专利名称：一种用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明提出了一种用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法和系统，以 应用于对定位精度要求较高的短基线水声定位系统，为定位解算提供高精度的时延差测量 值。
背景技术：
短基线水声定位系统广泛用于导航，水下测量，海洋勘探和开发等众多领域。随着 对海洋探索的不断深入，人们对定位精度的要求日益提高。根据短基线定位的原理短基线水声定位系统的定位精度与定位基阵的基线上两 接收换能器之间的距离(即基线的长度)成正比；定位精度与对定位基阵的基线上两接收 换能器接收到声波时延差的测量精度成正比。通常，人们希望短基线水声定位系统基阵的 尽可能的小，以便节省空间；而一些设备对定位基阵的尺寸有着严格的要求。因而，提高时 延差测量的精度值，就成了提高短基线定位系统定位精度的必然要求。
发明内容
本发明的目的是研究出一种用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法 及其系统。本发明针对短基线水声定位系统中希望在基线长度较短条件下有较高定位精度 的要求，给出了一种利用相位差计算时延差补偿值的方法和系统，以提高测量时延差的精度。本发明所述的用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法，至少包括以下 步骤1)短基线水声定位系统的发射端发射线性调频脉冲信号作为定位信号，形式如 下
\cos[2nfLnTsx+nkOn2Tl) 0< <Γ/Γ5151,⑷=■{ 、‘.
Λ } {on<0,n>T/Tsl其中，Tsi是短基线水声定位系统发射信号的采样间隔，T是线性调频信号由最低 频扫到最高频所经过的时间，k0是信号的调频斜率，fL是信号s (η)的最低频率；2)短基线水声定位系统的接收端有相关器1和相关器2，相关器1接收信号X1 (η) 并进行相关处理，相关器2接收信号& (η)并进行相关处理；相关器1和相关器2进行相关 处理时，使用的参考信号相同，参考信号形式如下
_ 11 ^ (n\= \c0S(27rfinTs2 + ^n1Tl1) 0<n< T/TS2 "[θn<0,n>T/TS2 其中，Ts2是短基线水声定位系统接收信号的采样间隔；
设处理后，从相关器1输出的输出信号和从相关器2输出的输出信号 的包络出现峰值对应的位置为M1和M2,那么时延差初测值为
权利要求
1. 一种用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法，其特征在于至少包括以下 步骤1)短基线水声定位系统的发射端发射线性调频脉冲信号作为定位信号，形式如下 (、一 Uos{lnfLnTsx + nk0n2T^) 0<n< T/TS]n<0,n>T/TS}其中，Tsi是短基线水声定位系统发射信号的采样间隔，T是线性调频信号由最低频扫 到最高频所经过的时间，k0是信号的调频斜率，fL是信号S (η)的最低频率；2)短基线水声定位系统的接收端有相关器1和相关器2，相关器1接收信号X1(η)并 进行相关处理，相关器2接收信号& (η)并进行相关处理；相关器1和相关器2进行相关处 理时，使用的参考信号相同，参考信号形式如下s = \cos[lnfLnTS2 +π^η2Τ^2) 0<n< T/TS2 ]θn<0,n>T/TS2其中，Ts2是短基线水声定位系统接收信号的采样间隔；设处理后，从相关器1输出的输出信号队(m)和从相关器2输出的输出信号& (m)的包 络出现峰值对应的位置为M1和M2,那么时延差初测值为 M1-M2Tr 二 ~!--尸S 2根据峰值位置M1和M2,由相位计算模块1生成的生成信号P1 (m)和相位计算模块2生 成的生成信号P2(m)分别为P1 (m) = R1 (m-M「L) 0 彡 m 彡 2L-1 P2 (m) = R2 (m-M2-L) 0 ^ m ^ 2L-1其中，L是满足如下条件的一个整数①L < M1且L < M2 ；②存在一个非负整数z，使得 f f等式^-_2^^2<^^21成立；求取？1(111)和J^0ll)离散傅里叶变换，并计算出相位0。)和ψ2 (k),则P1(Hl)和P2(Hl)之间的相位差为设存在W个非负整数满足 ^-2L<K,<K2<-<Kw<^-2L则时延差修正值为τ 1 ^(21-1)-^(^) M Wtt ^kK1F52那么，时延差初测值和时延差修正值的差值，即为时延差值 Δ τ = τΕ-τΜ参数Δ τ的物理意义是，在发射端发出的信号经过信道传播后，接收端两个不同的通 道接收到信号的时刻相差了 Δ τ。
2.根据权利要求1所述的用于短基线水声定位系统中精确测量时延差方法的系统，包 括接收端和发射端，其特征在于发射端包括信号处理单元1，功放，发射换能器，接收端包括 接收换能器1，接收换能器2，滤波器1，滤波器2，信号处理单元2 ；信号处理单元1与功放 之间通过数据线连接；功放和发射换能器之间通过数据线连接；发射换能器和接收换能器 1之间是无线水声信道；发射换能器和接收换能器2之间是无线水声信道；接收换能器1和 滤波器1之间通过数据线连接；接收换能器2和滤波器2之间通过数据线连接；滤波器1和 信号处理单元之间通过数据线连接；滤波器2和信号处理单元之间通过数据线连接；信号处理单元1用于生成待发送的信号；功放用于放大待发送的信号；发射换能器用 于将电信号转化为声信号发送出去；接收换能器1和接收换能器2用于接收声信号，并转化 为电信号；滤波器1和滤波器2用于选择特定频段的信号，以提高信噪比；信号处理单元2 用于对接收到的信号进行处理，计算出两路的时延差。
3.根据权利要求2所述的用于短基线水声定位系统中精确测量时延差方法的系统，其 特征在于信号处理单元1由一块DSP实现，它包括发射信号样本存储器，发射信号控制模块 和发射信号生成模块，发射信号样本存储器和发射信号生成模块连接，发射信号控制模块 和发射信号生成模块连接。
4.根据权利要求2所述的用于短基线水声定位系统中精确测量时延差方法的系统，其 特征在于信号处理单元2由一块FPGA和一块DSP实现，FPGA与DSP间由数据线连接；FPGA 包括参考信号样本存储器、相关器1、相关器2、包络计算模块1和包络计算模块2 ；参考信 号样本存储器和相关器1、相关器2连接，相关器1、相关器2分别是与包络计算模块1和包 络计算模块2连接；DSP包括峰值检测器1、峰值检测器2、时延差初测值计算模块、相位计 算模块1、相位计算模块2、减法器1、时延差修正值计算模块和减法器2 ；包络计算模块1和 包络计算模块分别与峰值检测器1、峰值检测器2连接，相位计算模块1、相位计算模块2分 别与峰值检测器1、峰值检测器2连接，时延差初测值计算模块上连接有峰值检测器1、峰值 检测器2和减法器2，减法器1与相位计算模块1、相位计算模块2和时延差修正值计算模 连接。
全文摘要
本发明所述的用于短基线水声定位系统中精确测量时延差的方法为信号产生在信号处理单元1中，通过发射信号样本存储器、发射信号控制模块和发射信号生成模块实现；信号解算在信号处理单元2中，通过参考信号样本存储器、相关器1、相关器2、包络计算模块1和包络计算模块2、峰值检测器1、峰值检测器2、时延差初测值计算模块、相位计算模块1、相位计算模块2、减法器1、时延差修正值计算模块和减法器2实现。本发明所述的测量并计算多普勒偏移方法的系统包括接收端和发射端，发射端包括信号处理单元1、功放、发射换能器，接收端包括接收换能器1、接收换能器2、滤波器1、滤波器2和信号处理单元2。
文档编号G01S5/18GK102096064SQ201010540329
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月12日 优先权日2010年11月12日
发明者冯海泓, 孔繁慧, 张学森, 郭霖, 黄敏燕 申请人:嘉兴中科声学科技有限公司