Gold寬帶編碼在水聲定位信號中的應(yīng)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(fā)和海洋勘探等領(lǐng)域發(fā)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(qū)域大，測量精度高［1］，在水下UUV等運動目標(biāo)航跡測量中發(fā)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(biāo)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(xiàn)，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(tǒng)的測量范圍及應(yīng)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(yīng)用到定位系統(tǒng)中，使系統(tǒng)在淺海、多徑和強干擾環(huán)境下實現(xiàn)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(tǒng)是經(jīng)典系統(tǒng)，在海上進行水下運動目標(biāo)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(gòu)成測量陣，陣元自身的位置由其內(nèi)部的GPS定位系統(tǒng)給出，目標(biāo)安裝有合作聲信標(biāo)，陣元水聽器接收目標(biāo)合作聲信標(biāo)按一定間隔發(fā)射的脈沖信號，從而進行時延估計［2］。測量系統(tǒng)根據(jù)信標(biāo)發(fā)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(biāo)位置結(jié)算，這就是長基線水聲定位系統(tǒng)的基本原理［3～5］。

3 Gold序列的產(chǎn)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(chǎn)生［6］。

Gold序列是為了解決m序列個數(shù)不多且m序列之間的互相關(guān)函數(shù)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(yōu)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(dāng)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(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 Gold序列發(fā)生器

Gold序列地址數(shù)遠遠大于m序列地址數(shù)，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(biāo)數(shù)［9～11］。Gold序列是常用的一種準(zhǔn)正交序列，其相關(guān)函數(shù)的旁瓣低，序列間近似正交［12］。

圖2為Gold信號模糊度函數(shù)，具有圖釘函數(shù)特征，相關(guān)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(guān)性及互相關(guān)性，且其數(shù)量要大于偽隨機序列，實際使用過程中，可根據(jù)不同的運動目標(biāo)，只需要采用不同的擴頻Gold碼即可實現(xiàn)相同頻率、帶寬、脈寬信號的多個不同目標(biāo)的跟蹤測量，在多目標(biāo)跟蹤測量中具有很好的效果。

圖2 為Gold信號模糊度函數(shù)

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(biāo)信號的檢測精度及測時精度，對不同脈寬和階數(shù)Gold信號采用相關(guān)檢測，參數(shù)設(shè)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(guān)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(guān)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(dāng)信噪比增大到一定程度時，相關(guān)峰最大值檢測標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(guān)檢測。考慮使用過程中的隱蔽性，發(fā)射信號的能量在時域和頻域上不能明顯高于環(huán)境噪聲。下面對CW信號和Gold編碼信號進行時頻分析，假設(shè)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(fā)現(xiàn)，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(yōu)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(fā)送載頻為16kHz的Gold編碼信號，帶寬為2kHz，脈寬1023ms，接收陣元根據(jù)接收GOLD編碼信號，信號發(fā)射與接收處理周期5s。信號處理采用匹配濾波相關(guān)峰處理，獲得傳播時延值。其結(jié)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(yīng)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(guān)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(jié)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(yīng)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(guān)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(guān)峰處理時，可使用頻率查找方式，尋找幅度最高的相關(guān)峰為最佳時延檢測結(jié)果。

7 結(jié)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(xiàn)不同目標(biāo)的合作信標(biāo)信號，信標(biāo)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(tǒng)的合作信標(biāo)信號具有很好的可行性。