（水声工程专业论文）被动式水声定位系统浮标实时信号处理算法实现.pdf

哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 a bs t r a c t t h et e c h n i q u eo fp a s s i v ep o s i t i o n i n gh a sa l w a y sb e e nt h ef o c u so fa c o u s t i c r e s e a r c h e r s t h ep a s s i v et r a c k i n gs y s t e mf o ru n d e r w a t e rh i g hs p e e dt a r g e tn e e d s m e a s u r et h et h r e e - d i m e n s i o n a lp o s i t i o no ft h em o v a b l et a r g e t ，w h i c hi st h ef i r s t p a s s i v et r a c k i n gs y s t e mo fo u rc o u n t r y p a s s i v er a n g i n gt e c h n o l o g yn e e d s n o i n f o r m a t i o no ft h et a r g e ts i g n a lf o r m ，w h i c hw o u l di m p r o v en a v a ls h o o t i n gt r i a l e f f i c i e n c yg r e a t l y , a c h i e v i n gt h em i s s i o no fa s s u r et h ew e a p o n t r i a la n ds c i e n t i f i c r e s e a r c ht r i a l t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l ya i ma ta c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n go ft h eb u o yp a r t i a l s y s t e m ，d e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n ga c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n gs o f t w a r ea n d o n - c h i pp e r i p h e r a l sc o n t r o l o nd s p s ，w h i c hm e a s u r ea c o u s t i ci n f o r m a t i o na n d a f f o r dt h en e c e s s a r yp a r a m e t e r sf o rm e a s u r et h et h r e e - d i m e n s i o n a lp o s i t i o no ft h e t a r g e t i nr e a lt i m eo nc o m p u t e av e c t o rs e n s o rc a nm e a s u r es i m u l t a n e o u s l y p r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t yc o - l o c a t i o n ，a n das i n g l ev e c t o rs e n s o rc a ne s t i m a t e t h ed i r e c t i o n o f - a r r i v e ( d o a ) a n a m b i g u o u s l yi nt h ew h o l es p a c e h i g h - p r e c i s i o n a z i m u t ha n g l ee s t i m a t i o ni st h ek e yp o i n to ft h i ss y s t e m ，a n dw eu s er i p em e t h o d o fh i s t o g r a me s t i m a t i o na z i m u t ha n g l e t h em a i no b s t a c l e sf o r t h ep a s s i v e t r a c k i n gs y s t e ma r et h ed o p p l e ra n dm u l t i p a t he f f e c t t h ed o p p l e rc o m p e n s a t i o n i sn e c e s s a r yf o rt h eh i g hs p e e dt a r g e tt r a c k i n g t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e dd o p p l e r c o m p e n s a t i o nm e t h o df o rt h i ss y s t e mt oo b t a i nh i g he s t i m a t i o np r e c i s i o no ft i m e d e l a yd i f f e r e n c e t h ep r i n c i p a lp a r to ft h ea c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ei st w op i e c e so f t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a ，w h i c ha r ec o n n e c t e db ys e r i a lp o r t d s ps o f t w a r ei sr e a l i z e di n a s s e m b l el a n g u a g e t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do ne n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o n ，a n d d e s i g na c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n gp r o g r a mo nt w od s p s w ec o n s i d e rt h ec o m p u t e r a n g eo ft h ep r o g r a m ，q u a n t i z e dp r e c i s i o n ，f a u l t t o l e r a n tc a p a b i l i t yt or e a l i z et h e r e a l - t i m e ，a c t i v eu t i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m t h r o u g hs i m u l a t o rt e s ti nt h e l a b o r a t o r ya n dt r i a l i nt h el a k e ，t h e s i g n a l p r o c e s s i n gs o f t w a r e i sl e n d i n gt ob e 哈尔滨丁羊旱大学硕十学何论文 m a t u r ea n dp e r f e c t l y , w h o s eq u a l i f i c a t i o nm e e t st h es y s t e mr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：p a s s i v ep o s i t i o n i n g ；a c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n g ；h i s t o g r a ma z i m u t h a n g l ee s t i m a t i o n ；d o p p l e rc o m p e n s a t i o n ；t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 日期：磁年占月e 日 哈尔滨- i i 释大学硕十学位论文 宣i ；i i ；i i i i i ；i i i ；i ；鲁；i i i i i ；i i i i i ；i ；i ；i ；i ；i ；宣i ；i i 昌 第1 章绪论 1 1 立题背景和意义 在信息技术已经驱动全面军事变革的二十一世纪，海军水下武器装备， 无论是技术水平还是产品的性能指标都有了新的发展和提高1 ，我国海军自 主研制及引进了众多高新武器装备，随之而来要求水下靶场担负起对于多样 本统计分析的定型试验、生产性的批( 抽) 检试验和从国外引进的装备验收 试验等任务。 靶场的现行水声跟踪系统分为主动式和被动式两大类。主动工作方式要 求被跟踪定位目标加装合作信标，又有同步与非同步的区分，通过目标发射 某种己知信号，例如c w 信号，l f m 信号或者其它形式的编码信号，测量合 作目标的轨迹。目前已有系统投入使用。非合作目标的轨迹测量，对目标发 射信号没有确切的知识。由于水下高速运动目标被动跟踪技术的实现难度很 大，在海军靶场的应用领域，即使从国外己公开的文献或报导中，也未曾见 到有关更为成功的实例或研究。国内外靶场均普遍采用主动工作方式的水下 运动目标测量系统，发展水下高速运动目标被动跟踪系统已经成为目前的首 要任务。并且现有测量系统主要是依靠内测系统，其缺点在于即使目标工作 正常，也只能在运动结束后才能依靠内测系统来分析轨迹，如果目标工作不 正常，就会出现偏离预设运动轨迹的情形，这时由于目标丢失无法回收，无 法获取内测系统的测量结果，因此，外测系统的设计就成为迫切需要。 本文以正在研制开发的水下高速变深运动目标的三维运动轨迹外测系统 为背景，该系统是国内首次开发的被动式高速跟踪系统。被动跟踪方式的靶 场测控技术，无需在目标上加装合作信标，利用目标辐射的宽带连续谱噪声 进行定位跟踪，该项目一旦完成，将填补军事装( 设) 备研制的一项空白。 1 2 矢量水听器 水声中所说的矢量传感器是将一个声压传感器和质点振速传感器安装在 同一个壳体内、能够同时测量声场中某点的声压和质点振速的装置。由于质 点振速是矢量，矢量传感器由此得名。质点振速传感器是矢量传感器的核心 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 和基础，它的性能很大程度上决定了矢量传感器的性能，现在振速传感器技 术得到了飞速发展，高灵敏度、工作频率达2 0 k h z 的振速传感器已经问世。 动圈式阁、压电式i 圳、光纤式例q 7 1 和高分子式嘲9 1 等多种振速传感器技术正在 百花竞放。目前，美国和俄罗斯在矢量传感器研制应用方面处于领先地位。 矢量传感器的分类一般也按照质点振速传感器的分类进行，表1 1 给出了矢 量传感器的各种分类方式和工作原理。 表1 1 矢量传感器分类 分类方式 类别工作原理或特点 同振型 依赖外壳把声场质点的振动耦合到敏感元件上 结构 不动外壳型 声波直接作片j 在敏感元件上 压电式 利用压电效应 电动式 利用电磁感应现象 换能原理磁致伸缩式 利用反磁致伸缩效应 电容式 在卢波作川卜两电极扳的间距发生变化产生电流 光纤式 利用压力一光效应 一维只含一个振速传感器 维数二维 含有两个的振速传感器( 轴正交) 三维含有三个的振速传感器( 轴止交) 用两个互相靠近并留有间距的声压传感器测量出 声压梯度式 声乐梯度，导出质点振速 被测 质点振速式 用振速传感器测量卢场质点振速 物理量 质点加速度式 用加速度计测量质点振动加速度，导出质点振速 质点位移式 用位移传感器测量质点振动位移，导山质点振速 矢量水听器体积小、重量轻、布放方便，适合于声纳浮标的要求。浮标 自噪声较低，其实际性能甚至优于某些舰载声纳系统。单个矢量传感器可以 安装在潜艇上，也可以组成拖曳矢量阵，用于水面舰船、潜艇、水上或水下 无人潜器等。在军事需求的牵引下，矢量传感器信号处理技术在信号检测、 d o a 估计、波束形成等方面都得到了发展。 1 3 被动式水声定位系统简介 本系统由海上浮标分系统、船载显控分系统婀部分组成。浮标分系统负 2 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 责水下目标信号参数的声学测量；显控分系统负责实时解算并显示目标的参 数，监控全系统的工作状态。两分系统之间通过无线电通信链进行数据传输。 ，- - r 一窄一一一一 扩= 冀kl 天线 测控母船! ：县i l 占| j 。i 耐i 、i 显控计算机： 测控设备( 船载) 图1 1 被动式水声定位系统整体结构 1 3 1 浮标分系统构成 海上浮标分系统由五个浮标组成，构成水听器阵。每个浮标完成目标辐 射声信号的接收处理及自身差分g p s 定位。中心浮标有两个阵元，其中一个 为矢量传感器，另一个为标量水听器，其余浮标均只有一个矢量传感器。浮 标采用积木式结构，由天线段、支撑杆、浮体、水下电子舱和水听器及电缆 等构成。天线段部分架设d g p s 天线、无线通信天线和航标灯。电子舱是完 成系统功能的核心部分，分为主电子舱和辅电子舱两部分。主电子舱由水声 信号处理单元、无线通信单元和供电控制单元组成。水声信号处理单元主要 由水声信号处理板组成；无线通信单元由无线电通信控制板、扩频通信电台 和g p s 接收机组成；供电控制单元由电池和电源控制板组成。辅电子舱主要 是由前放电路、压力传感器和方位姿态仪组成。浮标具有抗风浪、抗倾斜能 力。浮标的工作模式由测量船通过无线遥控进行控制。 浮标水听器接收到的声信号首先经前放和五路接收机预处理。前放与 水听器硫化在一起，接收机包括滤波和放大功能。浮标功能结构如下图示： 3 土v立v上 ( 器 丫土；一 标0艮一丌po， 黝 建印- 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 图1 2 浮标功能结构图 浮标分系统的主要功能为： d g p s 对浮标定位，并将浮标位置经无线电通信链送测量母船； 数据高密度采样，存储并事后上传； 对接收的3 路或4 路信号放大、滤波、数字量化； 将数字化信号缓存在r a m 内，r a m 体积不小于6 4 m b ( 8 b i t ) ； 实时测量目标的水平方位0 ，并经无线电传送给测量船； 实时测量单水听器直达声和反射声时延差、双水听器直达声与直达 声时延差； 读取并上传方位姿态仪的数据以便修正目标方位； 与卫星时钟同步； 一个压力传感器给出矢量传感器的深度； 无线电转发所有的测量参数和目标方位数据； 接收测量船的遥控信号，使浮标选择不同的工作模式； 响应自检指令，并向测量船报告工作是否正常。 1 3 2 船载分系统构成 船载分系统由无线电遥控基站及显控计算机构成。无线电遥控基站是被 动水声定位系统的通信楸纽，担负着全系统n 勺指挥调度及信息传送功能。它 4 哈尔滨r 稗大学硕十学位论文 接收来自船载分系统显控计算机的所有指令并把这些指令分发给浮标分系 统，然后把浮标的回复信息打包上传给显控计算机”。此外，无线电通信的 时序控制、链路层协议的转换也都是由基站完成的。由于定位解算的需要， 监测母船必须能够进行自定位，于是基站同时集成了g p s ( g l o b a lp o s i t i o n s y s t e m ) 接收机，具有高精度的定位及授时功能。显控计算机是整个系统的显 示控制中心，显示测量参数并监控全系统的工作状念，负责信息综合、指令 调度、定位解算、轨迹绘制、数据事后处理等各项任务。船载电子系统双机 热备份工作。船载分系统功能结构如下图式： 图1 3 船载分系统功能结构图 船载分系统的主要功能为： 下传试验指挥母船对浮标的控制指令，实现对浮标的监控功能； 无线电船载基站将浮标上传的目标方位信息和浮标位置、姿态方位 等信息，通过串口送至显控计算机，用于实时计算测量参数并显示 目标三维轨迹； 无线电船载基站与显控计算机接口可保证上行数据和下行指令的有 效传输； 事后通过无线电通链信读取浮标存储的水声信号原始数据，并在线 完成目标三维轨迹的精确测量、结果显示和存储； 存储记录各种测量数据； 具有回放功能； 执行本系统所有的船载系统辅助作业软件： 与海指系统联网。 与 哈尔滨t 科人号：硕十学位论文 1 4 工作任务与论文结构 本论文的研究内容主要是浮标分系统中水声信号处理单元的设计实现， 因浮标系统是一低功耗系统，选择硬件开发平台为t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ，d s p 软件使用汇编语言编写，在c c s 开发环境下调试并下载板子上运行，实现实 时信号处理算法，为目标三维轨迹定位解算提供必要参数及原始数据，工作 内容旨在使用经典简单的水声信号处理算法达到工程上的实际应用。 论文结构安排如下： 第一章：介绍论文的立题背景和工作来源，简介被动式水声定位系统功 能及各分系统的构成，并阐述了论文的主要工作内容和论文结构； 第二章：针对水声信号处理单元的关键技术：目标方位估计、多普勒补 偿时延差估计进行详细分析，并介绍水声信号处理单元总体程序设计的几个 方面； 第三章：声学d s p l 程序设计，主要包括：d s p l 数据处理流程，数据传 送模块、背景噪声功率估计模块、尖脉冲检测与原始数据锁存模块及程序的 中断处理： 第四章：声学d s p 2 程序设计，主要包括：d s p 2 数据处理流程，时延差 估计模块，方位估计模块、深度信息采集、原始数据读取回传； 第五章：给出实验室联调及湖试结果，根据实验结果检测整个软件的实 用性和可靠性，并对整套系统进行性能测试。 6 哈尔滨r r 稃大学硕十学何论文 第2 章水声信号处理单元 水声信号处理单元是实时对高速运动目标实现三维被动定位的关键。水 声信号处理单元主要功能： 1 ) 实时计算纯方位被动定位、双水听器定位及双曲面交汇定位所需要的 测量值：目标方位、直达声与反射声时延差、双水听器直达声与直达声时延 差等； 2 ) 采集所有原始数据：，各传感器接收的波形，同步的d g p s 数据，方位 姿态仪数据，传感器所在深度数据。 本章将从水声信号处理单元关键技术的基本理论及总体程序设计两方面 进行系统阐述。 2 1 接收信噪比估计 由于本系统为被动式定位系统，信号即为目标运动辐射宽带噪声，根据 系统需要首先估算1 5 k i n 处接收信噪比，根据被动声纳方型1 2 1 ： s l 一见一( n l d i ) d t ( 2 1 ) 目标声源级： s l = 1 5 0 d b ( 1 k h z ，1 h z ，r e ：l p a ) 传播损失：t l = 2 0 1 0 9 ( 1 5 ) + 6 0 = 6 3 5 d b 三级海况海洋环境噪声级 n l = 6 3 d b ( 1 k h z ，1 h z ) 则水听器的声压接收信噪比为： s n = s l - t l - n l = 1 5 0 6 3 5 6 3 = 2 3 5 d b 由于振速传感器有偶极子指向性，在二维各向同性噪声场中有3 d b 的空 间增益，则振速接收信噪比约为2 3 5 + 3 = 2 6 5 d b ，接收信噪比在3 0 d b 左右， 此时本系统可保证较高的跟踪定位能力。 2 2 矢量水听器目标方位估计原理 矢量传感器可同时共点地获取声压和振速信息，具备与频率无关的指向 性，具有相当可观的指向性增益，并且单矢量传感器就即可对目标进行全空 f n j 无模糊定向，矢量传感器对符向同性噪声干扰具有 醍! c i 的抑制能力，这一 7 哈尔滨厂稗大学硕十学位论文 特性使矢量传感器在弱信号检测领域有着传统声压水听器无法比拟的优越 性。由于矢量传感器具有以上这些优点，其研究与应用越来越受到重视，且 我课题组在这方面做了大量深入的工作，这方面技术已经成熟，故本系统使 用单矢量水听器直方图方位估计的方法估计目标方位3 1 4 1 ，五个矢量水听器 分别测得一组目标方位值，经由通信链传至船载系统进行数据融合判断。本 论文仅对浮标内部的单矢量水听器目标方位估计原理加以介绍。 2 2 1 平均声强器 2 2 1 1 平均声强器处理增益 对有限尺度的声源的辐射声场，称之为相干源信号，声压和振速是完全 相关的；而对于各向同性噪声场，称之为非相干信号，它的声压与振速是不 相关的。这是声压与振速联合信号处理抗干扰的基础5 1 。 声压p ( f ) 、振速 ，( f ) 、v y ( f ) 、声强流为：i ，= p v ，、i ，；p v ，、，。一p v 。、 i ，= p v ，简称平均声强( 流) 。平均声强流是矢量，声强度是标量。 对于平面波、球面波远场、信道中心的远程，声学欧姆定理有效，且声 阻抗为实数，此时有： p ( f ) = 石o ) + 咒。( f ) y ，0 ) = x ( t ) c o s o + 玎。o ) ( 2 2 ) y ，p ) = x ( t ) s i n p + 胛。o ) 上式中，波阻抗常数为1 ( 只要合理定义灵敏度) ，在矢量信号预处理模 块中进行灵敏度补偿时，可以保证该常数为1 。x ( t ) 为目标信号，n 。o ) 为非 相干( 各向同性) 干扰。目标信号是相干的，即是从某个方向传来的，目标 方位为口。海浪分布在无限的海面上，所以海洋动力噪声是各向同性的、非 相干的。各向同性干扰场振速及声强度的期望为零，而目标信号的期望不为 零，这是平均声强器抗干扰的物理基础。 ，= p ( t ) v ，( t ) = x 2 ( t ) c o s o + 干扰小量 ，2p ( f 少y ( f ) = z2 ( f ) s i n 臼+ 干扰小量 ( 7 3 ) ，。；p ( t ) v ，( t ) = x 2 ( t ) c o s ( e 一驴) + 干扰小量 ，= p ( t ) v ，( ，) = x2 ( t ) s i n ( o 一驴) + 干扰小量 r 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 后两式中，妒为引导角，当9 一p 时，即对准了目标方位。由于声压、振 速中，l i p ( f ) 、t l v x o ) 、n v y ( f ) 及z o ) 相互独立，所以交叉相乘平均以后为小量， 可以忽略不计。平均积分时间越长，带宽越大，抗干扰能力越强。 推导可知，对于二维矢量水听器，平均声强器的输出为直流分量，增益 为： g = 5 1 9 ( b t ) + 3( d b ) ( 2 - 4 ) 其中，b 为处理带宽、丁为积分时间长度。3 d b 是振速指向性最大增益。 在不同输入信噪比( 声压信号和声压噪声的功率比) 的情况下对平均声 强器的处理增益进行了计算机仿真，仿真条件为：信号和噪声均为零均值高 斯白噪声，处理带宽1 0 0 h z ，数据长度1 秒，目标方位为零度，即在x 轴振 速的正向，输入信噪比从1 5 1 5 d b ，间隔l d b ，输出信噪比是1 0 0 次测量的 统计结果。仿真结果示于图2 1 ，图中横轴为输入信噪比( d b ) ，纵轴为输出 信噪比( d b ) ，可见曲线基本为一直线，输出信噪比较输入信噪比大1 3 d b 左 右，即处理增益约为1 3 d b ，这与根据( 2 4 ) 式计算的理论结果1 3 d b 非常吻 合。 翕 巴 基 群 璺坚 羽 潦 少 + 仿真结景i_ 。矿? 理诧值l 7 y 矽 - z 。 旷 ：。梦严 图2 1 平均声强器输入与输出信噪比关系 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 2 1 2 平均声强器方位估计 根据( 2 3 ) 式很容易得到平均声强器方位计算公式为： 0 = t a n j i x ) ( 2 5 ) 上式是时域平均声强器方位估计的公式，频域平均声强器方位计算的公 式为： o = t a n 。( 1 y ( f ) l x ( f ) ) ( 2 6 ) 平均声强器方位估计仿真框图如下： ( a ) 时域( b ) 频域 图2 2 平均声强器方位估计框图 矢量水听器输出模型就是指声压、振速之间有式( 2 2 ) 所表示的关系， 时域平均声强器方位估计是将声压振速相乘之后求积分再根据公式计算方 位，频域平均声强器方位估计是先求声压振速的互谱，将互谱积分之后用实 部( 仿真中假设声压振速没有相位差，所以取实部) 计算方位。 按照图2 2 所示方法进行了平均声强器方位估计计算机仿真，仿真时目 标方位4 5 0 ，其它条件同图2 1 的仿真条件，结果如图2 3 所示，从图中可以 看出，在高信噪比条件下，平均声强器有很好的方位估计性能，在所给仿真 条件下当信噪比大于5 d b 时都能较准确估计目标方位。文献f 1 6 付旨出在高信 噪比下平均声强器方位估计能够达到c r l b 界，是最大似然估计，而低信噪 比情况下是有偏估计，所以才会出现图2 3 所示的结果。 1 0 哈尔滨：稗大学硕十学俯论文 ( a ) 时域( b ) 频域 图2 3 不同信噪比时平均声强器方位估计 2 2 2 直方图方位估计 直方图方位估计是一种统计的方法”7 1 ，是在声压、振速共轭互谱的基础 上对每一个频点进行方位估计，然后对所有频点的方位估计值进行直方图统 计得到某一时刻的方位估计曲线，曲线最大值对应的方位即为目标方位估计 值。该方法的原理框图示于图2 4 ，图中，单矢量水听器输出声压和振速信号 p 、v ，、y ，经共轭互谱运算可以得到声强流谱，( ，) 和，( 厂) 。 p ij i ：柿 ( ) 方 l i f 彳：d 丘 斗 位 方 单矢 ，i 且旧 计 每传 k 算 秒( 力 直 位 感器 o ( f ) 方 显 模型 叫茎墨陋 图 _ 乡 l j f i ：啦 7 统 不 ，1 ：l - 日 计 图2 4 直方图方位估计法原理图 为了做方位直方图统计，需要对每个频点进行方位估计，方位计算的表 达式为： e ( f ) = a t a n ( 1 ，( f ) t ，( 厂) ) ( 2 - 7 ) 由( 2 7 ) 式估算出的方位与频率厂有关，不同频点处的方位估计值不一 定一样。宽带信号中如果存在周卅r l ：的强干扰，或存在多目标的情况下，平 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 均声强器无法得到目标的真实方位，只能测得合成声强流的方位，而且方位 估计结果会偏向强度大的干扰( 或强目标) 方位。而用直方图统计的方法在 单目标时可以将线谱或窄带强干扰抑制，在多目标中含线谱信号时可以区分 多目标。直方图统计主要是进行各频点的方位估计值统计，如果以1 。作为 统计间隔，则可以表示为： k _ 【口( 厂) 水1 8 0 n ? 】 ( 2 8 ) 驴( 七) = 驴( 七) + 1 ( 2 - 9 ) ( 2 8 ) 式中：【】表示取整运算，某个频点厂的方位估计值口( 厂) 转换为角 度后取整得到k 。妒是一个数组，用于存放一次方位估计中所有的k 落在卜1 8 0 0 1 8 0 0 】中各个角度的频数，初始化时该数组为零，每得到一个k 后，数组中对 应角度的频数值驴( k ) 加1 。最后统计结果即为方位估计结果。 2 2 3 矢量水听器的灵敏度与相位特性 静止均匀理想介质中的谐和声场，其质点振速审、质点位移i 、质点加 速度云及声压梯度即方向相同，且幅度及相位有确切的关系，如下式 j 【= 一歹二，a = j w v ，v p = 一j n p v ( 2 1 0 ) 上式中为角频率，p 为介质密度。对于声压梯度水听器，灵敏度习惯 上用平面波声压灵敏度来表示。目前普遍采用标准声压水听器来校准声压梯 度水听器的灵敏度。则由式( 2 1 0 ) ，声压梯度水听器的声压灵敏度( m 。) 、 声压梯度灵敏度( m g ) 、加速度灵敏度( m 。) 、位移灵敏度( m ，) 以及质 点振速灵敏度( m 。) 之间存在以下关系： m p ；竺m p ；三m ，。旦m 。：j l m ， ( 2 1 1 ) c p cp c w p c 声压是标量，声压水听器无指向性( 圆指向性) ，如图2 6 中图”引a 。声压 梯度水听器的指向性图可以通过保持发射换能器的位置和发射功率不变，然 后机械旋转声压梯度水听器，由电平记录仪获得，如图2 6 中图b 。 1 2 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 灵 罄 篷 物军 图2 5 不同声压梯度水听器的灵敏度 a 声压传感器圆形指向性b 矢量水听器偶极子指向性 图2 6 单水听器指向性 由式( 2 1 0 ) 可见，不同声压梯度水听器的输出与声压之间很可能存在 9 0 。相位差，二者是正交信号，在某些信号处理算法前，如基于声能流的算 法，须补偿该9 0 。相位差。 2 2 4 高精度测向技术的关键问题 提高矢量传感器的测向精度是保证轨迹测量精度的关键问题，为了达到 较高的测向精度，需要考虑问题与采取方法主要有以下几个方面： 1 矢量信号预处理：同一个矢量传感器的声压和振速灵敏度是不同的， 并且振速灵敏度随频率而变化。声压与振速相位差有频率特性，均 应予以补偿1 9 1 ； 2 采川平均周期图加权互谱算法，通过滑动窗叠力f i 滑动来平均测得的 方位序列； 13 哈尔滨t 种大学硕十学伊论文 3 从矢量传感器指向性、灵敏度频率特性、声压与振速相位差变化特 性几方面，严格选取矢量传感器； 4 由于工程应用会产生工程误差，要尽量消除矢量测向的工程误差； 5 使用高精度的方位姿态仪。矢量传感器测得的目标方位必须转换到 真方位( 大地坐标中的方位) ，将方位姿态仪与矢量传感器封装一体， 以便修正目标方位。 2 3 多普勒补偿时延差估计 声呐载体和目标作相对运动时，接收点的信号波形与辐射波形相比较在 时间上将被压缩或拉伸，前者对应于互相靠近时，后者对应于互相远离时， 这一现象就称为多普勒现象。 水下高速运动目标被动跟踪的难点是高速运动引起的多普勒效应和水声 信道产生的多途效应。多普勒效应使得信号发生了尺度扩展从而相关性减弱， 增大了时延差的测量误差，并且多途效应的影响也不可忽略，需要对高速运 动目标在水中多途条件下的多普勒变化规律进行分析。 2 3 1 理想条件下的多普勒变化模型 假设水中等声速分布为c ，不受介质影响( c 是常数) 。我们假设 尸o 。) ) 是目标运动轨迹，接收水听器为凰。 图2 7 目标运动及传播时间示意图 如果s ( t 。) 是目标辐射信号，那么在飓接收到的信号为 s i o 。+ t p i o 。) ) ；a j s 0 。) + f ( 2 - 1 2 ) 其中，t 。表示信号发生时刻，f ，( t 。) 为信号传播1 对i h j ，即信号s ( t ) 在f 。时 1 4 哈尔滨【：科人学硕十学位论文 刻从目标传播到水听器玩被接收的时间差。系数口j 用来表示在信道中信号衰 减幅度。噪声m 是独立的高斯白噪声。 因为目标在运动，信号传播时间t ，取决于t ，并且 f 脚( r e ) ：h i p ( t , ) ( 2 1 3 ) c 2 3 1 1 多普勒系数差 假设s ( f ) 是平稳信号，通常接收信号s ，o ) 也是非平稳的。为了测量水听 器以和h ，之间的时延差，可以认为在积分时间内，近似为常量。因此， 在相关时间内的波动必须很小，这与c g t ( t ) o t 有关。 不妨设t ( f ) 是从h 。指向目标位置p ( f ) 的单位方向矢量，并且 h 。p o ) = c t o ) 是相应的距离。 p h i h i 、飞：小飞斗 、 t f = 叭 t f、 、 、 i f l = o i 一一f 图2 8 动目标信号收发的时间轴示意图 由于水听器固定，因此o h ，p ( t ) o tzv ( t ) 是目标速度矢量。 标运动的加速度矢量川。这样 一a r o ( t ) 。盟( 硼一酏) ) o tc 、 设f ( t ) 是目 ( 2 1 4 ) 因此，t 时刻在h ；点的一阶多普勒系数为 d io ) ；掣。塑型 ( 2 - 1 5 ) 其中，y ( f ) = 忙( f ) i i 。可见一阶多普勒系数反映了目标运动的速度信息。 2 3 1 2 t p i ( f 。) 的一阶t a y l o r 级数展开 令q ，( t ) 表示发射时间到接收时i n 】l ，l 勺时间轴变换函数，则收到f 。时刻发射 哈尔滨f 样大学硕十号：位论文 信号的时刻f 一为1 f ，f o 。) ；f 。+ h i p ( t e ) ；f 。+ f ，j o 。) ：q f o 。) ( 2 1 6 ) 则由t p i o 。) 的一阶t a y l o r 级数展歼可以得到 g l o 。+ f 。) ：f 。+ f 。+ h i p ( t e ) + d o 。) a t 。 = t n o 。) + a t ，f ( f 。) 将( 2 1 6 ) 式代入上式可以得到 a t “0 。) = ( 1 + d j 0 。) ) f 。 ( 2 1 7 ) 对于一“+ f 且f 一0 ，有 q f l o f ) = c + l + d 二i ( t e ) ( 2 - 1 8 ) 水听器h 。接收到的信号，相对发射信号s ( t 。) 有一个延迟f ，( f 。) ，并且压 缩或扩展了多普勒系数q p 。) 倍。 嘉o ) ；型f ( 2 - 1 9 ) 岛 2 雨耢 通常，可以认为声源的速度相对声速c 很小，可以忽略， 1 1 七d i ( t 。) 和 d ( f 。) 都是比1 小很多的数，皇，( f ) 可以近似为 岛o ) 一( 1 + d ( f 。) 一d ， 。) ) f = ( 1 + d o o 。) ) f ( 2 2 0 ) 其中，d 一( f 。) 是水听器h ，和。的一阶多普勒系数差。这样，水听器h j 的接收信号s ：可以从水听器h 的接收信号s ：中，用下面的线性关系导出 s j ( f ) 一s f ( ( 1 + d o o 。) y ) ( 2 2 1 ) 2 3 2 多途条件下的多普勒变化模型 对水下目标进行被动定位，多普勒效应和多途现象是必须解决的主要问 题。由于海面、海底界面和声速分布的不均匀性，水下声场不再是无边界自 由场，各条声线由于传播路径的不同而产生不同的多普勒频移瞄1 。 如果发射信号为s ( f ) ，声场中有l 条声线，则对于运动目标，t 时刻的接 收信号具有以下形式： s ，( f ) 2 苇口，s o e f 川+ i 南) ( 2 - 2 2 ) 其中，口，为第，条声线的幅度衰减肇，t 为第，条声线的传播延迟，d ( ) 哈尔滨t 秤大学硕+ 学何论文 为第z 条声线的一阶多普勒系数。 如果以直达声为标准，则根据式( 2 2 1 ) ，得到同时刻发射信号的第，条 声线与其直达声接收信号的关系为 s f ( t ) = s i ( ( 1 + d u o 。) ) f ) ( 2 2 3 ) 其中，d “o 。) = d t o 。) 一d ，( f 。) 是第z 条声线与直达声信号的一阶多普勒系 数差。s 疋) 和s ：o ) 分别为在各自声线的相对时间轴上的接收信号，它们的到 达时刻相差o 一一t ，。) 。 式( 2 2 3 ) 给出了运动目标辐射声源发射信号通过多途信道后，在接收 点多途声线的多普勒变化规律。由于目标运动，因此多普勒系数( 差) 都是 时变的。由于多途信道的空间几何结构，使得多途信号传播时延不同，就造 成各条声线间不同的多普勒变换规律。 2 3 3 多普勒补偿 由于目标在水下运动，因此接收器接收信号的时延差和多普勒系数差都 是时变的，如果近似认为在某一时刻内多普勒系数的变化量可以忽略不计。 由( 2 2 1 ) 式可以看到，如果信号i 的采样率为声，那么信号j 的采样 率扣j 满足下面关系俐嘲 f s f f s f ( 1 + d f f ( t 。) ) ( 2 2 4 ) 从多普勒信号采样率之间的关系可以看出，如果在积分时间内一阶多普 勒系数不变或者可以近似看成常数，那么一阶多普勒补偿可以等价于采样率 转换或重新采样。在积分时间内，采样率转换的倍数是常数。 a 。： 见： 图2 9 插值示意图 在多途环境中，接收信号的自相关可以获得多途声线之i n j 的时延差，这 些时延差信息包含了声源在水中的几似位置信息，下面给出一阶多普勒补偿 l7 1li三归 r!； 哈尔滨r 稃人学硕十学位论文 的自相关算法流程。 圃囤二圈，囤 l 乜型 田匡 图2 1 0 一阶多普勒补偿的自相关算法 当接收器为分布式接收器时，互相关可以求得两个分布式接收器的时延 差，n - i 以用来对目标定位。下面给出互相关的多普勒补偿算法。 图2 1 1 一阶多普勒补偿的互相关算法 2 4 水声信号处理单元程序设计 由于多普勒补偿，对声压信号p 变采样率获得另两路不同频率的声压信 号，6 路水声信号经过条件处理( 放大、滤波及隔离) ，经a d c 采样送入f p g a 。 4 路原始数据存入s d r a m ，6 路水声信号降采样后通过e m i f 接口把数据传 输给d s p l ，d s p l 做完相应的信号处理通过m c b s p 串口将数据及必要参数 传输给d s p 2 ，d s p 2 进一步运算，把运算结果连同压力传感器、方位姿态仪 数据一起打包通过串口送往浮标通信d s p 3 。水声信号处理单元框图如下图 示： 1 8 团 哈尔滨1 稗火学硕十学位论文 图2 1 2 水声信号处理单元框图 水声信号处理器子系统由高精度a d c ( 2 4 b i t ) 、两片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 和6 4 m b 的r a m 构成。t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 是1 6 位定点信号处理器，具有极 高的处理能力( 每片：2 0 0 m i p s ) 和极低的功耗瞄1 。浮标柿放在海面上，必 须采用电池供电。 水声信号处理单元的主体是两片t m s 3 2 0 c 5 5 0 9 a ，串口方式连接，d s p 软件使用汇编语言编写。两片d s p 均采用模块化方法设计，按照每片d s p 要完成的功能把整个程序划分成多个不同的功能模块，每一个模块完成一个 独立的功能。各个模块之间的状态是通过1 6 b i t 标志单元的值来进行传递。主 程序通过查询标志单元的b i t 位来调用相应的子程序模块从而将这些功能模 块有机地结合起来。每片d s p 程序均分成三大部分：主程序、中断处理部分 以及独立的功能子程序模块。 中断处理部分的程序模块在接收到一定格式的数据之后根据命令类型将 标志单元的某个b i t 位置1 ，主程序通过查询标志单元的b i t 位来确定调用哪 些子程序模块以及确定它们的优先级，在完成相应处理之后，相应的b i t 位被 复位，如下图所示： 1 9 哈尔滨t 秤大学硕十学忙论文 状态复位 功 中 j 主 查询状态 能 断 处 程子 理 调用模块 模 模状态置位 序 块 块 图2 1 3d s p 程序工作方式示意图 2 4 1 系统数据接口 声学d s p l 与声学d s p 2 、通信板d s p 3 之间的通信采用串口通信模式， 数据通过d m a 传输。根据通信协议，数据采用定长模式传输，传输数据不 同格式有所不同。系统数据接口如下图示： 厂 p m 即彗遂一p 2 接屿f d m a l 发选一d m a 2 接l | 5 厂 d s p 3m c b s p ld s p 2m c b s p 2d s p l l 6 m a o 接收d m a o 发送l 唔m a 3 接收d m a o 发送l l 图2 1 4 系统数据接口 2 4 2 系统上下行指令流程 本系统中浮标一旦上电，系统进入工作状态，浮标系统实时计算并通过 无线电通信链上传至船载显控计算机，随时可接收并根据船载下行指令执行 相应操作，具体上下行指令流程如下图示： 2 0 哈尔滨1 ：群人学硕+ 学位论文 一- - _ - _ _ - 一- - _ - 一_ 一- d s p 2 ： 否 是i i ：。i i 嘉：i 窗；窗 宙叵_ i x 专d s p 2 图2 1 5 系统上下行指令流程图 2 4 3 声学板自检 自检功能用于随时监控系统中各主要部件是否工作正常。船载显控计算 机下传自检命令，如在设置的超时时间内没有回复，认为自检失败，将标志 位清零。声学板自检是系统自检的一部分，当声学板接收到自检命令后，将 声学d s p l 计算的背景噪声功率及d s p 2 读取方位姿态仪、压力传感器数据 根据协议打包上传至船载计算机，通过显示数据判断声学板是否工作正常。 在浮标布放前进行功能性测试，保证布防前无故障；浮标布防后再进行自检， 确认其是否正常工作。 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 2 5 本章小结 本章主要介绍了此系统中实时计算声学参数的单元水声信号处理单 元，由于此系统为被动式定位系统，信号即为目标运动辐射宽带噪声，所以 首先估计了系统的接收信噪比，以确保系统测量声学参数