专利名称：在长基线异步水声定位系统实现高帧率无模糊定位的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种水声定位技术，具体涉及一种水下非合作高速运动目标轨迹的分布式浮标阵高帧率水声定位方法。
背景技术：
受水声信道带宽窄、信号传播速度慢、界面多途及声线弯曲等诸多不利因素的制约，对水下目标进行高精度的定位导航较之陆地和空中目标要困难得多。而空间分布式浮标阵水声定位系统为水下目标高精度三维定位提供了必要的技术手段。对于水下合作目标，现有的水声定位系统多采用同步工作方式([1]TH0MS0N D， ELSONS. New generation acoustic positioning systems. Oceans' 02MTS/IEEE,2002,3 1312-1318)，也即在每次测量前，被测声源的时钟(安装在运动目标上)与接收系统需进行同步对时。同步对时虽可达到很高的精度，但同步系统对声源和接收系统时钟的稳定度要求均较高。有限的时钟稳定度不仅会导致时钟偏差累积，还容易因外界随机强脉冲干扰而引起时钟扰动偏差，进而影响系统定位精度。而异步工作方式不要求声源和接收系统精确对时，在阵内可达到与同步系统相媲美的定位精度([2]K0ZICK R J, SADLER B Μ. Source localization withdistributed sensor arrays and partial spatial coherence. IEEE Transactions on SignalProcessing, 2004, 52 (3) :601_616)，因而适用范围更加广泛。对于作高速、复杂运动的水下目标，定位系统必须保证足够高的轨迹采样率才能正确描述其轨迹。但受距离模糊([3]梁国龙，杨春，王燕.软件抗距离模糊技术在异步水声跟踪定位中的应用分析.应用声学，2005，24 (6) 359-363)的限制，通常的定位系统其轨迹采样率均较低(在秒量级)，这限制了对高速目标的跟踪能力。将长基线、超短基线两种定位方法组合([4] QUAZI A H. An overview on the time delay estimation in active and passive systemsfor target localization. IEEE Trans Acoust Speech SignalProcess， 1981,29(3) :527-533)，可在不产生距离模糊的前提下适当提高测量帧率，但其单个浮标基元的结构较复杂，海上布放回收不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于长基线异步水声定位系统，可在不产生距离模糊的前提下，实现高帧率轨迹采样的在长基线异步水声定位系统实现高帧率无模糊定位的方法.本发明的目的是这样实现的在信号发射端，信号形式为组合脉冲串；所述组合脉冲串，交叉使用CW与LFM信号，并且前后脉冲的频率不同，在不降低帧率的条件下减小脉冲间干扰；在信号接收端，对接收到的信号的处理方法为采用并行多通道自适应陷波器组和并行拷贝相关器组分别用于CW脉冲和LFM脉冲的检测、时延和频率估计。本发明的核心技术内容在于信号的波形设计以及相应的信号处理方法。
信号波形采用组合脉冲串，交叉使用CW与LFM信号，且不同类型的脉冲频带互不重叠，或频带重叠但调频斜率极性相反。一个脉冲串中有N个脉冲，设Pi (i =0，1，…，N) 为脉冲类型序号。PO为CW脉冲，P1、P2、…PN均为窄带LFM脉冲。利用脉冲PO实时测量目标高速运动产生的多普勒频移，用于实时调整与LFM脉冲作相关处理的参考信号。脉冲 PU P2用作脉冲子序列奇偶标识码，用于不同浮标间测得脉冲信号信息的时空关联。可在不产生距离模糊和不增加系统复杂度的前提下提高测量帧率到0. Is量级。对于此种信号形式，采用并行多通道自适应陷波器组和并行拷贝相关器组分别用于CW脉冲和LFM脉冲的检测、时延和频率估计的信号处理方法，可有效抑制通道间串漏和减小多普勒效应的影响。此外，在非等声速剖面时，采用声线修正的手段可以获取更高精度的深度定位结^ ο
图1为浮标阵异步水声定位系统工作态势图；图2为浮标阵异步水声定位系统测量阵构成图；图3为组合脉冲串的几种可选序列结构；图4为信号处理方法框图；图5为并行多通道自适应陷波器组；图6为并行拷贝相关器组。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本文作进一步具体说明1.定位系统的构成如图1图2所示，一个基本的定位系统由4个无线电遥控水声定位浮标组成，其中包括2个垂直双水听器浮标和2个单水听器浮标，构成一个6阵元的立体测量阵。各浮标间利用GPS同步对时，浮标接收机以异步方式接收从目标声源发射的脉冲信号，检测到信号后记录下脉冲前沿到达的时刻。GPS实时测定浮标的大地坐标位置，借助于无线电通信链实时将浮标位置、信号传播时延等参数传送到测量船显控平台进行定位解算。一个基本阵型可对3kmX3kmX300m范围内的目标进行实时三维跟踪监测，如需增大测量范围，可通过增加级联浮标个数来实现，系统扩展便利。2.信号波形组合脉冲串在水声信道中，上下边界会引起多途时延扩展，在浅水信道下时延扩展可达到 300-400ms之多。多途时延扩展会导致前后脉冲间的相互干扰，增加检测和估计的难度。增加脉冲间距虽然会减小这种干扰，却会使系统帧率降低。本发明中采用的一种组合脉冲串，交叉使用不同频段的脉冲信号，并且前后脉冲的频率不同，这样可以在不降低帧率的条件下减小脉冲间干扰。考虑到水声信道可用频带较窄，组合脉冲串设计为由12个脉冲、最多7种类型脉冲组合而成，组合脉冲串重复周期2s。不同类型的脉冲频带互不重叠，或频带重叠但调频斜率极性相反。设Pi(i=0，l，…，6)为脉冲类型序号.PO为CW脉冲，P1、P2、…P6均为窄带LFM脉冲。利用脉冲PO实时测量目标高速运动产生的多普勒频移，以便于实时调整与 LFM脉冲作相关处理的参考信号。脉冲PI、P2用作脉冲子序列奇偶标识码，以便于不同浮标间测得脉冲信号信息的时空关联。脉冲串的序列结构可分别选取如图3所示的3种结构。这些序列结构均可将帧率提高12倍，轨迹采样周期降至0. 166ms。而其中结构1所需的独立信道数最少(只需5 条)，但抗多途能力较结构2和结构3稍差。当信道带宽比较充裕且多途时延扩展严重时， 可将脉冲序列结构改换为结构2或结构3，其中结构3可抗秒量级的多途扩展。3.信号处理算法对于2中提到的信号波形，相应的信号处理方法如图4所示。对于CW信号，第一步是使用并行多通道自适应陷波器组处理接收到的信号，第二步是使用瞬时频率方差检测器用于CW脉冲的检测、时延和频率估计。对于LFM信号，这个过程也包括两个步骤第一步是使用拷贝相关器组处理接收到的信号，第二步是在拷贝相关器组的输出中搜索存在的 LFM脉冲及其到达时刻。同时，拷贝相关器的参考样本根据自适应滤波器测得的CW脉冲频率偏移量进行实时修正，可以避免由于多普勒效应使测量的LFM到达时刻出现偏差。(1) Cff脉冲的检测、时延和频率估计原则上讲，仅利用单通道的自适应陷波滤波器即可对单频CW脉冲信号Ptl进行检测和参数估计。但LFM脉冲信号Ρ”Ρ2、…P6虽与Ptl频带不重叠，当LFM信号强度较大时， 边带频谱分量的串漏仍会使陷波滤波器输出的包络起伏较大，容易引起虚警。对单通道自适应陷波滤波器增设多个陷波通道，分别对应几个LFM脉冲信号的中心频率，构成并行多通道自适应陷波器组，则可去除LFM脉冲引起的干扰，避免包络波动，进而显著改善CW脉冲信号的检测能力和频率估计精度。并行多通道自适应陷波器组由多个单频陷波滤波器并联而成，如图5所示。各路的正交参考输入可表示为
权利要求
1.一种在长基线异步水声定位系统实现高帧率无模糊定位的方法，其特征是在信号发射端，信号形式为组合脉冲串；所述组合脉冲串，交叉使用CW与LFM信号，并且前后脉冲的频率不同，在不降低帧率的条件下减小脉冲间干扰；在信号接收端，对接收到的信号的处理方法为采用并行多通道自适应陷波器组和并行拷贝相关器组分别用于CW脉冲和LFM脉冲的检测、时延和频率估计。
2.根据权利要求1所述的在长基线异步水声定位系统实现高帧率无模糊定位的方法， 其特征是所述组合脉冲串由12个脉冲、最多7种类型脉冲组合而成，组合脉冲串重复周期 2s ；不同类型的脉冲频带互不重叠，或频带重叠但调频斜率极性相反；Pi为脉冲类型序号、 其中i =0，1，…，6，？0为01脉冲，？1、？2、…P6均为窄带LFM脉冲，利用脉冲PO实时测量目标高速运动产生的多普勒频移，实时调整与LFM脉冲作相关处理的参考信号；脉冲P1、 P2用作脉冲子序列奇偶标识码；
3.根据权利要求1或2所述的在长基线异步水声定位系统实现高帧率无模糊定位的方法，其特征是所述对接收到的信号的处理方法为对于CW信号，第一步是使用并行多通道自适应陷波器组处理接收到的信号，第二步是使用瞬时频率方差检测器用于CW脉冲的检测、时延和频率估计；对于LFM信号，这个过程也包括两个步骤第一步是使用拷贝相关器组处理接收到的信号，第二步是在拷贝相关器组的输出中搜索存在的LFM脉冲及其到达时刻；同时，拷贝相关器的参考样本根据自适应滤波器测得的CW脉冲频率偏移量进行实时修正。
4.根据权利要求3所述的在长基线异步水声定位系统实现高帧率无模糊定位的方法， 其特征是CW脉冲的检测、时延和频率估计中，对单通道自适应陷波滤波器增设多个陷波通道，分别对应几个LFM脉冲信号的中心频率，构成并行多通道自适应陷波器组。
全文摘要
本发明提供的是一种在长基线异步水声定位系统实现高帧率无模糊定位的方法。在信号发射端，信号形式为组合脉冲串；所述组合脉冲串，交叉使用CW与LFM信号，并且前后脉冲的频率不同，在不降低帧率的条件下减小脉冲间干扰；在信号接收端，对接收到的信号的处理方法为采用并行多通道自适应陷波器组和并行拷贝相关器组分别用于CW脉冲和LFM脉冲的检测、时延和频率估计。组合脉冲串信号形式可将帧率提高到0.1s量级，使定位系统在轨迹测量帧率、定位精度、使用可靠性和便利性等方面较当前国内外的成熟技术有较大改进。相应的信号处理方法，可有效地抑制通道串漏和减小多普勒效应的影响。
文档编号G01S5/20GK102183741SQ20111004748
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者付进, 嵇建飞, 梁国龙, 王燕, 范展, 裘寒青, 郑佼 申请人:哈尔滨工程大学