聲源吊放深度為40m，在頂部裝有GPS，提供一個(gè)參考位置，由于是在湖中試驗(yàn)，忽略水流影響，近似認(rèn)為GPS位置即為吊放聲源位置。我們?cè)谒矫鎯?nèi)距浮標(biāo)式短基線定位分系統(tǒng)距離分別為5m、12.5m和18.7m的三個(gè)位置進(jìn)行了試驗(yàn)，如圖6。

表1 標(biāo)準(zhǔn)誤差圖

以吊放式聲源頂部的GPS位置為原點(diǎn)，利用中分緯度法，給出在一段觀察時(shí)間內(nèi)，實(shí)測(cè)值和參考值在平面坐標(biāo)中的位置關(guān)系，定位結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在A、B、C三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值和參考值基本上是重合的，說明系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果是可靠的。在三個(gè)位置時(shí)X方向（正北方向）和Y方向（正東方向）的測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。

5 結(jié)語

本文利用虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合NI公司的Com?pact RIO編程控制器及主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了一套集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示和信號(hào)實(shí)時(shí)處理于一身的超短基線數(shù)據(jù)處理綜合系統(tǒng)。系統(tǒng)可以獨(dú)立完成水聲陣列信號(hào)的采集和大運(yùn)算量的實(shí)時(shí)信號(hào)處理，本系統(tǒng)開發(fā)周期短、效率高，其可靠性、穩(wěn)定性、測(cè)試精度等方面性能優(yōu)越，并具備良好的擴(kuò)展性和可維護(hù)性，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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