Gold寬帶編碼在水聲定位信號中的應用研究?

（中國人民解放軍91388部隊 湛江 524022）

1 引言

水聲定位在海洋開發和海洋勘探等領域發揮著極其重要的作用，長基線水聲定位由于其基線長，測量區域大，測量精度高［1］，在水下UUV等運動目標航跡測量中發揮了很大的作用，在以往的長基線水聲定位中使用的合作信標信號大部分是CW窄脈沖信號，主要由于其信號簡單、且時延分辨率高，易于實現，但由于其脈寬窄，聲傳播距離近，信號抗干擾及隱蔽性較弱，從而影響整個系統的測量范圍及應用場景。鑒于寬帶編碼信號具有可靠性高、抗干擾能力強，隱蔽性好等特點，本文探討將Gold寬帶編碼信號應用到定位系統中，使系統在淺海、多徑和強干擾環境下實現遠距離、高精度定位。

2 長基線水聲定位原理

長基線水聲定位系統是經典系統，在海上進行水下運動目標定位測量時，一般在海面或海底布放3枚以上測量陣元，陣元間隔3km～5km，構成測量陣，陣元自身的位置由其內部的GPS定位系統給出，目標安裝有合作聲信標，陣元水聽器接收目標合作聲信標按一定間隔發射的脈沖信號，從而進行時延估計［2］。測量系統根據信標發射信號的時刻是否同步選擇球面交匯法或雙曲面交匯法進行目標位置結算，這就是長基線水聲定位系統的基本原理［3～5］。

3 Gold序列的產生原理

Gold碼是偽隨機碼的一種，由R·Gold提出，可基于m序列產生［6］。

Gold序列是為了解決m序列個數不多且m序列之間的互相關函數值不理想而提出的，它是用一對周期和速率均相同的m序列優選對模2加后得到的［7～8］。每改變兩個m序列相對位移就可得到一個新的Gold序列，當相對位移2n-1位時，就可得到一族2n-1個Gold序列，再加上兩個m序列，共有2n+1個Gold序列碼。其發生器結構框圖如圖1所示。

圖1 Gold序列發生器

Gold序列地址數遠遠大于m序列地址數，不同的序列碼載頻相同的頻率、帶寬、脈寬的信號，從而獲得不同的目標數［9～11］。Gold序列是常用的一種準正交序列，其相關函數的旁瓣低，序列間近似正交［12］。

圖2為Gold信號模糊度函數，具有圖釘函數特征，相關峰值在時間域具有很好的分辨性能。基于Gold編碼信號良好自相關性及互相關性，且其數量要大于偽隨機序列，實際使用過程中，可根據不同的運動目標，只需要采用不同的擴頻Gold碼即可實現相同頻率、帶寬、脈寬信號的多個不同目標的跟蹤測量，在多目標跟蹤測量中具有很好的效果。

圖2 為Gold信號模糊度函數

4 Gold碼擴頻信號的檢測仿真

為了檢驗Gold編碼信號在長基線水聲定位中作為目標信號的檢測精度及測時精度，對不同脈寬和階數Gold信號采用相關檢測，參數設置如下：

1）載波頻率：10kHz；

2）采樣率：40kHz；

3）帶寬：1.67kHz；

4）信號寬度：37.8ms（6階）、76.2ms（7階）、153ms（8階）、306.6ms（9階）、613.8ms（10階）。

圖3、圖4為不同脈寬Gold信號在不同信噪比下的檢測概率及檢測精度。從圖中可以看出，采用相關處理的Gold信號（大時間帶寬信號）可檢測性隨脈寬及信噪比的增加而明顯增強，脈寬增加一倍時，檢測能力提高3dB，與寬帶信號的相關處理增益理論值10logBT相符，相同脈寬Gold信號的檢測精度隨信噪比增大而提高，當信噪比增大到一定程度時，相關峰最大值檢測標準差降低至幾乎為0，具體情況如表1所示。

圖3 Gold信號檢測概率

圖4 Gold信號測時精度

表1 不同脈寬gold信號相關檢測情況

5 CW、Gold編碼隱蔽性分析

就信號檢測來講，CW信號主要用能量檢測，Gold編碼信號可以用相關檢測。考慮使用過程中的隱蔽性，發射信號的能量在時域和頻域上不能明顯高于環境噪聲。下面對CW信號和Gold編碼信號進行時頻分析，假設接收端的信噪比為-3dB，信號時長500ms，載頻為10kHz，采樣頻率為40kHz。圖5、圖6給出它們的LOAF圖。

從圖5、圖6的對比可以發現，擴頻信號的LOAF圖較CW的要模糊，對于被動聲納來說，難以進行有效的時頻域檢測和估計。從以上對比中可以初步判定，擴頻信號的可偵測性能要優于CW信號，因此在考慮隱蔽條件下的使用Gold編碼信號更合適。

圖5 CW信號的LOAF圖

圖6 偽隨機碼擴頻信號的LOAF圖

6 海上試驗驗證

在南海某海域進行了驗證試驗，聲源船距接收陣元約9.9km，聲源深度約30m，接收陣元深度約60m，聲源發送載頻為16kHz的Gold編碼信號，帶寬為2kHz，脈寬1023ms，接收陣元根據接收GOLD編碼信號，信號發射與接收處理周期5s。信號處理采用匹配濾波相關峰處理，獲得傳播時延值。其結果如圖7所示，從圖中可以觀察到接收信號較明顯。

圖7 探頭接收Gold信號時域波形

對接收信號進行模糊度分析，并畫出接收直達波的三維模糊圖，分別為信號時延偏移為0時的模糊圖截面和頻率偏移為0時的模糊圖截面，如圖8所示。從模糊圖截面中找到-3dB幅度值對應的時延差、頻率差，即為接收信號的時延、頻率分辨率，從圖中可知其時延分辨率為0.6ms，頻移分辨率為0.89Hz，由此可知，采用Gold編碼信號，有很好的時延分辨率和頻移分辨率。將濾波后的信號與本地參考的解析信號進行匹配濾波如圖9所示，相關峰比較明顯。

圖8 接收GOLD編碼時延和信號頻移分辨率曲線

圖9 探頭接收最遠GOLD編碼信號匹配濾波結果

取前峰的時間為1.457827s，考慮距離模糊情況，此時接收信號是跨周期的，應加上信號接收處理周期5s，減去接收基陣0.03s的固有時延，實際信號傳播時間為6.427827s，聲速按照實際的1534.5m/s進行計算，得到的距離約為9.847km，考慮到海流對陣元位置造成的偏移，可認為與實際距離基本相近。

Gold編碼信號由于其輻射能量較高，相關處理增益也高，可有效增加信號的傳輸距離。但其對頻率較為敏感，在進行相關峰處理時，可使用頻率查找方式，尋找幅度最高的相關峰為最佳時延檢測結果。

7 結語

通過仿真分析及海上試驗驗證可知，Gold編碼信號具有很好的時延分辨率和頻移分辨率，雖然屬于寬帶信號，但看似占用了很多帶寬，但可通過改變編碼而實現不同目標的合作信標信號，信標信號信號強度相對較低，且具有很好的隱蔽性，故在水下定位中，采用Gold編碼信號作為定位系統的合作信標信號具有很好的可行性。