技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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]THOMSON 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]KOZICK R J，SADLER B M.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。
[0004] 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
[0005] 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.
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] 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；
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。P0为CW脉冲，P1、P2、…PN均为窄带LFM脉冲。利用脉冲P0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P1、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0.1s量级。
[0011] 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。
[0012] 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果。
附图说明
[0013] 图1为浮标阵异步水声定位系统工作态势图；
[0014] 图2为浮标阵异步水声定位系统测量阵构成图；
[0015] 图3为组合脉冲串的几种可选序列结构；
[0017] 图5为并行多通道自适应陷波器组；
[0018] 图6为并行拷贝相关器组。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图和具体
实施例对本文作进一步具体说明：
[0020] 1.定位系统的构成
[0021] 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3km×3km×300m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。
[0022] 2.信号波形：组合脉冲串
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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＝0，1，…，6)为脉冲类型序号.P0为CW脉冲，P1、P2、…P6均为窄带LFM脉冲。利用脉冲P0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P1、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。
[0026] 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。
[0028] 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。
[0029] (1)CW脉冲的检测、时延和频率估计
[0030] 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P0进行检测和参数估计。但LFM脉冲信号P1、P2、…P6虽与P0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。
[0031] 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：
[0032] i＝0，2，...N. (1)
[0033] 式中：频率ωi为脉冲信号Pi的中心频率。
[0034] 各个通道的滤波输出累加后，与期望信号求差得到残差，用来调整各个正交权。
[0036] usi(k+1)＝usi(k)+με(k)sin(ωik) (2)
[0037] uci(k+1)＝uci(k)+με(k)cos(ωik) (3)
[0038]
[0039] yi(k)＝usi(k)sin(ωik)+uci(k)cos(ωik) (5)
[0040] 其中：usi(k)和uci(k)为正交权，μ为步长，ε(k)为残差，d(k)为期望输出，yi(k)为实际输出。CW信号的包络和频率可在自适应滤波器达到稳态后利用权值计算得到：
[0041]
[0042]
[0043] (2)LFM脉冲的检测和时延估计
[0044] 采用并行拷贝相关器组用于多通道LFM脉冲的检测和时延估计。通常拷贝相关器以发射信号的样本作为参考信号。而水听器接收到的信号除加性白噪声外，往往还存在多普勒、多途等干扰，难以实现参考信号与
输入信号的真正匹配。此外，CW脉冲信号还可能串漏到邻近频带，使相应频带内的LFM信号检测出现虚警。针对上述问题，在拷贝相关器设计中分别采取了应对措施。
[0045] 多普勒效应会使拷贝相关输出的峰值位置产生偏移，峰值降低，进而影响检测性能和测时精度。所以在信号波形设计上，除测时精度较高的LFM信号外，还增加了CW脉冲P0。它不仅可作为测时脉冲，其频率还可给出多普勒频偏的大小，作为
修改拷贝相关器参考信号频率的依据，使参考信号和接收信号具有相同的多普勒频偏。这不仅可提高测时精度，还有助于改善相关处理效果。
[0046] 相对于水面来说，水底介质往往有更大的声吸收，同时浮标距水面较近，其它途径的反射声影响较小，所以水面一次反射是最主要的多途干扰，其它反射声可暂不考虑。一般水面反射系数接近于-1，所以水面反射声的拷贝相关峰值是负的，而直达声的拷贝相关峰值是正的，因而在峰选时只要挑选正的最大峰，对应的信号就应该是直达声脉冲，从而可以有效剔除反射声干扰。
[0047] 为减小CW脉冲对LFM信号检测的影响，在并行拷贝相关器组中增加了CW脉冲的相关器通道(拷贝相关器0)。各路相关器输出在峰选后进行峰值比较，若峰值最大的通道是拷贝相关器0，则为串漏；若峰值最大的是其它通道并且峰值高于相关峰检测
门限，则判定该脉冲有效，记录脉冲类型和时延。
[0048] 并行拷贝相关器组如图6所示。
