船載式水聲定位系統(tǒng)信號(hào)處理改進(jìn)算法研究

張慶國(guó)，王健培，龔浩亮，馬小勤

船載式水聲定位系統(tǒng)信號(hào)處理改進(jìn)算法研究

張慶國(guó)，王健培，龔浩亮，馬小勤

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，云南昆明650051)

針對(duì)船載式水聲定位系統(tǒng)的特點(diǎn)，在座底式等常規(guī)水聲定位系統(tǒng)信號(hào)處理算法的基礎(chǔ)上，對(duì)船載式系統(tǒng)可能出現(xiàn)的聲脈沖疊加現(xiàn)象進(jìn)行仿真分析，證明常規(guī)算法存在丟失數(shù)據(jù)的可能性，并且常規(guī)算法對(duì)聲信號(hào)幅度變換較快的情況難以適應(yīng)。提出一種并行實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理算法，允許每塊數(shù)據(jù)擁有不同的屬性，并采用數(shù)據(jù)匹配方法進(jìn)行后置冗余處理，獲得有效數(shù)據(jù)。經(jīng)過湖上跑船試驗(yàn)證明，該算法具有更高的檢測(cè)率，并能提高跟蹤軌跡的平滑性和真實(shí)性，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

船載系統(tǒng)；水聲定位系統(tǒng)；信號(hào)處理算法；后置冗余處理

0 引言

船載式水聲定位系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)測(cè)量水下目標(biāo)航行軌跡的重要手段，可在試驗(yàn)船只高速運(yùn)動(dòng)的情況下，實(shí)時(shí)完成水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的軌跡跟蹤與測(cè)量。特別在水下目標(biāo)攻擊水面艦試驗(yàn)中，能夠?yàn)槠涔粜Ч脑u(píng)估提供直觀數(shù)據(jù)。

船載式水聲定位系統(tǒng)主要利用安裝在船底或在船舷吊放的聲學(xué)基陣[1]，完成水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤與測(cè)量。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)時(shí)進(jìn)行水下目標(biāo)的軌跡跟蹤，常將水下基陣固定安裝在船底。其基本原理是利用聲信號(hào)的傳播時(shí)延值(或時(shí)延差)，根據(jù)球面交匯(或雙曲交匯)原理[2]獲得水下目標(biāo)的位置等信息。數(shù)字信號(hào)處理算法是跟蹤系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)完成信號(hào)檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)，以及目標(biāo)的分類與識(shí)別等，其算法的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 船載水聲定位系統(tǒng)信號(hào)處理特點(diǎn)

船載式水聲定位系統(tǒng)與其他常規(guī)系統(tǒng)(如座底式)相比較，具有以下特點(diǎn)：

(a) 由于水下基陣安裝在高速航行的試驗(yàn)船上，試驗(yàn)船的航行振動(dòng)噪聲及水下湍流等不利因素，會(huì)對(duì)定位系統(tǒng)造成較大影響，甚至?xí)⑺履繕?biāo)的聲信號(hào)淹沒在噪聲中，難以分辨；

(b) 由于船只的機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，需要提高水聲定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率，才能更加真實(shí)獲得魚雷等水下目標(biāo)的航行軌跡，這樣水下聲信號(hào)會(huì)較頻繁出現(xiàn)脈沖信號(hào)的反射與疊加[3-5]；

(c) 由于船只的機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，船載基陣與水下目標(biāo)的相對(duì)位置變化較快，聲學(xué)基陣所收到的聲信號(hào)幅度也變化較快；

(d) 受到船只的限制，多個(gè)換能器組成的水聲基陣不可避免地安裝在船底不同位置，造成每個(gè)換能器的振動(dòng)噪聲不同，甚至相差4~6 dB(安裝在動(dòng)力艙附近的噪聲大)；

(e) 在水下目標(biāo)攻擊水面艦試驗(yàn)中，會(huì)進(jìn)行主動(dòng)聲吶的掃描[3]，雖然頻率與跟蹤聲信號(hào)相差一倍左右，但由于該聲吶信號(hào)強(qiáng)度較高(約230 dB)，其旁瓣頻譜已經(jīng)完全進(jìn)入跟蹤系統(tǒng)的通道，對(duì)定位系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

綜上所述，船載式水聲定位系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)干擾較大，并且與所安裝船只的噪聲環(huán)境有關(guān)，需要對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性研究，特別是在信號(hào)處理算法上，常規(guī)的水聲定位系統(tǒng)處理算法不能滿足需求，應(yīng)該進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

2 數(shù)字信號(hào)處理方法

同步式水聲定位系統(tǒng)常采用單頻(Continuous Wave, CW)和調(diào)頻(線性調(diào)頻—Linear Frequency Modulated, LFM，雙曲線調(diào)頻—Hyperbolic Frequency Modulation, HFM)等組合脈沖信號(hào)組成跟蹤信標(biāo)[4]，如圖1所示。

圖1中為同步周期，為跟蹤周期，每個(gè)周期內(nèi)包含1個(gè)CW脈沖信號(hào)及1個(gè)LFM信號(hào)。由測(cè)量的CW脈沖時(shí)延值代入球面交匯公式，獲得水下目標(biāo)的位置信息，利用LFM與CW信號(hào)的相對(duì)時(shí)延值遙測(cè)獲得水下目標(biāo)的深度值。最終獲得水下目標(biāo)的水平位置和深度的三維定位信息。

2.1 常規(guī)算法

針對(duì)圖1所示的信標(biāo)信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理算法主要完成CW與LFM信號(hào)的檢測(cè)識(shí)別及時(shí)延值估計(jì)。其CW信號(hào)采用功率譜分析的方式，針對(duì)實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的頻段進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)功率譜滿足判定條件時(shí)(如能量值、相關(guān)峰尖銳度等)，判定為CW脈沖信號(hào)；LFM信號(hào)采用互相關(guān)方式進(jìn)行檢測(cè)[5]，利用事先預(yù)設(shè)具有一定頻率冗余范圍的樣本信號(hào)與實(shí)際接收到的聲學(xué)信號(hào)(已數(shù)字化)進(jìn)行互相關(guān)處理分析，如滿足判定條件即判定為L(zhǎng)FM信號(hào)。

一般性常規(guī)算法：首先進(jìn)行聲信號(hào)的數(shù)字化，然后對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行必要的初始化；其次將獲得的當(dāng)前數(shù)據(jù)塊包絡(luò)檢波后進(jìn)行鑒寬、鑒幅判斷，當(dāng)該信號(hào)的幅度和寬度均滿足判定條件時(shí)，進(jìn)行功率譜分析，如果不滿足CW信號(hào)判定條件后，進(jìn)行LFM信號(hào)的判斷，最后返回。其水聲定位系統(tǒng)的常規(guī)數(shù)字信號(hào)處理算法流程，如圖2所示。

2.2 改進(jìn)算法

從圖2可以看出，常規(guī)算法能夠完成水聲信號(hào)的檢測(cè)與識(shí)別，能夠完成大多數(shù)座底式水聲定位系統(tǒng)的跟蹤與測(cè)量。但也存在一定的設(shè)定缺陷，該算法默認(rèn)每個(gè)數(shù)據(jù)塊只能有一個(gè)屬性，也就是說(shuō)只能是CW或者LFM信號(hào)。當(dāng)脈沖信號(hào)存在較為嚴(yán)重的反射和疊加時(shí)，例如CW與LFM疊加在一個(gè)數(shù)據(jù)塊上，此時(shí)便存在丟失或錯(cuò)判有效數(shù)據(jù)的可能性。

特別是在研制船載式水聲定位系統(tǒng)的過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)水聲信標(biāo)信號(hào)的CW反射信號(hào)與本周期的LFM信號(hào)相疊加，如按照常規(guī)算法無(wú)法正確識(shí)別此包數(shù)據(jù)的LFM信息，只能解算出兩個(gè)CW信號(hào)(理論上是一個(gè)CW和一個(gè)LFM)，這樣便丟失了該點(diǎn)位的深度細(xì)信息。另外，在定位周期較小的情況下，還會(huì)出現(xiàn)前周期和本周期信號(hào)相互疊加的情況，與同一周期的CW和LFM相互疊加相同，在一包數(shù)據(jù)內(nèi)既包含了CW信號(hào)又含有LFM信號(hào)，無(wú)法獲得真實(shí)信息。針對(duì)上述情況，提出新的數(shù)字信號(hào)處理算法：一方面采用并行處理方式，對(duì)CW和LFM并行進(jìn)行判斷，允許一包數(shù)據(jù)具有不同的屬性，再利用后置濾波等手段完成軌跡定位與跟蹤，也充分利用了數(shù)字信號(hào)處理器的并行指令，提高運(yùn)行效率；另一方面增加數(shù)字濾波和數(shù)字放大等相關(guān)處理以提高系統(tǒng)信噪比和抗干擾能力。其算法的流程圖見圖3所示。

圖3所示算法與圖2算法相比較在譜分析上有所不同，主要是為了保證整個(gè)DSP算法的連續(xù)和實(shí)時(shí)性。假如當(dāng)前數(shù)據(jù)塊不滿足譜分析結(jié)果，圖3流程便不進(jìn)行相對(duì)耗時(shí)的包絡(luò)檢波，以便節(jié)省處理時(shí)間；而圖2中算法只要是滿足鑒寬、鑒幅條件便隨時(shí)進(jìn)行包絡(luò)檢波(比如增益較大時(shí)，基線噪聲都過門限)，不僅耗時(shí)，還增加了DSP處理負(fù)擔(dān)。

從圖3可以看出，新算法的主要改進(jìn)有三點(diǎn)：一是針對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)塊采用并行處理方式；二是對(duì)CW信號(hào)采用頻譜分析為基本門限；三是LFM信號(hào)的時(shí)延值估計(jì)采用互相關(guān)獲得。

另外，圖3中的并行實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理算法在具體實(shí)現(xiàn)過程中要注意整個(gè)程序流程的執(zhí)行時(shí)間，必須針對(duì)每個(gè)程序子模塊進(jìn)行運(yùn)行時(shí)間測(cè)試，以保證整個(gè)程序流程執(zhí)行的實(shí)時(shí)性。

3 湖上試驗(yàn)

在湖上試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，在安裝船載水聲定位系統(tǒng)的船只上拖曳模擬聲源，采用動(dòng)態(tài)“跑船”的方式對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。在某些距離點(diǎn)上便會(huì)出現(xiàn)圖4所示的疊加情況(圖4(a)為時(shí)域波形數(shù)據(jù))，可以明顯看出圖4(a)的第二個(gè)脈沖信號(hào)(標(biāo)注為“CW反射&LFM”)已經(jīng)是CW反射與LFM相互疊加的混合脈沖信號(hào)。可以看出該塊數(shù)據(jù)滿足功率譜分析(見圖4(b))，同時(shí)也能滿足互相關(guān)的判斷(見圖4(c))。如果按照常規(guī)數(shù)字信號(hào)處理算法來(lái)解算，便不會(huì)繼續(xù)解算LFM信號(hào)，導(dǎo)致實(shí)際LFM信息的丟失，甚至不能正確獲得水下目標(biāo)的深度信息。

根據(jù)跑船試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理算法的比對(duì)分析，同一原始水聲信號(hào)分別用常規(guī)算法及本文算法進(jìn)行解算，其跟蹤軌跡對(duì)比如圖5所示。圖5(a)為利用常規(guī)數(shù)字信號(hào)處理算法進(jìn)行解算的軌跡，而圖5(b)為本文并行實(shí)時(shí)處理算法解算的軌跡，可以看出在某些情況下常規(guī)算法會(huì)出現(xiàn)“丟點(diǎn)”甚至“亂點(diǎn)”等情況，主要原因便是在解算過程中丟失了實(shí)際的水聲信息，或者將本該是LFM信號(hào)錯(cuò)判成CW信號(hào)，出現(xiàn)定位偏差。本文算法允許一塊數(shù)據(jù)擁有多重屬性，并在匹配過程中進(jìn)行冗余解算，實(shí)時(shí)獲得水下目標(biāo)的真實(shí)軌跡。

4 結(jié)論

本文在分析實(shí)際跑船試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)船載水聲定位系統(tǒng)的特點(diǎn)，改進(jìn)了常規(guī)水聲定位系統(tǒng)的信號(hào)處理算法，提出了一種并行實(shí)時(shí)處理算法。該算法充分利用了數(shù)字信號(hào)處理器的流水線并行處理能力，為每塊數(shù)據(jù)賦予多重可能的屬性，最后利用獲得的冗余數(shù)據(jù)，采用濾波方式獲得更加準(zhǔn)確的彈道軌跡。試驗(yàn)結(jié)果證明，該算法更為準(zhǔn)確和可靠。目前該算法已成功地應(yīng)用于某型船載式水聲定位系統(tǒng)中，克服了常規(guī)算法的不足，取得了良好效果。

該算法具有更廣泛的適應(yīng)性，不僅適應(yīng)船載式機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的水聲定位系統(tǒng)，又能兼容常規(guī)水聲定位系統(tǒng)，經(jīng)過擴(kuò)充和改進(jìn)還可應(yīng)用在相類似的信號(hào)處理領(lǐng)域，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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The improved signal processing algorithm for ship-borne acoustic positioning system

ZHANG Qing-guo, WANG Jian-pei, GONG Hao-liang, MA Xiao-qin

(,650051,,)

In consideration ofthe characteristics of ship-borne acoustic positioning system, based on the signal processing algorithms for conventional acoustic positioning systems, the simulation and analysis of sound pulses superimposition phenomena appearing in ship-borne system has been made, and the results show that the conventional algorithms could lose the data probably, and they are difficult to adapt to the situation where the acoustic signal amplitude varies too fast. A parallel real-time digital signal processing algorithms is presented on this paper, which allows each piece of data having different properties, uses the data-match method to process the rear redundant, and finally obtains the valid data. After the dynamic test of ship navigation, it is proved that the algorithm has higher detection rate and can improve the authenticity and smoothness of the tracking trajectory.

shipboard systems; acoustic positioning system; signal processing algorithms; post processing of redundancy

TN929.3

A

1000-3630(2015)-03-0265-04

10.3969/j.issn1000-3630.2015.03.015

2014-03-24;

2014-06-27

張慶國(guó)(1982－), 男, 黑龍江人, 工程師, 研究方向?yàn)樗挛淦鲝椀栏櫯c測(cè)量技術(shù)研究。

張慶國(guó), E-mail: ZQG750@126.com