這項(xiàng)工作介紹了USBL聲學(xué)定位系統(tǒng)在海上的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。從移動(dòng)平臺(tái)發(fā)出的精心選擇的聲信號(hào)被水聽器陣列接收，并基于匹配的濾波器進(jìn)行檢測(cè)。這樣就有可能確定到達(dá)時(shí)間(TOA)和估計(jì)發(fā)射極的位置。系統(tǒng)的性能依賴于對(duì)可能被加性噪聲和多徑現(xiàn)象破壞的期望信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)和準(zhǔn)確的TOA估計(jì)。將經(jīng)典聲學(xué)純音脈沖與寬帶編碼擴(kuò)頻信號(hào)(SS)進(jìn)行了比較，提高了TOA分辨率，增強(qiáng)了多徑和噪聲抑制能力。

使用USBL近距離水聽器陣列接收SS信號(hào)需要先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，只能使用數(shù)字信號(hào)處理器。因此，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)必須依靠實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，以提高性能和通用性。基于離散傅里葉變換(DFT)及其特性，研究了數(shù)字匹配濾波器的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的總體性能是基于一系列海上測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證的。

1.簡(jiǎn)介

聲學(xué)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是跟蹤水下航行器或平臺(tái)的演變。這些系統(tǒng)依賴于測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)發(fā)出的聲信號(hào)到達(dá)一組位置已知的接收器的時(shí)間。從TOA測(cè)量可以得到方位和/或距離，從而得到目標(biāo)的位置。水聲定位系統(tǒng)通常用于各種水下應(yīng)用，包括石油和天然氣勘探、海洋科學(xué)、打撈作業(yè)、海洋考古、執(zhí)法和軍事活動(dòng)。聲波定位系統(tǒng)可以達(dá)到幾厘米到幾十米的精度，可以在幾十米到幾十公里的操作距離內(nèi)使用。性能在很大程度上取決于定位系統(tǒng)的類型和型號(hào)、針對(duì)特定應(yīng)用的配置以及工作現(xiàn)場(chǎng)水聲環(huán)境的特征

1.1定位系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

水聲定位系統(tǒng)的經(jīng)典方法將在本節(jié)中介紹，如[17]所示。聲學(xué)基線之間的距離(即有源傳感元件之間的距離)通常用來定義聲學(xué)定位系統(tǒng)。因此有三種主要類型:短基線(SBL)、超短基線(USBL)和長(zhǎng)基線(LBL)。

1.1.1短基線

在一種SBL系統(tǒng)中，至少三個(gè)接收器，大約相隔20至50米，安裝在一艘水面艦艇的船體上。從聲信號(hào)的檢測(cè)和不同接收器的相對(duì)TOA測(cè)量，計(jì)算出一個(gè)方位。如果使用了飛行時(shí)間詢問技術(shù)(換能器應(yīng)答器)，則還可以從SBL系統(tǒng)獲得到發(fā)射極的距離，從而可以得出位置。SBL系統(tǒng)提供的任何距離和方位都與安裝在船上的接收器有關(guān)，因此，SBL系統(tǒng)需要額外的工具，如垂直參考單元(VRU)、陀螺儀和水面導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)，以便在地球參考系統(tǒng)上提供位置。

1.1.2超短基線

類似于SBL，但這里的接收器間距很近(間隔小于50cm)。USBL接收器的近間距要求TOA估計(jì)的精度更高。通過這種方式，USBL系統(tǒng)依賴于接收器之間聲信號(hào)的相位差或相位比較，而不是相對(duì)到達(dá)時(shí)間的測(cè)量。

像在SBL系統(tǒng)中一樣，飛行時(shí)間詢問技術(shù)可以用來實(shí)現(xiàn)到發(fā)射器的距離。此外，USBL系統(tǒng)導(dǎo)出的位置是相對(duì)于安裝在船上的接收器而言的，因此需要VRU、陀螺儀和GPS提供地球參考位置。

短基線(SBL)和超排序基線(USBL)定位系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是:

基于船舶的系統(tǒng)(不需要在海底部署應(yīng)答器)。
較低的系統(tǒng)復(fù)雜度使得SBL和USBL相對(duì)容易使用。
良好的射程精度與飛行時(shí)間系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是:
需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)校準(zhǔn)。
絕對(duì)定位精度取決于附加的傳感器(VRU和陀螺儀)。
在SBL系統(tǒng)的情況下，大基線(>40m)需要在深水精度。

1.1.3Long基線

部署了一個(gè)海底應(yīng)答器網(wǎng)絡(luò)，其基線長(zhǎng)達(dá)十公里。然后必須精確測(cè)量基線應(yīng)答器的相對(duì)位置或全局坐標(biāo)位置。至少需要三個(gè)應(yīng)答器，但為了引入冗余可能會(huì)使用更多。通過測(cè)量應(yīng)答器和被跟蹤車輛之間的移動(dòng)時(shí)間，使用三角測(cè)量技術(shù)計(jì)算位置。每個(gè)應(yīng)答器以不同的頻率應(yīng)答，從而使它們的信號(hào)彼此區(qū)分開來。從LBL系統(tǒng)得到的位置是相對(duì)或絕對(duì)海底坐標(biāo)，不像SBL和USBL，不需要額外的組件。

長(zhǎng)基線系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是:

非常好的位置精度獨(dú)立于水深。
大面積相對(duì)精度高。而這種系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是:
系統(tǒng)復(fù)雜度高
需要在每次部署時(shí)進(jìn)行全面校準(zhǔn)。
部署/恢復(fù)所消耗的操作時(shí)間。

2、信號(hào)處理與定位

在本節(jié)中，對(duì)水下定位系統(tǒng)可能使用的兩種聲音信號(hào)進(jìn)行了比較:傳統(tǒng)的正弦聲脈沖信號(hào);和擴(kuò)頻信號(hào)。研究了信號(hào)檢測(cè)和到達(dá)時(shí)間估計(jì)問題，提出了一種基于匹配濾波器的解決方案。給出了一種在參考坐標(biāo)系中估計(jì)應(yīng)答器位置的封閉方法。利用聲波的平面近似求出應(yīng)答器的距離和方向。

2.1信號(hào)檢測(cè)與TOA估計(jì)

定位系統(tǒng)接收器有兩個(gè)主要功能。首先，它必須檢測(cè)水中是否存在預(yù)期的信號(hào);如果是這樣，它必須估計(jì)信號(hào)的TOA。發(fā)射器的方向和距離是通過對(duì)不同水聽器的TOA測(cè)量來計(jì)算的，因此系統(tǒng)需要對(duì)可能被附加噪聲破壞的已知信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)和TOA估計(jì)。

從信噪比(SNR)的角度來看，可以通過設(shè)計(jì)匹配濾波器來獲得檢測(cè)問題的最優(yōu)解，該濾波器由一個(gè)線性系統(tǒng)組成，其脈沖響應(yīng)是預(yù)期信號(hào)的時(shí)間反轉(zhuǎn)副本。濾波響應(yīng)是采集信號(hào)與期望信號(hào)之間的相關(guān)性。到達(dá)時(shí)間對(duì)應(yīng)于匹配濾波器輸出的峰值。

對(duì)于TOA問題，我們可以量化估計(jì)的不確定性。TOA估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差由[2]給出:

其中BW是信號(hào)帶寬的度量，為匹配濾波輸出時(shí)的信噪比，其中n0為輸入噪聲級(jí)，E為信號(hào)能量。從式1中我們可以看出，有兩種方法可以減少TOA估計(jì)方差，從而提高系統(tǒng)的可重復(fù)性:增加信噪比;或者增加信號(hào)的帶寬。

用于水下定位的經(jīng)典信號(hào)是窄帶音突發(fā)，主要是因?yàn)閭鬏敽徒邮招盘?hào)所需的電路簡(jiǎn)單。讓我們看看如何減少這個(gè)特定信號(hào)的TOA估計(jì)方差。為了增加信噪比，我們必須增加所接收脈沖e的能量。對(duì)于正弦信號(hào)，能量與振幅和長(zhǎng)度成正比。信號(hào)幅值受發(fā)射機(jī)功率的限制，因此通過發(fā)送更長(zhǎng)的ping信號(hào)來實(shí)現(xiàn)更好的信噪比。

對(duì)于同一類型的信號(hào)，帶寬由其中T為脈沖長(zhǎng)度，因此，為了減小TOA估計(jì)方差，信號(hào)持續(xù)時(shí)間必須減小。由(1)和(3)，且為E∝T，可得TOA估計(jì)為式(4)表示矛盾。當(dāng)不可能進(jìn)一步增加發(fā)射機(jī)功率時(shí)，必須延長(zhǎng)信號(hào)以增加信噪比。這為檢測(cè)提供了更大的能量，但也會(huì)增加TOA估計(jì)的方差，這是不可取的。另一方面，為了達(dá)到最高的時(shí)間分辨率與音波爆發(fā)，最佳信號(hào)盡可能短。然而，這導(dǎo)致最佳信號(hào)的能量太少，無法在遠(yuǎn)距離進(jìn)行可靠的檢測(cè)。圖2顯示了兩個(gè)長(zhǎng)度不同的正弦脈沖的匹配fifilter輸出。兩個(gè)信號(hào)都被相同的加性噪聲序列破壞。圖2a所示的較短脈沖在濾波器輸出中獲得了一個(gè)尖峰，但噪聲抑制能力較差。圖2b顯示，當(dāng)我們延長(zhǎng)脈沖時(shí)，噪聲抑制改善，但峰值的銳度下降。上面的討論代表了在加性白噪聲存在的情況下只有一個(gè)聲學(xué)信號(hào)的理想情況。然而，在水聲中通常有許多多徑信號(hào)，這些多徑信號(hào)是由反射引起的較晚時(shí)間到達(dá)的、振幅不同的信號(hào)的復(fù)制品。這種情景往往出現(xiàn)在淺層。

圖2:匹配的fifilter輸出

信號(hào)從海面(或海床)反射過來的水通道。圖3顯示了在2ms延遲和75%振幅多徑情況下，匹配濾波器對(duì)正弦脈沖的響應(yīng)。

圖3:fifilter輸出與多路徑匹配

使用沒有窄自相關(guān)峰值的正弦脈沖，延遲信號(hào)的響應(yīng)不能很好地與直接路徑分離。

我們?cè)谶@里介紹了使用正弦脈沖的兩個(gè)主要缺點(diǎn)。

不可能同時(shí)增加范圍(信噪比)和精度(減少TOA估計(jì)方差)。
弱多徑拒絕。

我們可以通過使用編碼擴(kuò)頻信號(hào)來克服這些缺點(diǎn)。SS信號(hào)是自相關(guān)函數(shù)接近脈沖的寬帶信號(hào)。此外，對(duì)于SS信號(hào)，可以在脈沖長(zhǎng)度增加[2]時(shí)保持帶寬。這樣，從(1)可以看出，可以通過延長(zhǎng)SS脈沖，增加信噪比和系統(tǒng)范圍來增加信號(hào)能量，同時(shí)減小TOA估計(jì)方差，提高系統(tǒng)精度。圖4顯示了SS脈沖在理想條件下的行為，并受到噪聲和多徑的破壞。

圖4:匹配的fifilter輸出

圖4表明，使用SS信號(hào)，可以獲得匹配的濾波響應(yīng)，其噪聲抑制特性類似于長(zhǎng)正弦脈沖，但其銳度類似于短正弦脈沖。同樣，在多徑存在的情況下，對(duì)反射的響應(yīng)和對(duì)直接路徑的響應(yīng)被很好地分離，使探測(cè)器能夠可靠地找到第一個(gè)峰值。雖然SS信號(hào)是相對(duì)復(fù)雜的，低成本，高速，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的可用性現(xiàn)在可以考慮在現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用中使用這些波形。從現(xiàn)在開始，在系統(tǒng)開發(fā)和測(cè)試期間，我們將使用SS聲信號(hào)。

2.2定位

輻射源的方向和距離是基于聲波的平面近似來計(jì)算的。這個(gè)問題如圖所示。兩個(gè)接收器(i和k)投影在XY平面上，傳播平面波，到達(dá)接收器的時(shí)間(ti和tk)和發(fā)射器的單位方向向量d = [d_x d_y d_z] ^T，意義相反，與傳播向量方向相同。平面波在接收器i和k之間傳播的距離由image.png給出其中v_p為水中聲速，r_i = [x_i y_i z_i] ^T, r_k = [x_k y_k z_k] ^T表示接收器在體幀上的位置。不使用矢量表示法eq. 5變成v_p(t_i - t_k) = - (d_x(x_i - x_k)+d_y(y_i - y_k)+d_z(z_i - z_k))。(6）

圖5:平面波近似

如果有N個(gè)接收器，就會(huì)有M個(gè)方程式，像eq. 6， {i = 1，…N;K = 1，…N; i6 = k}，等于M = n2 C N個(gè)接收器的所有可能組合。接收器之間的TDOA，∆=[∆1∆2…∆m]^t，∆1 = t1−t2，∆2 = t2−t3，…∆M = tN−1−tN，可由∆= Ctm生成，其中C∈RM×N為組合矩陣，t_m = [t₁…t_N] ^T是來自所有接收器的時(shí)間測(cè)量向量。同樣地，如果我們?yōu)榻邮掌魑恢枚x組合x = [x₁−x₂ x₂−x₃…x_N−1−x_N] ^T, y = [y₁−y₂ y₂−y₃ . .y_N−1−y_N] ^T, z = [z₁−z₂ z₂−z₃ . .z_N−1−z_N]^T，對(duì)于N個(gè)接收器，問題的概化可寫成vp∆=−(d_xx + d_yy + d_zz)。(7)[3]中給出的發(fā)射極方向的最小二乘解由d =−vpS #Ctm給出，(8)

其中S = [x y z] e S # = (S T S)−1S T。同樣利用平面have近似，發(fā)射極到接收器i的范圍由ρei = vpti給出，i = 1，…N，到體幀原點(diǎn)的范圍由ρi = ρei + dT ri，(9)其中d是先前計(jì)算的發(fā)射極方向向量。

將所有N個(gè)接收器的估計(jì)值取10的平均值

3、系統(tǒng)開發(fā)

研制的USBL聲定位系統(tǒng)可分為發(fā)射和接收兩部分。建造發(fā)射箱并不是這項(xiàng)工作的目的，我們使用了一個(gè)現(xiàn)有的盒子，它能夠生成預(yù)記錄在內(nèi)存中的DSSS聲信號(hào)。另一方面，接收機(jī)的開發(fā)和編程是主要任務(wù)。接收盒的核心是DSP，可以提高USBL聲學(xué)定位系統(tǒng)的性能和通用性。使用德州儀器公司的TMS320C6713浮點(diǎn)DSP，工作頻率為225MHz。在執(zhí)行任何DSP算法之前，信號(hào)必須是數(shù)字形式的。這個(gè)任務(wù)是由一個(gè)16位，250 KSPS, 4通道a /D轉(zhuǎn)換器完成的。系統(tǒng)受控(啟動(dòng)/停止、操作模式、數(shù)據(jù)傳輸……)通信由SMSC LAN91C111以太網(wǎng)板保證。接收箱電子設(shè)備安裝在一個(gè)矩形的角度防濺外殼內(nèi)，配有四個(gè)水聽器輸入連接器，一個(gè)用于PPS信號(hào)訪問的GPS天線，一個(gè)外部電源和一個(gè)以太網(wǎng)端口。發(fā)射箱如圖所示6.

圖6:接待室

3.1收購(gòu)

這個(gè)過程從4個(gè)水聽器陣列開始，基于壓電換能器將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)被4個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鞣糯�。這些精密的模擬信號(hào)必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。該過程由ADC轉(zhuǎn)換器執(zhí)行，包括以下步驟:首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散時(shí)間連續(xù)幅值信號(hào);每個(gè)信號(hào)樣本的振幅被量化為2個(gè)16級(jí)中的一個(gè);離散的振幅電平被編碼成不同的16位長(zhǎng)度的二進(jìn)制字。這個(gè)二進(jìn)制字，表示水聽器“偵聽”的聲波的數(shù)字形式，必須臨時(shí)存儲(chǔ)在DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器中，以便進(jìn)行處理，以檢測(cè)預(yù)期信號(hào)的存在，并計(jì)算發(fā)射器的方向。

為了解決數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)問題，實(shí)現(xiàn)了FIFO(先進(jìn)先出)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。緩沖區(qū)被劃分為塊，當(dāng)ADC獲取新數(shù)據(jù)時(shí)，緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)正在被處理。當(dāng)采集完成后，最老的數(shù)據(jù)塊被最新的數(shù)據(jù)所取代，新的循環(huán)開始。方塊的數(shù)量和長(zhǎng)度是現(xiàn)在的主要問題。這是一個(gè)微妙的問題，因?yàn)樵谝粋€(gè)塊采集的時(shí)間內(nèi)，由L/fs給出，其中L是塊長(zhǎng)度，fs是采樣頻率，DSP必須能夠處理緩沖區(qū)中所有塊中的數(shù)據(jù)。以這種方式，塊必須足夠大，以便給數(shù)據(jù)緩沖區(qū)處理時(shí)間，但又不能太大，因?yàn)閮?nèi)存限制。這種權(quán)衡導(dǎo)致我們使用與預(yù)期信號(hào)相同長(zhǎng)度的塊L。

緩沖區(qū)硬件實(shí)現(xiàn)的示意圖如圖7所示，以及預(yù)期信號(hào)通過緩沖區(qū)的過程。由于系統(tǒng)有四個(gè)水聽器，將有四個(gè)先進(jìn)先出緩沖器用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，如圖所示7.

圖7:長(zhǎng)度為3L的FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

當(dāng)系統(tǒng)指示所期望的信號(hào)存在時(shí)，它可能完全或只是部分在緩沖區(qū)中。因此，為了得到準(zhǔn)確的結(jié)果，在估計(jì)信號(hào)到不同水聽器的TOA和計(jì)算發(fā)射極位置之前，必須確保預(yù)期信號(hào)完全在緩沖器內(nèi)。使用三個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的塊的選擇是因?yàn)槲覀兿Ｍ@種情況至少發(fā)生兩次，而3是確保這種情況發(fā)生的最小塊數(shù)量。像這樣，fifirst檢測(cè)總是被忽略，當(dāng)保證信號(hào)完全在緩沖區(qū)內(nèi)時(shí)，只接受第二個(gè)連續(xù)檢測(cè)。此時(shí)，采集暫時(shí)停止，以便進(jìn)行TOA估計(jì)和發(fā)射極位置計(jì)算。

需要注意的是，如果只使用兩個(gè)L長(zhǎng)度的塊，則無法保證這一點(diǎn)。

3.2處理

在第2.1節(jié)中，我們說過使用匹配濾波器是信號(hào)檢測(cè)的最佳解決方案。因此，將在DSP中實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字匹配濾波器。輸出到緩沖區(qū)中的一組數(shù)據(jù)x[n]的數(shù)字濾波由x[n]與濾波脈沖響應(yīng)h[n]之間的數(shù)字卷積(卷積和)給出。

因?yàn)槠ヅ錇V波的目的是執(zhí)行期望信號(hào)與采集數(shù)據(jù)的cor -關(guān)系，它的脈沖響應(yīng)h[n]將是在ADC工作頻率fs處采樣的期望信號(hào)的副本。然而，卷積是一項(xiàng)計(jì)算量很大的工作。標(biāo)準(zhǔn)卷積算法具有二次元的計(jì)算復(fù)雜度，即使使用快速數(shù)字信號(hào)處理器，其實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)在大多數(shù)應(yīng)用中也是不可能的。在這種情況下，引入離散傅里葉變換(DFT)的概念變得非常重要，因?yàn)槭褂肈FT特性可以加快相關(guān)計(jì)算的速度。令{x[n]} = {x[0]， x[1]，…， x[N−1]}為采樣序列，其中N為樣本個(gè)數(shù)。它的Dis - crete傅里葉變換是復(fù)值序列{X[k]} = {X[0]， X[1]，…， X[N−1]}在頻域，具有相同的長(zhǎng)度N，由其中Ω = 2π/NT, T為采樣周期。離散傅里葉反變換(IDFT)在給定其DFT {x[k]}的情況下恢復(fù)序列{x[n]}，它被定義為

圖8顯示了用于相關(guān)目的的有用的DFT性質(zhì)。用一種非常簡(jiǎn)單的方式，我們可以說可以將時(shí)域卷積h[n]⊛x[n] '改變?yōu)轭l域乘法h[k] x[k]。該方法需要計(jì)算一次DFT (H[k]永久存儲(chǔ)在DSP內(nèi)部?jī)?nèi)存中)、一次乘法和一次IDFT，將計(jì)算復(fù)雜度從o(N2)降低到o(Nlog2N)。當(dāng)需要卷積的樣本數(shù)量足夠大時(shí)，就像我們的例子一樣，這種性能改進(jìn)，以及快速DFT算法(FFT)的使用，是非常重要的，因?yàn)樗箤?shí)時(shí)卷積實(shí)現(xiàn)成為可能。即使使用上述解決方案，卷積實(shí)現(xiàn)也可以進(jìn)一步改進(jìn)。如3.1節(jié)所述，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)由三個(gè)內(nèi)存塊組成，大小與預(yù)期信號(hào)的L相同，在每個(gè)采集周期結(jié)束時(shí)，只有其中一個(gè)塊被更新，即其他兩個(gè)塊被移動(dòng)。這樣，當(dāng)只有三分之一的數(shù)據(jù)與之前的采集周期不同時(shí)，執(zhí)行3L大小的卷積就沒有意義了。讓我們考慮數(shù)據(jù)緩沖區(qū)3L長(zhǎng)度序列{x[n]}作為三個(gè)L長(zhǎng)度序列{x1[n]}， {x[n]2}和{x[n]3}的和，如下所示:每個(gè)序列{xi [n]}表示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的第i個(gè)塊。將(14)替換為由(11)給出的匹配fifilter輸出其中yi [n] = (h⊛xi) [n]是fifilter對(duì)第i塊數(shù)據(jù)的響應(yīng)。正如我們從(16)中看到的，可以將期望信號(hào)與整個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的卷積計(jì)算為與每個(gè)單獨(dú)塊的卷積之和。因此，在每個(gè)采集周期中，我們可以執(zhí)行L大小的卷積而不是3L大小的卷積，可以顯著提高時(shí)間性能。這種卷積方法被稱為重疊-相加，因?yàn)槊總€(gè)h⊛xi的卷積長(zhǎng)度為2L−1，當(dāng)h⊛x1與h⊛x2相加，h⊛x2與h⊛x3相加時(shí)，L−1元素會(huì)重疊。

3.3決定

在執(zhí)行匹配濾波卷積后，系統(tǒng)必須決定預(yù)期信號(hào)是否存在于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。為了研究決策準(zhǔn)則，我們應(yīng)該回頭看圖4a和圖4b，其中濾波器對(duì)DSSS信號(hào)的響應(yīng)是給出的。決策準(zhǔn)則背后的思想是將匹配fifilter輸出的最大值與其平均絕對(duì)值進(jìn)行比較。由于噪聲的存在，這是采集到的數(shù)據(jù)中未知的組成部分，總是會(huì)有某種程度的不確定性。然而，由于有一個(gè)大大高于平均絕對(duì)值的最大值是一個(gè)與濾波器對(duì)預(yù)期DSSS信號(hào)的響應(yīng)相關(guān)的特征，而不是對(duì)噪聲的響應(yīng)，我們將認(rèn)為這兩個(gè)值之間的差異最大，預(yù)期信號(hào)出現(xiàn)在緩沖區(qū)的機(jī)會(huì)也就越大。通過這種方法，我們?yōu)橄到y(tǒng)定義了一個(gè)閾值，并認(rèn)為期望信號(hào)出現(xiàn)時(shí)當(dāng)預(yù)期信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)必須等待下一個(gè)采集周期，只有連續(xù)的第二次檢測(cè)才能保證信號(hào)完全在緩沖區(qū)中，如3.1節(jié)所述。

3.4位置計(jì)算

與所有四個(gè)水聽器都在持續(xù)進(jìn)行的采集不同，只對(duì)四個(gè)水聽器中的一個(gè)實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的處理和信號(hào)存在性決策。我們記得，整個(gè)處理和決策必須在少于一個(gè)緩沖區(qū)塊獲取的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行，這是實(shí)現(xiàn)的最關(guān)鍵點(diǎn)。因此，不可能處理所有四個(gè)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。盡管如此，當(dāng)選擇用于實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中檢測(cè)到預(yù)期信號(hào)時(shí)，采集會(huì)暫時(shí)中斷，并處理剩下的三個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以查找信號(hào)TOA。根據(jù)2.2節(jié)中介紹的研究計(jì)算位置，在什么采集重新啟動(dòng)后。

4海上試驗(yàn)

一旦實(shí)施完成，就進(jìn)行了一系列海上試驗(yàn)。測(cè)試于2009年6月22日至26日在奧爾塔城進(jìn)行。由于位置結(jié)果是在USBL陣列的坐標(biāo)坐標(biāo)系中表示的，因此最好陣列相對(duì)于地球坐標(biāo)坐標(biāo)系保持靜止，否則即使在發(fā)射極位置靜止的情況下，USBL陣列的運(yùn)動(dòng)也會(huì)影響位置計(jì)算。因此，試驗(yàn)是在港口內(nèi)進(jìn)行的。這樣就可以牢牢地固定陣列，確保定位結(jié)果不受其運(yùn)動(dòng)的影響。然而，港口內(nèi)的多徑和噪聲存在性要強(qiáng)得多，因此影響了測(cè)試結(jié)果。試驗(yàn)分為兩類:靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。由于計(jì)算方法不同，這兩種方法的結(jié)果分別對(duì)距離和方向估計(jì)進(jìn)行了分析，如2.2節(jié)所示。

4.1平穩(wěn)性試驗(yàn)

在靜止測(cè)試中，發(fā)射器被綁在一個(gè)橋墩上，橋墩上的波動(dòng)可以忽略不計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)行20分鐘。通過DSP處理得到的試驗(yàn)平穩(wěn)距離結(jié)果直方圖如圖9所示。從圖9中我們可以看到，距離結(jié)果主要?jiǎng)澐衷趦蓚€(gè)非連續(xù)子區(qū)間之間，[77.70;77.80]m和[77.90;78.05 m。發(fā)射器和USBL陣列都是靜止的，這是一個(gè)意想不到的結(jié)果。為了了解它發(fā)生的原因，我們應(yīng)該觀察用來決定信號(hào)是否存在和計(jì)算發(fā)射極距離的數(shù)據(jù)。兩種不同檢測(cè)的匹配濾波卷積如圖10所示。

圖9:車站測(cè)試距離結(jié)果直方圖

圖10:匹配的濾波器卷積

從圖10a和10b可以看出，匹配濾波卷積有兩個(gè)非常接近的最大值。因?yàn)樾盘?hào)TOA是用卷積的峰值來計(jì)算的，當(dāng)絕對(duì)最大值是第一個(gè)距離將位于最近的子區(qū)間，當(dāng)絕對(duì)最大值是第二個(gè)距離將位于最遠(yuǎn)的子區(qū)間。在詳細(xì)分析了所有檢測(cè)的四個(gè)通道的卷積結(jié)果后，我們可以說，圖10a和10b代表了測(cè)試期間發(fā)生的情況。在圖11中，給出了不同通道的兩個(gè)卷積最大值之間的時(shí)間差的直方圖。

如圖11所示，兩個(gè)卷積最大值之間的時(shí)間差因信道而異。通道4卷積的差異更大，通道3和通道1和2的中間差異更小。綜合以上說明，已知通道4連接最深的水聽器，通道3連接最靠近水面的水聽器，通道1和通道2連接中間深度的水聽器，我們發(fā)現(xiàn)匹配濾波器卷積中的第二個(gè)最大值是由海面上的信號(hào)反射引起的，是由直接路徑信號(hào)到達(dá)引起的第一個(gè)最大值。

為了解決這一多路徑檢測(cè)問題，我們必須修改TOA估計(jì)方法。當(dāng)(17)給出的決策因子為真時(shí)，我們不將TOA估計(jì)為絕對(duì)最大值位置，而將TOA考慮為超過決策閾值的第一個(gè)最大值的位置。在圖12中，我們?cè)佻F(xiàn)了之前圖9中給出的結(jié)果，這些結(jié)果是用新的TOA估計(jì)方法對(duì)測(cè)試期間獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理后得到的。

圖12采用新的TOA估計(jì)方法的車站試驗(yàn)距離結(jié)果直方圖

從圖12可以看出，采用新的TOA估計(jì)方法，距離結(jié)果不再劃分在兩個(gè)不連續(xù)子區(qū)間之間，距離標(biāo)準(zhǔn)差由8.8降低到1.6cm。通過這種方式，系統(tǒng)對(duì)多路徑的拒絕大大提高了，從而提高了系統(tǒng)的全局性能。如果說多徑效應(yīng)在計(jì)算輻射源距離時(shí)造成了厘米量級(jí)的誤差，那么在計(jì)算輻射源方向時(shí)，這些誤差則是幾十度量級(jí)的。通過DSP處理得到的試驗(yàn)平穩(wěn)方向結(jié)果如圖13所示。從圖13可以看出，方向計(jì)算得到的結(jié)果非常不一致。

然而，為了理解這種糟糕性能的原因，最好看看用于計(jì)算發(fā)射器方向的數(shù)據(jù)，而不是最終的結(jié)果。如2.2節(jié)所述，方向從信號(hào)TDOA到不同的水聽器計(jì)算。在圖14中，我們給出了4個(gè)水聽器之間TDOA的3個(gè)直方圖。

我們看到圖13中不一致的方向結(jié)果被圖14a, 14b和14c中不一致的TDOA估計(jì)所證明。與之前的距離計(jì)算(圖9)一樣，TDOA結(jié)果被劃分在非連續(xù)子區(qū)間之間。同樣，30到40個(gè)樣本的子區(qū)間之間的時(shí)間差是相似的(見圖11)，這表明問題可能是由信號(hào)反射引起的。因此，我們將嘗試用同樣的方法來解決這個(gè)問題:修改TOA估計(jì)方法，避免多徑檢測(cè)。在圖15中，我們?cè)佻F(xiàn)了圖14所示的結(jié)果，這些結(jié)果是用新的TOA估計(jì)方法對(duì)測(cè)試期間獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理后得到的。

正如預(yù)期的那樣，新的TOA估計(jì)方法大大改進(jìn)了TDOA估計(jì)，現(xiàn)在的TDOA估計(jì)精度約為8μs(2個(gè)樣本)。用TDOA數(shù)據(jù)計(jì)算的發(fā)射體方向如圖16所示。將其與測(cè)試期間獲得的方向(圖13)進(jìn)行比較，可以明顯看出系統(tǒng)性能大大增強(qiáng)，兩個(gè)角度估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.4度。

圖16:采用新的TOA估計(jì)方法的臺(tái)站測(cè)試方向結(jié)果

當(dāng)涉及到時(shí)間延遲估計(jì)時(shí)，有一個(gè)非常常見的方法:數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)聯(lián)。為了尋找不同水聽器的信號(hào)TDOA，在后處理分析中還采用了互相關(guān)的方法。這里沒有給出得到的結(jié)果，但它們揭示了一個(gè)有趣的特征:互相關(guān)性能取決于被處理的通道。TOA1- TOA2估計(jì)的性能相似(通道1和2連接到相同深度的水聽器)，其他兩個(gè)通道的性能較差。信號(hào)反射和水聽器放置在不同深度也證實(shí)了這一結(jié)果。

圖14平穩(wěn)試驗(yàn)方向結(jié)果TDOA直方圖

圖15采用新的TOA估計(jì)方法的平穩(wěn)試驗(yàn)方向結(jié)果TDOA直方圖

4.2動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

為了進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，發(fā)射極被安裝在用GPS記錄位置的船上�？梢詼y(cè)試的距離和角度間隔非常有限。盡管如此，在港口內(nèi)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試，以允許USBL接收陣列的充分緊固，如本節(jié)開始所解釋的。動(dòng)態(tài)測(cè)試持續(xù)時(shí)間為1445秒(約24分鐘)。由于發(fā)射頻率是每秒一個(gè)信號(hào)，1445將是探測(cè)到的最大數(shù)量。然而，有203個(gè)(占總量的14%)的排放被損失了。圖17顯示了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的距離結(jié)果。排放損失在0米距離處繪制。除了損失的發(fā)射外，還有一些探測(cè)會(huì)導(dǎo)致明顯錯(cuò)誤的距離結(jié)果。這些錯(cuò)誤的結(jié)果是由直接路徑信號(hào)丟失和相應(yīng)的多路徑檢測(cè)造成的。為了量化這些情況，我們考慮最大速度為4m。S−1對(duì)于船和特定距離的結(jié)果，如果它意味著比上次檢測(cè)的速度更高，則被分類為不正確。這樣，從1242次檢測(cè)中，有1210次被分類為正確的(1445次總排放的84%)。在檢測(cè)的百分比和結(jié)果分類為正確的情況下，動(dòng)態(tài)距離計(jì)算性能是令人滿意的。

在評(píng)估系統(tǒng)性能時(shí)，計(jì)算輻射源的方向也采用相同的策略。方向結(jié)果未繪制，但正確結(jié)果的百分比見表1。我們比較了兩種不同的TDOA估計(jì)方法得到的方向結(jié)果:第一卷積最大值超過決策閾值和數(shù)據(jù)互相關(guān)�，F(xiàn)在只使用導(dǎo)致正確距離結(jié)果的1210個(gè)接收。

表1:動(dòng)態(tài)測(cè)試方向結(jié)果

這兩種方法都會(huì)導(dǎo)致相似的性能，但與平穩(wěn)檢驗(yàn)不同的是，交叉相關(guān)現(xiàn)在呈現(xiàn)出略好的結(jié)果。此外，縱向和仰角之間的性能非常相似。這一事實(shí)可以被質(zhì)疑，因?yàn)檎缥覀冎八f，交叉相關(guān)方法的性能取決于所處理的通道，而TOA1- TOA2估計(jì)的性能要好得多，通道與水聽器連接在相同的深度，因此足以計(jì)算縱向角。然而，在2.2節(jié)中，我們開發(fā)了一個(gè)發(fā)射器方向的最小二乘解，使用所有4個(gè)通道來計(jì)算任何角度。這樣，可以增加冗余，但放置在不同深度的水聽器的低性能估計(jì)TDOA可能會(huì)破壞縱向角度計(jì)算。為了確認(rèn)我們重復(fù)方向計(jì)算，現(xiàn)在不進(jìn)行最小二乘最小化，使用通道1和2(相同深度)計(jì)算縱向角，使用通道3和4(不同深度)計(jì)算仰角。

表2:無最小二乘最小化的動(dòng)態(tài)測(cè)試方向結(jié)果

從表2中，我們?cè)俅慰吹较嗷リP(guān)系呈現(xiàn)出稍微更好的結(jié)果，但縱向和仰角之間的表現(xiàn)現(xiàn)在有很大的不同�？v向角性能明顯提高，接近100%的正確結(jié)果，仰角性能保持在相同的精度水平。這些結(jié)果表明，最小二乘最小化會(huì)破壞系統(tǒng)的性能。將通道1和2與通道3和4分離，我們失去了冗余，但通道3和4的較不準(zhǔn)確的TDOA估計(jì)不會(huì)破壞縱向角度計(jì)算。盡管如此，當(dāng)TDOA估計(jì)誤差在通道之間相似時(shí)，最小二乘最小化應(yīng)該是一個(gè)很好的選擇。

5、結(jié)論

本工作介紹了USBL聲學(xué)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和海上驗(yàn)證。信號(hào)檢測(cè)和TOA估計(jì)基于匹配的濾波響應(yīng)，這導(dǎo)致了最高的信噪比。將經(jīng)典聲學(xué)純音脈沖與寬帶編碼擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行了比較，得到了更高的TOA分辨率和更強(qiáng)的多徑和噪聲抑制能力。發(fā)射器的位置是計(jì)算訴諸于聲波的平面近似。最關(guān)鍵的開發(fā)任務(wù)是數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波由信號(hào)卷積組成，必須在實(shí)際時(shí)間內(nèi)完成。由于使用了DSP和處理技術(shù)，使得實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)成為可能，這些技術(shù)大大減少了卷積時(shí)間(基于DFT特性)。為了給出系統(tǒng)電位的全局概念，我們?cè)趫D18中比較了發(fā)射器的GPS跟蹤與USBL定位計(jì)算的正確距離結(jié)果和沒有最小二乘最小化得到的縱角。

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