基于虛擬儀器的超短基線水聲定位系統

遲壽育

(大連測控技術研究所，遼寧大連116013)

0 引言

近些年，隨著各國海洋開發的力度加大，我國也在海洋開發方面投入大量的人力、物力和財力，但相比發達國家，仍然落后很多，大量的海洋開發儀器設備都依靠進口，同時國外的技術限制使得很多先進的設備和技術無法進入國內，只能依靠自主開發。超短基線水聲定位系統不僅可以用于軍事方面，在民用方面也有很大的用途。例如水下運動目標定位、海上縱向油水補給、水下油氣管道鋪設、水下電纜鋪設、水下救險、沉船打撈、潛水員定位等方面，具有很大的市場前景。

本文基于虛擬儀器技術，介紹一種將傳統的存儲示波器和計算機相結合構成水聲定位系統的方法。它適用于短基線或超短基線水聲定位系統，體現了虛擬技術“軟件即儀器的思想”，只要有計算機和4通道的存儲示波器，以及一個壓力梯度水聽器就可以構成接收系統。

1 短基線定位技術

水下聲學定位系統根據基線長度可分為長基線、短基線和超短基線水聲定位系統3種，其中短基線、超短基線水聲定位系統具有基線長度短、安裝布放方便，設備簡單等特點。短基線、超短基線水聲定位系統的陣元安裝在船上或被測目標上，通過測量聲源發射的信號到定位水聽器各陣元之間的時延差或相位差來定位。本系統使用的超短基線接收換能器是一種輸出4路聲壓信號的壓力梯度水聽器，其特點是布放簡單，成本低廉。

1.1 超短基線定位系統原理

根據超短基線定位原理，利用測量信號到達接收基陣陣元之間的時延差或相位差和測量目標到基陣中心的斜距進行目標定位，其定位幾何原理如圖1所示，取“北東地”直角坐標系(x，y，z)，數字1，2，3，4分別代表壓力梯度水聽器的4個陣元。

圖1 定位原理示意圖Fig.1 Postioning principle diagram

僅考慮x軸和y軸坐標的定位方法，z軸坐標的定位方法以此類推。設目標位于S處，其坐標為(x，y，z)。2個正交的直線陣分別置于x軸和y軸上，陣的中心為坐標原點。

式中:α為目標徑矢與x軸夾角;β為目標徑矢與y軸的夾角;R為目標斜距。

基陣的尺寸很小，在平面波近似下，有

式中:r為目標水平斜距;z為目標深度。

將式(4)和式(5)代入式(1)和式(2)，得到:

式中:λ為波長;d為陣元間距;φ為x軸相鄰陣元接收信號相位差;ψ為y軸相鄰陣元接收信號相位差。

式中R=c·Δt/2，c為水中聲速，Δt為從發射信號到接收到信號的時間差。這些量給定后，目標相對接收陣的位置及目標相對船首向的方位θ(水平方位角)及斜距R就唯一確定了。超短基線定位系統通過測量信號到達時刻和相鄰陣元間相位差來確定目標的距離和方位，如果接收陣有GPS設備，那么還可讀取GPS的坐標信息，將接收陣的位置轉換成經緯度坐標。

1.2 使用自適應Notch濾波器來測量相位差

陣元間相位差使用自適應陷波濾波器來測量，分別測量壓力梯度水聽器1，3陣元位置 (圖1中)接收到的信號相位差為φ13;2，4陣元位置接收到的信號相位差為φ24。

圖2 自適應Notch濾波器原理圖Fig.2 Adaptive Notch filter principle diagram

自適應Notch濾波器是具有一對正交權值的自適應濾波器，參考信號為:

式中ω為已知常數，這意味著信號頻率是預先已知的。本系統工作于信標方式，并且為合作目標，符合這一假定條件，可以采用LMS算法對2個正交權WS和WC進行自適應學習，其離散形式迭代公式為:

2 軟件介紹

虛擬儀器是以通用計算機和配備數字接口的測量儀器為基礎，將儀器硬件連接到各種計算機平臺上，直接利用計算機豐富的軟硬件資源，將計算機硬件和測量儀器等硬件資源與計算機軟件資源有機地結合起來，代表著未來測量的發展方向。

2.1 Matlab儀器控制工具箱

Matlab經常用于信號處理，其儀器控制工具箱提供了同示波器連接的方法，使用VISA接口可以通過網絡遠程控制示波器采集數據。利用通用設備搭建系統，這樣既獲得了高速采樣，又節省經費。

2.2 VISA接口

VISA是虛擬儀器軟件結構 (VirtualInstrument Software Architecture)的縮寫，實質是一個I/O接口軟件及其規范的總稱。一般情況下，將這個I/O接口軟件稱為VISA。VISA不受平臺、總線和環境的限制，可用來對 USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網系統進行配置、編程和調試。安裝VISA驅動后，儀器控制工具箱就可以通過網絡用VISA命令以詢問方式控制示波器。

2.3 程序框圖

圖3是軟件流程圖，首先通過Matlab儀器控制工具箱連接泰克示波器 (DPO4050)，將泰克儀器命令通過VISA接口傳遞給示波器，設置示波器參數。當測量開始后，循環讀取示波器窗口顯示的信號波形，經過Matlab高階帶通濾波器濾波，然后根據門限檢測目標上的水下聲源發射的信號，再經Notch濾波器來檢測相位差獲得角度信息。因為水下聲源發射信號的時序和接收系統的時序是同步的，所以水下目標的距離是依靠信號到達接收水聽器的時間延遲來判斷，即時間延遲乘以聲速就是目標到接收裝置的距離。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flow pattern

3 系統應用

此系統現應用在大尺寸模型目標強度測量中，模型在水下的角度測量。即壓力梯度水聽器固定在可水平旋轉的模型上，通過測量固定發射聲源的角度，來得到模型轉動的角度。還應用在水下目標強度測試中運動目標的方位測量中，當水下運動目標以同步的時序和周期發射水聲信號，測量船安裝的超短基線定位系統解算出該目標的方位信息。

超短基線利用虛擬儀器技術，可以充分發揮PC機的優勢，增強傳統儀器的功能完成復雜多樣的任務;也便于維修，有較強的可維護性;節約購置專用設備的成本。

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