深海聲探測中偽隨機編碼信號的仿真研究

郭璇，郭英歌，王潤田

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深海聲探測中偽隨機編碼信號的仿真研究

郭璇1,2，郭英歌1，王潤田1

(1. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海 201815；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

目前國際上正在使用多脈沖(MultiPing)探測方式來解決深海探測中探測效率不高的問題，但可能存在回波識別和波達(dá)時間定位的問題，提出了利用偽隨機編碼信號的解決方法。以6 000 m深海海底探測為研究對象，設(shè)計發(fā)射不同編碼信號，對其回波識別和定位進(jìn)行了仿真和比較，同時對不同編碼類型的回波識別性能隨噪聲變化情況進(jìn)行了討論。Walsh碼擁有更加出色的回波識別性能，但在波達(dá)時間定位方面易出現(xiàn)誤差，同時隨著噪聲的增強，回波識別性能明顯下降；m序列擁有出色的波達(dá)時間定位性能，但回波識別性能不如Walsh碼；Gold碼在回波識別性能和波達(dá)時間定位性能方面有著較好的平衡表現(xiàn)。

偽隨機序列；編碼信號；深海探測；回波識別；波達(dá)時間定位

0 引言

傳統(tǒng)單波束聲吶以單次收發(fā)為探測周期，通過避免回波信號的交叉而得到與發(fā)射信號的對應(yīng)關(guān)系[1]。在深海海域，從海面對海底進(jìn)行探測時，單波束探測周期往往達(dá)到幾秒的時長。若以相同時間內(nèi)的探測次數(shù)來描述探測效率，則其相比淺海明顯降低。同時，伴隨船體的行進(jìn)，相同水平距離內(nèi)的探測點個數(shù)明顯減少，以致測線上的水平分辨率降低。

目前，國際上能夠?qū)崿F(xiàn)6 000 m及以上水深的聲學(xué)探測設(shè)備大多應(yīng)用MultiPing技術(shù)來改善這一問題[2]。即在深海探測過程中，以較短時間間隔(小于信號雙程傳播時間)連續(xù)發(fā)射聲信號，保證同一時間內(nèi)海洋信道中存在多列聲信號共同傳播，并以約等于發(fā)射間隔的時間采集回波信號。如美國Benthos公司生產(chǎn)的ChirpⅢ設(shè)備[3]、SyQuest公司生產(chǎn)的Bathy2010TMCHIRP設(shè)備[4]等。但這種方法主要存在以下兩點缺陷：①不能明確回波信號的與發(fā)射信號的一一對應(yīng)關(guān)系，回波信號順序因海底地形起伏而改變，不同于發(fā)射順序，或回波信號漏采集時將會出現(xiàn)數(shù)據(jù)無效的后果。②因回波信號存儲長度的限制，往往去除了部分水體數(shù)據(jù)，以致系統(tǒng)無法確認(rèn)回波信號的發(fā)射時間，需通過海底跟蹤或人工預(yù)設(shè)來完善數(shù)據(jù)，容易產(chǎn)生誤差。

針對以上問題，本文提出了基于偽隨機編碼信號的MultiPing技術(shù)，即以互不相同的偽隨機序列編碼聲信號進(jìn)行較為連續(xù)的探測。通過將發(fā)射信號與各列回波分別進(jìn)行相關(guān)運算，根據(jù)偽隨機編碼良好的互相關(guān)特性，利用與之對應(yīng)回波處的高相關(guān)峰值和其他回波處的低相關(guān)峰值的差異，即可實現(xiàn)回波的識別，獲取與發(fā)射信號的一一對應(yīng)關(guān)系。同時，只要采集到經(jīng)過編碼的回波信號，利用編碼良好的自相關(guān)特性即可實現(xiàn)波達(dá)時間定位。

實際應(yīng)用中，對偽隨機編碼信號的選擇需考慮三點因素：①回波識別性能；②波達(dá)時間定位性能；③固定長度下可用的編碼數(shù)量。回波識別性能以發(fā)射信號分別與各列回波信號相關(guān)運算得到的最大峰值與次大峰值差異的大小來衡量；時間定位性能以發(fā)射信號與對應(yīng)回波信號相關(guān)主峰的尖銳程度和旁瓣高低來衡量。

本文在理論層面對三種編碼的相關(guān)特性進(jìn)行了比較，對深海條件下三種偽隨機編碼信號的回波識別和定位分別進(jìn)行了仿真分析。

1 編碼特性比較

m序列、Gold碼、Walsh碼是三種具有代表性的偽隨機編碼，是0和1構(gòu)成的二值序列。其生成已有十分成熟的方式，文中不做過多贅述。因編碼序列具有周期性，而發(fā)射信號長度有限，本文應(yīng)用只取其一個周期來產(chǎn)生對應(yīng)的編碼信號。

好的回波識別性能要求編碼具有足夠低的互相關(guān)峰值，互相關(guān)峰值愈小，識別性能愈佳；精準(zhǔn)的波達(dá)時間定位要求編碼具有尖銳的自相關(guān)峰和較低的旁瓣。同時，固定長度下需存在足夠多的編碼數(shù)量以滿足實際應(yīng)用的需求。

根據(jù)文獻(xiàn)[5-7]，從自相關(guān)、互相關(guān)、編碼數(shù)量三方面對單周期編碼序列進(jìn)行比較，結(jié)果如下表1所示。

表1 不同編碼信號的性能比較

2 深海應(yīng)用中三種編碼信號性能的仿真分析

基于MATLAB建立6 000 m深海仿真系統(tǒng)。向海底發(fā)射偽隨機編碼信號，假設(shè)各列信號傳播路徑相同，海水聲速起伏引起的相對差異為零，并設(shè)置等聲速環(huán)境，聲速為1 500 m·s-1。

2.1 回波識別性能

為描述回波識別性能，定義參數(shù)辨識因子為：多列回波信號通過相關(guān)濾波器后，最大相關(guān)峰值與次大相關(guān)峰值之差。

圖1 編碼信號生成

圖2 信號傳播示意圖

圖3 m序列的回波信號

圖4 m序列信號回波識別效果圖

圖5 Gold碼信號回波識別效果圖

圖6 Walsh碼回波識別效果圖

當(dāng)海洋環(huán)境噪聲具有較大波動時，回波識別性能隨噪聲的變化情況則是一項必須考慮的內(nèi)容。

由圖7可以看出同一信噪比下辨識因子的大小：Walsh碼>Gold碼>m序列。隨著噪聲的增大，辨識因子減小的速度：Walsh碼>m序列≈Gold碼，m序列和Gold碼回波識別性能受噪聲影響較小，且這兩類編碼變化的趨勢幾乎沒有差別，而Walsh碼回波識別性能受噪聲影響下降明顯。

圖7 不同編碼類型辨識因子隨信噪比的變化曲線

2.2 時間定位性能

從圖8中可以看出，m序列編碼信號進(jìn)行波達(dá)時間定位時，在理論波達(dá)時間8.2 s處，相關(guān)峰值尖銳，旁瓣低至-10 dB，可以獲得較為精準(zhǔn)的時間定位。

圖8 m序列時間定位效果圖

圖9 Gold碼時間定位效果圖

圖10 Walsh碼時間定位效果圖

從圖9中可以看出，Gold碼編碼信號進(jìn)行波達(dá)時間定位時，在理論波達(dá)時間8.2 s處，相關(guān)峰值同樣尖銳，旁瓣雖然比m序列略高，在-7 dB左右，但對實際影響不大，亦可獲得較為精準(zhǔn)的時間定位。

從圖10中可以看出，Walsh碼編碼信號進(jìn)行波達(dá)時間定位時，在理論波達(dá)時間8.2 s處，相關(guān)包絡(luò)下降十分緩慢，旁瓣很高，易受到干擾而引起偏差，相對前兩類編碼表現(xiàn)不佳。

3 總結(jié)

本文利用通信中碼分多址的思想，提出在時間上較為連續(xù)地發(fā)射偽隨機編碼信號，并通過其優(yōu)良的相關(guān)特性實現(xiàn)回波識別和波達(dá)時間定位的方法。

對三種偽隨機編碼信號在自相關(guān)定位、互相關(guān)回波識別和編碼數(shù)量三方面進(jìn)行比較，得到以下結(jié)論：

(1) m序列編碼信號自相關(guān)定位性能最佳，互相關(guān)回波識別性能較好，但存在數(shù)量較少的問題。

(2) Gold碼編碼信號自相關(guān)定位和互相關(guān)回波識別均有較好的平衡表現(xiàn)，數(shù)量也較多。

(3) Walsh碼互相關(guān)回波識別性能最佳，但自相關(guān)包絡(luò)下降緩慢，易出現(xiàn)定位偏差。

因此，在實際應(yīng)用中，若更加注重獲得好的回波識別性能，在波達(dá)時間定位精度上可做適當(dāng)讓步，則可優(yōu)先考慮使用Walsh碼；若更加注重獲得精準(zhǔn)的波達(dá)時間定位，接收端噪聲類似白噪聲，則可優(yōu)先考慮使用m序列和Gold碼。另外需要注意的是，在環(huán)境噪聲變化比較大的情況下，Walsh碼回波識別性能雖然比m序列和Gold碼較好，但其隨噪聲的增強下降明顯，應(yīng)考慮其對系統(tǒng)中其他相關(guān)因素的影響。

[1] 胡昌順. 單波束測深儀系統(tǒng)仿真設(shè)計[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2012.

HU Changshun. System simulation design of single beam echo sounder[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012.

[2] 丁維鳳, 李家彪, 蘇希華, 等. 聲學(xué)地層剖面深水探測研究與開發(fā)[J]. 海洋學(xué)報, 2015, 37(6): 70-77.

DING Weifeng, li Jiabiao, SU Xihua, et al. Technology research and development for acoustic subbottom survey in deep sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2015, 37(6): 70-77.

[3] Benthos Corporation. CAP-6600ChirpⅢ acoustic profiling system manual[OL]. 1996. http://www.benthos.com.

[4] SyQwest Incorporation. Bathy 2010TMCHIRP sub bottom profiler and bathymetric echo sounder[OL]. 2011. http://www. syqwestinc. com.

[5] 李婷. CDMA擴頻通信系統(tǒng)地址碼的研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué),2006.

LI Ting. The study of the address code used in CDMA spreading spectrum communication system[D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2006.

[6] 蔣強. GOLD碼相關(guān)性及可編程實現(xiàn)[J]. 微計算機信息, 2012, 28(2): 136-137.

JIANG Qiang. The relevance and the program realization of GOLD[J]. Microcomputer Information, 2012, 28(2): 136-137.

[7] 吳海紅. CDMA擴頻通信中m序列與Gold序列的比較及應(yīng)用[J]. 喀什師范學(xué)院學(xué)報(漢文版), 2010, 31(3): 39-43.

WU Haihong. Comparison and application of in CDMA wide frequency correspondence M sequence and Gold sequence[J]. Journal of Kashgar Teachers College(in Chinese), 2010, 31(3): 39-43.

Simulation of pseudo-random coded signals for the acoustic detection in deep-sea

GUO Xuan1,2,GUO Ying-ge1, WANG Run-tian1

(1. Shanghai Acoustics Laboratory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201815, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

At present, the MultiPing detection method is being used to solve the problem of low detection efficiency in deep sea exploration, but there may be some problems in echo recognition and TOA (time-of-arrival) location. In the paper a solution using pseudo-random coded signals is proposed. Taking 6000 m deep sea bottom detection as the study object, different coded signals are designed and transmitted, and their echo recognition and location are simulated and compared. At the same time, the variations of echo recognition performance of different coding types with noise are discussed. The study shows that the Walsh code has better performance of echo recognition, but errors are easy to occur in TOA location, and the performance of the echo recognition is obviously decreased with the increase of noise. The m sequence has excellent performance of TOA location,, but the performance of echo recognition is not as good as that of Walsh code. The Gold code has a good balance between echo recognition performance and TOA location performance.

pseudo-random sequence; coded signal; deep sea exploration; echo recognition; TOA (time-of-arrival) location

TB56

A

1000-3630(2019)-01-0046-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.007

2018-02-06;

2018-03-28

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所率先計劃項目(SXJH201610)、上海市科委科研計劃項目(16DZ1205300)。

郭璇(1993－), 女, 山西運城人, 碩士, 研究方向為聲學(xué)信號處理。

郭璇,E-mail: guoxuan167@163.com