专利名称：基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法和装置。
背景技术：
海面与水下定位导航是一切海洋开发活动与海洋高技术发展的基本前提，水下运 动载体或设备平台是海洋开发的重要工具，在实际应用中为了确定其在水下的位置，常需 要定位。由于电磁波在水中衰减严重，陆地上的GPS系统不适用于水下目标的定位。声波 在水中具有良好的传播特性，目前的水下定位一般以声波为媒介，主要有长基线定位系统、 短基线定位系统与超短基线定位系统等。在假定水下声速已知的情况下，长基线定位系统 通过回波往返时延得到被测目标与测量系统间的距离，采用球面交汇法确定被测目标的相 对位置。短基线通过测量声波到达各阵元的时间差来确定距离差再利用组成短基线的阵元 间距，采用双曲线交汇法确定目标位置。超短基线定位系统由多个水声接收器组成阵列，各 阵元间的距离小于声波波长的一半，因此精确时差测量比较困难，常通过阵元间的相位差 来测量入射角，再利用直线相交来进行定位，在这几种定位系统中长基线的定位精度最高， 短基线次之。精确的时间差测量是长基线和短基线定位系统的基础。为确定目标在大地坐标系 下的坐标，长基线定位系统要求各阵元已知自身在大地坐标系下的坐标，其工作步骤请求 定位的目标通过一个单频信号向海底水声收发器发出测距请求，组成长基线定位系统的各 水声收发器在收到请求信号后采用不同的频率发送应答信号，该信号包含了应答器的位置 信息，请求定位目标通过应答信号的位置信息及发送请求信号与接收应答信号的时延来估 算自身位置。水声信道是一个极其复杂的时变_频变_空变随机窄带信道，具有高衰减、强 多径干扰、多普勒频偏严重、可用频带窄等特点，这些特点特别是强多径干扰对单频脉冲信 号的水声信号的接收和检测造成一定的干扰，严重地影响了水声定位系统的精度。而组成 长基线定位系统的阵元间距要求大于100m，布放于海底的不同位置，需要繁琐的校准工作， 这些都限制了基于回波往返时延的定位方法的应用。超短基线定位系统阵元间的间距要求小于半个波长，具有体积小的优点，但系统 通过测量阵元间的相位差来估算入射角，再利用直线相交来进行定位，具有精度不高的缺 陷。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于频谱变换的水下运动 目标定位导航方法，针对实际应用中，所定位的目标可能以一定径向速度远离或者靠近测 量系统，采用短基线系统进行测量，利用对称三角调频信号时频域的对称性对信号进行处 理估算回波往返时延，具有长基线定位精度高的优点，又具有短基线体积小的特点，本发明 在确定水下目标在大地坐标系下位置的同时还可确定水下目标的运动速度。本发明不仅能 从水上(海面、岸上或者是空中)对水下运动目标进行跟踪定位，还能实现水下目标的自动化定位与导航。本发明的基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法包括以下步骤(1)船载水声收发器向水下运动目标发射一个对称三角调频信号s(t)，安装于水 下运动目标上的水声收发器对所接收到信号进行放大转发；所述对称三角调频信号s (t) 其中，B’、fO、T分别为信道带宽、调频的中心频率、扫频周期，A和ρ为信号幅
度和初始相位，所发射调频信号的频率f为 (2)船载测量装置上的水声接收器阵列接收回波信号，由于直达波传播的路径小 于界面反射的回波，与这些回波相比直达波最先达到水声接收器阵列，利用阵列信号处理 器对接收信号进行处理，估计直达波和界面反射回波的来波方向；(3)利用来波方向信息调整水声接收器阵列中各阵元的权值，使波束主瓣对准直 达波，而在界面反射回波到达方向上形成零陷，从而抑制多径回波的干扰，提高信噪比。加 权处理后水声接收器阵列的输出信号SJt)为 其中Kr为衰减因子。若声波在水中的传播速度为C，目标距离测量系统为r处并以径向速度为ν(远离 测量系统的速度为正)运动，测量系统回波往返时延为T,fjr = 2(r + V°，将其代入Sjt)，
C
接收信号与发射信号进混频，经低通滤波器后取出频率较低部分得到S1U) 把上扫频段混频得到的低频分量延时f后与下扫频段混频得到的低频分量再次进行混频，从而把非平稳信号转化为一个单频信号，其频率/Δ =4(/Q-抝f，由于f(1、B、c已
知，因此信号的频率只与水下目标的运动速度有关。而频率跳变时刻与测量系统到目标
的距离关系r = ^^，从而得到目标运动速度V = ^y ，目标相对于测量系统的位置
t(C-V)
r =-；
2 (4)船载测量装置利用GPS接收机确定自身的大地坐标，通过系统上的船体姿态 矫正装置提供的数据进行自身位置矫正，然后通过数据融合确定水下运动目标在大地坐标 系下的坐标。在上述方案的基础上，只能实现船载测量装置对水下运动目标主动式定位。为了 从水上(海面、岸上或者是空中)对水下运动目标进行跟踪需要以下步骤在所述步骤(1) 前由水上的无线电收发器通过电磁波向船载无线电收发器定位请求，船载无线电收发器把 该请求传送给船载测量装置上的微处理器；在步骤(4)后，船载测量装置通过自身的无线 电收发器把水下目标的位置和速度信息以电磁波的方式发送到水上无线电收发器。为了实 现水下目标主动式定位导航，需要以下步骤在所述步骤(1)前水下运动目标上的水声收 发器向船载测量装置发送定位请求信息；在所述步骤(4)后，船载测量装置通过自身的水 声收发器把水下运动目标的位置信息以超声波的方式发送给运动目标。本发明装置可通过如下技术方案实现包括船载测量装置、水下运动目标上的水 声收发器和水上无线电收发器，其中船载测量装置是本发明的核心，水上的无线电收发器 可以是独立的装置也可以嵌入到其他水上装置中，通过电磁波与船载测量装置进行通信， 水下运动目标上的水声收发器安装于水下运动目标通过声波与船载测量装置进行通信。所 述船载无线电收发器通过数据线、地址线和控制线与控制中心微处理器连接，它监听来自 水上的定位请求和向水上请求定位系统发送定位结果；船载水声收发器通过数据线、地址 线和控制线与控制中心连接，它负责监听来自水下的定位请求，需要定位时在微处理器的 控制下负责发射对称三角调频信号，当微处理器完成目标信息的估算后由船载水声收发 器向水下目标发送定位结果；阵列信号处理器通过数据线、地址线和控制线与控制中心微 处理器连接，通过数据线和控制线与水声接收器阵列连接，用于完成接收信号的预处理及 D0A、二次混频信号频率和直达波的时延估计；水声接收器阵列通过控制线与控制中心微处 理器连接，通过数据线和控制线与阵列信号处理器连接，负责接收回波信号；船体姿态矫正 装置通过数据线、地址线和控制线与控制中心微处理器连接，用于测量由于船体的左右和 上下摆动所造成的误差，为船体姿态矫正提供信息；GPS接收机通过数据线、地址线和控制 线与控制中心微处理器连接，用于接收由卫星和GPS基准站的信号，从而确定船在大地坐 标系下的位置；微处理器是该装置的控制中心，它在接到来自船载无线电收发器和船载水 声收发器传来的定位请求信息后，控制船载水声收发器发射对称三角调频信号，启动GPS 接收机、船体姿态矫正装置、水声接收器阵列和阵列信号处理器工作，当这些模块完成相应 的工作后它把阵列信号处理器提供的D0A、二次混频信号频率和直达波的往返时延估计、船 体姿态矫正装置提供的矫正信息以及GPS接收机提供的船体位置信息进行数据进行融合 从而确定水下目标的位置和速度信息，再根据定位请求的来源决定由船载无线电收发器或 者船载水声收发器发送定位结果。水下运动目标上的水声收发器采用收发分置的换能器，其中接收换能器通过信号线与带通滤波器和信道监听电路连接；发射换能器与放大器和调制解调器连接；信道监听 电路与接收换能器、微处理器连接，它根据接收换能器所接收的信号，判断信道是否有信 号，如果有则向微处理器发送信息，由微处理器启动其组成部件工作；信号检测器与放大器 信号连接，通过控制线与微处理器连接，当被检信号为对称三角调频信号时，信号检测器向 微处理器传送高电平(或者低电平)信号，微处理控制放大器对所接收的信号进行放大后 由发射换能器发射。当被检信号不是对称三角调频信号时，检测器向微处理器传送低电平 (或者高电平)信号，微处理器接收调制解调器传送的信息。带通滤波器与接收换能器、放 大器连接，用于取出特定带宽的信号，降低噪声提供信噪比；放大器与带通滤波器、微处理 器、调制解调器及发射换能器连接，用于放大信号；调制解调器与微处理器、发射换能器、放 大器连接，用于调制和解调信息。相比现有的技术来说，本发明具有如下优点和有益效果1、针对水声信道信息传输速率低的特点，本发明不发送参考系统的信息，而是发 射一个对称三角调频信号，利用其时频域特点，通过二次混频把信号变成有一个频率跳变 点的信号，跳变后的频率只与目标运动速度相关，而且信号频率跳变时刻对应为直达波往 返时延。工作原理简单，同时由于所估算的是信号的频率，克服了长基线定位方法中门限阈 值的影响，提高了系统的测量精度。2、发射信号的优良特性使本发明能像长基线定位系统那样——通过往返时延测 量距离，具有测量精度高的特点，同时克服了长基线定位系统对阵元间距的要求，避免了水 下应答器阵的布放和坐标确定等繁琐工作。3、本发明只在接收到来自水上和水下的定位请求后才工作，当没有来自水上和水 下的定位请求时，除三个监听模块外本发明的其他部分都处于休眠状态，功耗小可延长电 池的寿命。
图1为本发明的装置框图；图2为本发明船载测量装置电路原理框图；图3为本发明水下运动目标上的水声收发器电路原理框图；图4为本发明水下运动目标上的水声收发器接收信号工作流程图；图5为本发明船载测量装置中控制中心的工作流程图；图6为本发明水声接收器阵列及阵列信号处理模块框图；图7为本发明对称三角调频信号混频处理的时频示意图；图8为本发明实施水上跟踪式定位方法的流程示意图；图9为本发明实施水下主动式定位方法的流程示意图。
具体实施例方式本发明采用对称三角调频信号作为发射信号，利用上下扫频段的对称性，通过二 次混频得到一个与运动目标速度有关的单频信号，而频率跳变时刻对应目标反射回波的到 达时刻，通过频谱变换可以求得对应频率fA和频率跳变时刻T，利用v = 求得目标的运动速度，利用r=Mp求得目标到船载测量装置的距离。下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。如图1所示，本发明基于频谱变换的水下运动目标定位装置由船载测量装置AdK 上无线电收发器B和水下运动目标上的水声收发器C组成，船载测量装置A通过电磁波信 号与水上无线电收发器B进行信息传输，船载测量装置A采用声信号与水下运动目标上的 水声收发器C进行信息传输。其中船载测量装置A的功能模块包括依次连接的定位请求检 测模块5、发射对称三角调频信号模块6、水声接收器阵列及阵列信号处理模块7，无线电收 发模块3和水声收发模块4分别接受来自水上和水下的定位请求信号，并与定位请求检测 模块连接，确定船体位置信息模块8、船姿态矫正模块9、水声接收器阵列及阵列信号处理 模块7、无线电收发模块3和水声收发模块4分别与数据融合模块10连接。
如图2所示，船载测量装置的硬件电路主要有微处理21、水声收发器22、水声接收 器阵列23、阵列信号处理器24、GPS接收机25、船体姿态矫正装置26、无线电收发器27共 同组成。作为控制中心的微处理器21可为DSP或者MCU芯片，它是系统的控制中心，协调 各组成部件工作并实现图1中的数据融合模块功能；船载水声收发器22在微处理器的控制 下实现定位请求检测模块5、水声收发模块4和发射对称三角调频信号模块6的功能，当处 于定位过程时，它发射对称三角调频信号，并把该信号传送到水声接收器阵列和阵列信号 处理模块7 ；阵列信号处理器24可采用FPGA或DSP及其外围电路实现，与水声接收器阵列 23共同完成接收信号和阵列信号处理模块的功能；GPS接收机25实现确定船体位置信息模 块的功能；船体姿态矫正装置26实现船姿态矫正模块的功能；无线电收发器27实现定位 请求检测模块5和无线电收发模块的功能。如图3所示，水下运动目标上的水声收发器的硬件电路包括依次连接的接收换能 器31、带通滤波器32、放大器33、信号检测器34、微处理器35以及调制解调器36、发射换能 器37、信道监听电路38。其中信道监听电路38用于监听信道的状态；信号检测器34与放 大器33和微处理器35连接，用于接收换能器收接收的信号进行频率检测，判断收接收的信 号是否为对称三角调频信号；微处理器35是该部分的控制中心，与信号检测器34、放大器 33以及调制解调器36、信道监听电路38连接，它接收信号检测器34的判断结果决定确定 信号类型再做出响应。如图4所示，水下运动目标上的水声收发器接收信号工作流程包括以下步骤(1)由信道监听电路通过接收换能器所接收的信号监听水声信道的状态，当信道 监听电路监听到信道为空闲时，微处理器不响应，继续监听信道的状态；当信道监听电路监 听到信道为忙时，向微处理器发送该信息；(步骤41、42)(2)当信道为忙时，微处理器启动带通滤波器和放大器对接收换能器的信号进行 预处理，接着把信号输入到信号检测器34，由信号检测器34对所接收的信号进行检测；(步 骤 43、44)(3)当接收的信号为对称三角调频信号时，微处理器控制放大器对接收信号进行 放大然后由发射换能器发送该信号，清除调制解调器中的信息，当接收的信号不是对称三 角调频信号时微处理器接收调制解调器的信息，然后微处理器继续监听信道的状态。(步骤 44、45、46)
如图5所示，船载测量装置中控制中心的工作流程包括以下步骤(1)启动船载无线电收发器和船载水声收发器，分别监听水上和水下的定位请求； 步骤so)(2)当船载无线电收发器或者船载水声收发器收到来自水上或者水下的定位请求 信号后把该信息传送到控制中心微处理器，微处理器启动船载水声收发器向水下发射对称 三角调频信号，接着启动GPS接收机、船姿态矫正装置、水声接收器阵列以及阵列信号处理 器；(步骤 51、52、53、54、55)(3)GPS接收机提供船体位置信息，由于船体的摆动等会对船载测量装置的位置造 成一定的影响，船姿态矫正装置将提供船体位置的矫正信息，阵列信号处理器提供信号的 来波方向、往返时延以及二次混频后的频率信息，控制中心微处理器接收这些信息并进行 数据融合，从而确定水下目标的位置和速度；(步骤52、53、54、55、56)(4)控制中心微处理器根据请求定位的来源，如果是来自水上的无线电请求则利用船载无线电收发器发送水下目标的位置和速度信息，如果定位请求来自水下则利用船载 水声收发器发送水下目标的位置信息。(步骤57、58、59)如图6所示，水声接收器阵列及阵列信号处理模块主要由含N个阵元的水声接收 器阵列61、N个带通滤波器62、N个放大器63、N路A/D转换器64_1、阵列信号处理器65、 发射信号66、低通滤波器67_1、延时T/2电路69、高通滤波器67_2、A/D转换器64_2组成， 其中N个带通滤波器62取出特定频带的信号以降低噪声，提高信噪比；由于所收到的信号 幅度较小，不利于进行A/D转换因此把信号通过放大器63后再进行模数转换；阵列信号处 理器可采用DSP或者FPGA实现，它首先利用水声接收器阵列接收信号，根据各阵元接收信 号的相位差进行直达波和界面反射回波的DOA估计65_1，接着利用DOA信息调整各阵元的 权值，使直达波对准波束主瓣而在界面反射回波方向上形成零陷，最后估计二次混频信号 的频率及其频率跳变时刻频率差和往返时延τ。水声接收器阵列及阵列信号处理器的工作流程图如图6所示，具体工作流程如 下(1)水声接收器阵列和阵列信号处理器在收到船载测量装置控制中心微处理器发 出的启动命令后，开始接收信号并对其进行处理。(2)由于两点之间直线的距离最短，因此直达波最早达到水声接收器阵列。如果系 统所发射的信号为窄带信号，则可以使用MUSIC等常用的DOA估算算法估计直达波和界面 反射回波的来波方向，利用DOA信息调整水声接收器阵列中各阵元对应的权值使得水声接 收器阵列在直达波到达方向上形成波束，在界面反射回波方向上形成零陷。保持各传感器 所对应的权值，使得传感器阵列形成的波束对准直达波到来的方向，从而抑制多径干扰，提 高信噪比。(3)水声接收器阵列加权求和后的信号与船载水声收发器所发送的对称三角调频 信号进行混频，通过低通滤波器得到两者的频率差。混频处理后低频段的时频图如图7所 示，由于多普勒的影响，直达波的上扫频段和下扫频段信号与发射信号混频后的信号经过 低通滤波器后仍为线性调频信号，精确的频谱估计比较困难。(4)线性调频信号为非平稳信号，其参数估计比较困难，为了得到单个频率的信 号，本发明把混频后的上扫频段信号延时f后再与混频后的下扫频信号进行二次混频，在通过高通滤波器取出其频率较高的分量，而该分量是一个单频信号，该信号的频率就是式(6)
的频率差。(5)利用C. Yang, G. Wei, and F. J. Chen等人发表的题为“扩展的自相关频率估计 器，，("An Estimation-Range Extended Autocorrelation-Based Frequency Estimator，，， Journal on Advances in Signal Processing, vol. 2009, Article ID 961938,2009. doi 10. 1155/2009/961938.)所提出的频率估算方法构建频率估计器，对二次混频信号分段进 行频率估计。(6)阵列信号处理器接收频率估计器的计算结果，如果信号的频率是一个时变量， 则认为该信号为直达波到达前的信号；当信号的频率为一个常数可认为接收的信号中包含 直达波信号，该常数与目标的速度有关，根据频率估计器估算结果来确定发射信号与接收 信号的时间差τ。(7)阵列信号处理器把估算的直达波来波方向角θ、频率和回波往返时延估算结 果传送到控制中心微处理器。 上述基于频谱变换的水下运动目标定位方法有两种工作方式，一种是水上跟踪式 定位方法，如图8所示，包括以下步骤(1)当水上系统(在海面、岸上或者是空中具有无线电收发器二功能的系统)需要 了解水下目标的运动状态时，由水上无线电收发器发射无线电信号向船载测量装置发送定 位请求；(步骤81)(2)船载测量装置上的无线电收发器接收水上系统所发送的定位请求信号后把该 信息传到控制中心微处理器，微处理器控制船载水声收发器发送对称三角调频信号，启动 水声接收器阵列和阵列信号处理器、GPS接收机、船体姿态矫正装置；(步骤82)(3)船载测量装置的微处理器利用GPS接收机工作确定船体的三维坐标，利用船 体姿态矫正装置提供的矫正信息减小船的摇摆等对船体位置造成影响，利用阵列信号处理 器提供的来波方向、频率和回波往返时延估算水下目标相对测量装置的位置和速度，然后 进行数据融合从而确定水下目标在大地坐标系下的坐标和速度；(步骤83)(4)控制中心微处理器把步骤83的处理结果——水下目标的速度和位置信息通 过船载无线电收发器发送给水上请求定位系统。(步骤84)上述定位方法另一种工作方式是水下主动式定位方法，即水下运动目标主动发出 定位请求，船载测量装置把定位结果通过水声信道传送给水下运动目标从而实现水下主动 式定位，如图9所示，包括以下步骤(1)当水下运动目标需要了解自身的位置信息时，通过水下运动目标上的水声收 发器向船载测量装置发送水声定位请求信号；(步骤91)(2)船载测量装置上的水声收发器在收到水声收发器发送的信号后把水下定位请 求信息传到控制中心微处理器，微处理器控制船载水声收发器发送对称三角调频信号，启 动水声接收器阵列和阵列信号处理器、GPS接收机、船体姿态矫正装置；(步骤92)(3)船载测量装置的微处理器利用GPS接收机工作确定船体的三维坐标，利用船 体姿态矫正装置提供的矫正信息减小船的摇摆等对船体位置造成影响，利用阵列信号处理 器提供的来波方向、频率和回波往返时延估算水下目标相对测量装置的位置和速度，然后 进行数据融合从而确定水下目标在大地坐标系下的坐标和速度；(步骤93)
(4)控制中心微处理器把步骤93得到的水下运动目标的位置信息通过船载水声收发器发送给水下运动目标。(步骤94)本发明只在接收到来自水上和水下的定位请求后才工作，当没有来自水上和水下 的定位请求时，只有三个监听模块——船载无线电收发器和船载水声收发器以及水下运动 目标上的水声收发器的信道监听电路处于工作状态，其他都处于休眠状态，功耗小可延长 电池的寿命。由于船载无线电收发器和船载水声收发器不断监听来自水上和水下的定位请 求，使本装置能迅速响应来自水上和水下的定位导航请求。
权利要求
一种基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法，其特征在于包括以下步骤(1)船载水声收发器向水下运动目标发射一个对称三角调频信号s(t)，安装于水下运动目标上的水声收发器对所接收到信号进行放大转发；所述对称三角调频信号s(t)其中B’、f0、T分别为信道带宽、调频的中心频率、扫频周期，A和为信号幅度和初始相位，所发射调频信号的频率f为(2)船载测量装置上的水声接收器阵列接收回波信号，利用阵列信号处理器对接收信号进行处理，估计直达波和界面反射回波的来波方向；(3)利用来波方向信息调整水声接收器阵列中各阵元的权值，使波束主瓣对准直达波，而在界面反射回波到达方向上形成零陷；加权处理后水声接收器阵列的输出信号Sr(t)为其中Kr为衰减因子；若声波在水中的传播速度为c，目标距离测量系统为r处并以径向速度为v运动，远离测量系统的速度为正，测量系统回波往返时延为τ，则将其代入Sr(t)，接收信号与发射信号进行混频，经低通滤波器后取出频率较低部分得到SI(t)把上扫频段混频得到的低频分量延时后与下扫频段混频得到的低频分量再次进行混频，把非平稳信号转化为一个单频信号，其频率f0、B、c已知，信号的频率只与水下目标的运动速度有关；而频率跳变时刻与测量系统到目标的距离关系得到目标运动速度目标相对于测量系统的位置(4)船载测量装置利用GPS接收机确定自身的大地坐标，通过系统上的船体姿态矫正装置提供的数据进行自身位置矫正，然后通过数据融合确定水下运动目标在大地坐标系下的坐标；实现船载测量装置对水下运动目标主动式定位。FSA00000162012100011.tif,FSA00000162012100012.tif,FSA00000162012100013.tif,FSA00000162012100014.tif,FSA00000162012100015.tif,FSA00000162012100016.tif,FSA00000162012100017.tif,FSA00000162012100021.tif,FSA00000162012100022.tif,FSA00000162012100023.tif,FSA00000162012100024.tif,FSA00000162012100025.tif,FSA00000162012100026.tif,FSA00000162012100027.tif
2. 一种基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法，其特征在于包括以下步骤(1)由水上的无线电收发器通过电磁波向船载无线电收发器定位请求，船载无线电收 发器把该请求传送给船载测量装置上的微处理器；所述对称三角调频信号s(t)为 其中，B’、fO、T分别为信道带宽、调频的中心频率、扫频周期，A和p为信号幅度和 初始相位，所发射调频信号的频率f为 .0纖船载水声收发器向水下运动目标发射一个对称三角调频信号S (t)，安装于水下运动目 标上的水声收发器对所接收到信号进行放大转发；(2)船载测量装置上的水声接收器阵列接收回波信号，利用阵列信号处理器对接收信 号进行处理，估计直达波和界面反射回波的来波方向；(3)利用来波方向信息调整水声接收器阵列中各阵元的权值，使波束主瓣对准直达波， 而在界面反射回波到达方向上形成零陷；加权处理后水声接收器阵列的输出信号Sjt)为 . 0其他其中&为衰减因子；若声波在水中的传播速度为c，目标距离测量系统为r处并以径向速度为v运动，远离 测量系统的速度为正，测量系统回波往返时延为T，贝lJr = 2(r + Vt)，将其代入Sr (t)，接收fiC号与发射信号进行混频，经低通滤波器后取出频率较低部分得到&(0 把上扫频段混频得到的低频分量延时i后与下扫频段混频得到的低频分量再次进行混 频，把非平稳信号转化为一个单频信号，其频率厶=4(/Q -灼f，&、B、c已知，信号的频率只 与水下目标的运动速度有关；频率跳变时刻与测量系统到目标的距离关系t = ^^，得到目标运动速度^；-i ，目标相对于测量系统的位置〃 二1^^ ； (4)船载测量装置利用GPS接收机确定自身的大地坐标，通过系统上的船体姿态矫正 装置提供的数据进行自身位置矫正，然后通过数据融合确定水下运动目标在大地坐标系下 的坐标；3船载测量装置通过船载无线电收发器把水下目标的位置和速度信息以电磁波的方式 发送到水上无线电收发器；实现船载测量装置对水下运动目标主动式定位和从水上、海面、 岸上或者是空中对水下运动目标进行跟踪。
3. 一种基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法，其特征在于包括以下步骤(1)水下运动目标上的水声收发器向船载测量装置发送定位请求信息；船载水声收发 器向水下运动目标发射一个对称三角调频信号s (t)，安装于水下运动目标上的水声收发器 对所接收到信号进行放大转发；所述对称三角调频信号s(t)为 其中、fO、T分别为信道带宽、调频的中心频率、扫频周期，A和为信号幅度和 初始相位，所发射调频信号的频率f为 船载水声收发器向水下运动目标发射一个对称三角调频信号S (t)，安装于水下运动目 标上的水声收发器对所接收到信号进行放大转发；(2)船载测量装置上的水声接收器阵列接收回波信号，利用阵列信号处理器对接收信 号进行处理，估计直达波和界面反射回波的来波方向；(3)利用来波方向信息调整水声接收器阵列中各阵元的权值，使波束主瓣对准直达波； 加权处理后水声接收器阵列的输出信号Sjt)为 其中&为衰减因子；若声波在水中的传播速度为C，目标距离测量系统为r处并以径向速度为V运动，远离 测量系统的速度为正，测量系统回波往返时延为t，则T = 2(r + Vt)，将其代入Sr(t)，接收 信号与发射信号进行混频，经低通滤波器后取出频率较低部分得到sjt) 把上扫频段混频得到的低频分量延时f后与下扫频段混频得到的低频分量再次进行混 频，把非平稳信号转化为一个单频信号，其频率/A = 4(/0 - B)^，f0> B、c已知，信号的频率只与水下目标的运动速度有关；而频率跳变时刻与测量系统到目标的距离关系T=^^， 得到目标运动速度v，目标相对于测量系统的位置〃 二1^力；(4)船载测量装置利用GPS接收机确定自身的大地坐标，通过系统上的船体姿态矫正 装置提供的数据进行自身位置矫正，然后通过数据融合确定水下运动目标在大地坐标系下 的坐标；实现船载测量装置对水下运动目标主动式定位；船载测量装置通过自身的水下收 发器把水下运动目标的位置信息以超声波的方式发送给运动目标；实现水下目标主动式定 位导航。
4.一种基于频谱变换的水下运动目标定位导航装置，其特征在于包括船载测量装置——安装船体姿态矫正装置、水上无线电收发器、阵列信号处理器、GPS 接收机、微处理器；船体姿态矫正装置——通过数据线、地址线和控制线与控制中心微处理器连接，用于 测量由于船体的左右和上下摆动所造成的误差，为船体姿态矫正提供信息；水下运动目标上的水声收发器——通过数据线、地址线和控制线与控制中心连接，它 负责监听来自水下的定位请求，定位时在微处理器的控制下负责发射对称三角调频信号， 当微处理器完成目标信息的估算后由船载水声收发器向水下目标发送定位结果；水声接 收器阵列通过控制线与控制中心微处理器连接，通过数据线和控制线与阵列信号处理器连 接，负责接收回波信号；水上无线电收发器——是独立的装置或嵌入到其他水上装置中，通过电磁波与船载测 量装置进行通信；通过数据线、地址线和控制线与控制中心微处理器连接，它监听来自水上 的定位请求和向水上请求定位系统发送定位结果；阵列信号处理器——通过数据线、地址线和控制线与控制中心微处理器连接，通过数 据线和控制线与水声接收器阵列连接，用于完成接收信号的预处理及D0A、二次混频信号频 率和直达波的时延估计；GPS接收机——通过数据线、地址线和控制线与控制中心微处理器连接，用于接收由卫 星和GPS基准站的信号，从而确定船在大地坐标系下的位置；微处理器——在接到来自船载无线电收发器和船载水声收发器发来的定位请求信息 后，控制船载水声收发器发射对称三角调频信号，启动GPS接收机、船体姿态矫正装置、水 声接收器阵列和阵列信号处理器工作，当这些模块完成相应的工作后它把阵列信号处理器 提供的D0A、二次混频信号频率和直达波的时延估计、船体姿态矫正装置提供的矫正信息以 及GPS接收机提供的船体位置信息进行数据进行融合从而确定水下目标的位置和速度信 息，再根据定位请求的来源决定由船载无线电收发器或者船载水声收发器发送定位结果。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于水下运动目标上的水声收发器采用收发 分置的换能器，其中接收换能器通过信号线与带通滤波器和信道监听电路连接；发射换能 器与放大器和调制解调器连接；信道监听电路与接收换能器、微处理器连接，它根据接收换 能器所接收的信号，判断信道是否有信号，如果有则向微处理器发送信息，由微处理器启动 其组成部件工作；信号检测器与放大器信号连接，通过控制线与微处理器连接，当被检信号 为对称三角调频信号时，信号检测器向微处理器传送高电平或者低电平信号，微处理控制 放大器对所接收的信号进行放大后由发射换能器发射；当被检信号不是对称三角调频信号时，检测器向微处理器传送低电平或者高电平信号，微处理器接收调制解调器传送的信息； 带通滤波器与接收换能器、放大器连接，用于取出特定带宽的信号，降低噪声提供信噪比； 放大器与带通滤波器、微处理器、调制解调器及发射换能器连接，用于放大信号；调制解调 器与微处理器、发射换能器、放大器连接，用于调制和解调信息。
全文摘要
本发明涉及一种基于频谱变换的水下运动目标定位导航方法，包括(1)船载水声收发器向水下运动目标发射一个对称三角调频信号s(t)；(2)船载测量装置上的水声接收器阵列接收回波信号；(3)利用来波方向信息调整水声接收器阵列中各阵元的权值；(4)船载测量装置确定水下运动目标在大地坐标系下的坐标；一种基于频谱变换的水下运动目标定位导航装置主要由船载测量装置、船体姿态矫正装置、水下运动目标上的水声收发器、水上无线电收发器、阵列信号处理器、GPS接收机、微处理器构成。本发明不仅能从水上(海面、岸上或者是空中)对水下运动目标进行跟踪定位，还能实现水下目标的自动化定位与导航。
文档编号G01S15/42GK101872020SQ20101020466
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者张军, 陈灿芬, 韦岗 申请人:华南理工大学