Pattern時(shí)延差編碼水聲定位的時(shí)延估計(jì)研究

吳永清，鄔松，許楓

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Pattern時(shí)延差編碼水聲定位的時(shí)延估計(jì)研究

吳永清，鄔松，許楓

(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190)

基于Pattern時(shí)延編碼體制，針對(duì)水下超短基線定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)了呼叫信號(hào)的正、負(fù)調(diào)頻時(shí)延編碼結(jié)構(gòu)，并提出利用二次互相關(guān)技術(shù)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)。該方法在一定程度上能夠提高呼叫方的可檢測(cè)信噪比，同時(shí)在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)信道中包括直達(dá)波在內(nèi)的多徑信號(hào)能量進(jìn)行累加，能夠準(zhǔn)確地完成峰值檢測(cè)，進(jìn)而達(dá)到提高時(shí)延估計(jì)精度的目的。海試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明二次相關(guān)法在不同信噪比條件下能有效地抑制界面反射產(chǎn)生的多徑干擾。

二次互相關(guān)；Pattern時(shí)延編碼；水聲定位

0 引言

時(shí)延估計(jì)技術(shù)是伴隨著跟蹤定位技術(shù)的發(fā)展脫穎而出的，其估計(jì)精度是影響水聲定位系統(tǒng)精度的決定性因素之一。根據(jù)不同要求，時(shí)延估計(jì)有不同的方法，主要包括相關(guān)估計(jì)法、參數(shù)估計(jì)法、高階統(tǒng)計(jì)法等等[1,2]。其中以互相關(guān)法算法簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、易于實(shí)現(xiàn)從而得到了廣泛應(yīng)用。然而，互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法的時(shí)間分辨率與信號(hào)帶寬近似成反比，因此為了獲得高精度的時(shí)延估計(jì)必須采用寬帶的發(fā)射信號(hào)。

另外，由于界面反射的影響，信號(hào)在信道中是多徑傳播的，接收信號(hào)除直達(dá)聲外還包含多次反射聲，脈沖結(jié)構(gòu)復(fù)雜。直達(dá)脈沖的時(shí)延值是定位系統(tǒng)中的重要信息，一方面，直達(dá)測(cè)距脈沖的選取直接影響到目標(biāo)定位；另一方面，測(cè)距、測(cè)深脈沖間距代表目標(biāo)的深度信息。因此，能否從脈沖序列中正確地選擇直達(dá)測(cè)距、測(cè)深脈沖，對(duì)于定位精度和測(cè)深精度是十分關(guān)鍵的[3]。基于上述問(wèn)題，本文在Pattern時(shí)延差編碼體制下提出了一種基于水下超短基線定位的二次相關(guān)時(shí)延估計(jì)方法。

1 Pattern時(shí)延差編碼

Pattern時(shí)延差編碼(Pattern Time Delay Shift Coding, PTDS)通信體制是由哈爾濱工程大學(xué)在上世紀(jì)90年代提出的[4]，該體制屬于脈位編碼(Pulse Position Modulation，PPM)。PTDS通信體制的信息并非調(diào)制在碼元波形中，而是調(diào)制于Pattern碼出現(xiàn)在碼元窗的時(shí)延差信息中，不同的時(shí)延差值代表不同的信息，圖1為Pattern時(shí)延差編碼示意圖[5]。

圖1中給出了一組碼元結(jié)構(gòu)，包含個(gè)相關(guān)性優(yōu)良的Pattern碼，其中τ(=1，2，3，……)表示時(shí)延差值，是Pattern碼出現(xiàn)在碼元窗的位置；T表示Pattern碼脈寬；T表示編碼時(shí)間；碼元寬度0=T+T。PTDS體制的每個(gè)碼元占空比為=T/0，其值小于1。

圖1 Pattern時(shí)延差編碼示意圖

超短基線中應(yīng)答器的深度信息由壓力傳感器獲得，基于PTDS通信體制在應(yīng)答信號(hào)中通過(guò)時(shí)延編碼的方式將深度信息發(fā)送給呼叫端[6]。為了減小多途信道下回波信號(hào)疊加造成的干擾，選取互相關(guān)系數(shù)小的正、負(fù)調(diào)頻線性調(diào)頻脈沖(PLFM、NLFM)。發(fā)送信號(hào)由三部分組成，分別是同步脈沖、PLFM，NLFM，其中PLFM、NLFM脈沖之間的時(shí)延間隔包含了應(yīng)答器的深度信息，如圖2所示。

圖2 應(yīng)答信號(hào)的組成

采用射線聲學(xué)的觀點(diǎn)，聲信號(hào)沿不同途徑的聲線到達(dá)接收點(diǎn)，總的接收信號(hào)是通過(guò)接收點(diǎn)的所有各聲線所傳送信號(hào)的干涉疊加。多途信道的沖激響應(yīng)函數(shù)()為[7]

式中：A為聲波沿第條傳播途徑到達(dá)接收點(diǎn)本征聲線的聲壓幅度；i為聲波沿第條傳播途徑到達(dá)接收點(diǎn)本征聲線的相對(duì)時(shí)延；為通過(guò)接收點(diǎn)對(duì)聲場(chǎng)有貢獻(xiàn)本征聲線的數(shù)目。那么呼叫方經(jīng)截取后的正調(diào)頻接收信號(hào)表達(dá)式為

同樣，負(fù)調(diào)頻接收信號(hào)表達(dá)式為

接收信號(hào)與其發(fā)射信號(hào)復(fù)本的相關(guān)結(jié)果為

圖3 正調(diào)頻接收信號(hào)的一次相關(guān)處理流程圖

2 二次相關(guān)

可以看出，式(7)中的第一項(xiàng)為多途結(jié)構(gòu)中不同聲線能量累加的相關(guān)峰，它明顯大于第二項(xiàng)中不同聲線之間交叉相乘的累積值。

圖4 二次相關(guān)處理流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證二次相關(guān)的可行性，在某海域進(jìn)行了海試，實(shí)驗(yàn)海區(qū)水深為40 m。由小艇吊放應(yīng)答器由近至遠(yuǎn)航行。應(yīng)答器發(fā)射信號(hào)中心頻率為14 kHz，正、負(fù)調(diào)頻脈沖帶寬分別為8 kHz，定位超短基線采樣頻率為72 kHz。

圖5給出小艇距離母船600 m時(shí)超短基線中水聽(tīng)器接收到的應(yīng)答器信號(hào)及其處理結(jié)果，其中圖5(a)為接收信號(hào)的時(shí)域波形，前后兩個(gè)脈沖信號(hào)分別是正、負(fù)調(diào)頻脈沖，可以看出接收信號(hào)具有較高的信噪比，圖5(b)、5(c)分別為正、負(fù)調(diào)頻與發(fā)射復(fù)本進(jìn)行一次相關(guān)后的結(jié)果，從圖中可以很明顯看出，在400點(diǎn)和5400點(diǎn)前后出現(xiàn)有兩個(gè)相關(guān)峰，可以通過(guò)應(yīng)答器的深度推定這是由于水面反射造成的回波，這對(duì)判斷相關(guān)峰的位置造成了困難，以至于無(wú)法獲得準(zhǔn)確的時(shí)延估計(jì)。圖5(d)是二次相關(guān)的結(jié)果，可看出多徑能量累加后得到明顯的相關(guān)峰。

圖5 離母船600m時(shí)，原始數(shù)據(jù)波形及其一次互相關(guān)結(jié)果和二次互相關(guān)結(jié)果

圖6、7為離母船1000 m、1190 m時(shí)接收的數(shù)據(jù)波形及互相關(guān)結(jié)果。

隨著小艇拖動(dòng)應(yīng)答器遠(yuǎn)去，從圖6(a)中的時(shí)域波形可以明顯看出，與圖5(a)相比信噪比下降了很多。同時(shí)在圖6(b)、6(c)正、負(fù)調(diào)頻脈沖相關(guān)結(jié)果也能看出，直達(dá)波的相關(guān)峰甚至已經(jīng)低于界面反射的相關(guān)峰。此時(shí)不管多么復(fù)雜的峰選機(jī)制，也是很難準(zhǔn)確地完成相關(guān)峰判別的，然而在圖6(d)中二次相關(guān)后的結(jié)果中仍能看到明確的相關(guān)峰，這也使得峰值檢測(cè)變得簡(jiǎn)單了。當(dāng)小艇距離母船1190 m時(shí)，隨著接收信噪比下降，圖7(a)的時(shí)域波形已經(jīng)很難看出調(diào)頻脈沖了，而圖7(b)二次相關(guān)后的結(jié)果仍能很穩(wěn)定地獲得Pattern時(shí)延編碼的脈沖間隔。

圖6 離母船1000m時(shí)，原始數(shù)據(jù)波形及其一次互相關(guān)結(jié)果和二次互相關(guān)結(jié)果

圖7 離母船距離1190m時(shí)，原始數(shù)據(jù)波形及其二次互相關(guān)結(jié)果

4 結(jié)論

在超短基線水聲定位中，應(yīng)答器信號(hào)的后置處理通常采用匹配濾波的方法，然而在復(fù)雜多途環(huán)境下難以判斷準(zhǔn)確的相關(guān)峰，這就無(wú)法獲得高精度的時(shí)延估計(jì)。基于Pattern時(shí)延編碼體制，本文設(shè)計(jì)了正、負(fù)調(diào)頻的時(shí)延編碼結(jié)構(gòu)，并提出二次互相關(guān)技術(shù)完成時(shí)延估計(jì)。該方法可以在一定程度上能夠提高呼叫方的可檢測(cè)信噪比，同時(shí)在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)信道中包括直達(dá)波在內(nèi)的多徑信號(hào)能量進(jìn)行累加，由于正、負(fù)調(diào)頻脈沖的一次相關(guān)結(jié)果分別都體現(xiàn)信道中相同的多徑結(jié)構(gòu)，使得二次互相關(guān)后能夠獲得單一的相關(guān)峰值，進(jìn)而可以準(zhǔn)確地完成峰值檢測(cè)，以達(dá)到提高時(shí)延估計(jì)精度的目的。同時(shí)，該方法簡(jiǎn)單易懂，容易實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Research on time delay estimation in underwater positioning of pattern time delay shift coding system

WU Yong-qing, WU Song, XU Feng

(Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Based on pattern time delay shift coding regime, the structure of positive and negative frequency modulation calling pulses of underwater ultra-short base line acoustic positioning system is given, and a second correlation method of time delay estimation is proposed in this paper. As the second correlation method improves the detectable signal-to-noise ratio of calling end to certain extent, it could accumulate the energies of multipath reflections including the direct wave effectively in the complex underwater channel environment, so as to achieve the peak detection accurately and to improve the accuracy of time delay estimation. The sea trial results show that the second correlation method could suppress the multipath interference from interface reflections under different signal-to-noise ratios efficiently.

the second correlation; pattern time delay shift coding; underwater acoustic positioning

TB556

A

1000-3630(2014)-03-0189-04

10.3969/j.issn1000-3630.2014.03.001

2013-01-12;

2013-04-17

國(guó)家自然科學(xué)基金(61372181)、國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目(513220505)資助項(xiàng)目。

吳永清(1968－), 男, 浙江青田人, 博士, 研究員, 研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理。

吳永清, E-mail: wyq@mail.ioa.ac.cn