分布式浮标阵高帧率异步水声定位

王燕，梁国龙，付进

(哈尔滨工程大学 水声技术实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

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［1］.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［2-3］.

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［4］，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［3］，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［5］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2种定位方法组合［6］，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.为弥补上述缺陷，本文从信号波形设计出发，提出了一种基于组合脉冲串的长基线高帧率异步水声定位技术，可将帧率进一步提高到0.1 s量级.

1 定位系统构成

图1、2分别是浮标阵异步水声定位系统工作态势图和测量阵构成图.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3 km×3 km×300 m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.

图1 系统工作态势Fig.1 Sketch of the localization system

图2 定位系统测量阵构成Fig.2 Structure of the localization system measurement array

2 异步水声定位原理

通过测量声信号从声源到各接收水听器所经历的传播时延可以确定声源到各阵元的距离，每一组时延可确定声源所在的一个球面［7］:

式中:(xi，yi，zi)和ti分别是第i个阵元的空间位置以及第i个阵元接收信号的时刻相对于接收机时钟的时间;(xs，ys，zs)和ts分别为目标的空间坐标以及信号发射时刻相对于接收机时钟的时间;c为声波在水中的传播速度.xs、ys、zs和ts为未知量，其余变量均为可测量.

在式(1)中，xs、ys、zs和ts为未知量，其余变量均为可测量.设di(i=1，2，3，4)为第i号阵元到目标的距离，di1为第i号阵元与第1号阵元到目标的距离差.ri为第i号阵元到坐标原点的距离，并且有

式(1)表示的方程组还可写成矩阵形式:

其中:

若A的逆矩阵存在，对式(3)中的X求解，得

再令F=A－1B，H=A－1C，K=［x1y1z1］，L= FTF－1，N=HTH+KKT－2KH，M=2(FTHFTKT)，得

将式(11)代入式(10)，即可求得声源位置(xs，ys，zs).但此时得到的解为双解，利用阵元5或阵元6的测量数据作为判据，便可得到目标的真实位置.

任意选取6个阵元中的4个，只要式(3)中A的逆矩阵存在，即可求得一组目标位置解，将多组解综合，可得到更高精度的目标三维位置.

3 组合脉冲串设计

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300～400 ms.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［8-9］.增加脉冲间距虽然会减小这种干扰，却会使系统帧率降低.本文提出的应对方法是设计一种组合脉冲串，不同频段的脉冲信号交叉使用，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2 s.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，来实时调整与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，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.

上述脉冲序列结构均可将帧率提高12倍，轨迹采样周期降至0.166 ms.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.

图3 组合脉冲串的几种可选序列结构Fig.3 Several optinal structures of combined pulse train

4 信号处理算法

信号处理器采用2类处理器并联结构，如图4所示.并行多通道自适应陷波器组［10］与瞬时频率方差检测器［11］用于CW脉冲的检测、时延和频率估计;并行拷贝相关器组用于多通道LFM脉冲的检测和时延估计.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.

图4 信号处理器Fig.4 Diagram of the signal processor

4.1 并行多通道自适应陷波器组

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［12］.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(如图5)，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.各路的正交参考输入可表示为

式中:频率ωi为脉冲信号Pi的中心频率.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.

自适应迭代过程为

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

图5 并行多通道自适应陷波器组结构Fig.5 Structure of parallel multi channel adaptive notch filter bank

4.2 并行拷贝相关器组

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.

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.

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，其他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，其他反射声可暂不考虑.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.

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;若峰值最大的是其他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.

并行拷贝相关器组的结构如图6所示.

图6 并行拷贝相关器组结构Fig.6 Structure of parallel copy correlator bank

5 湖试结果与分析

2008年8月在湖北平洛湖进行了浮标阵异步水声定位系统的湖上试验.由于湖面较狭窄，试验中水下仅布放了3个浮标，浮标接收水听器深度约30 m，构成了一个边长约350 m的三角形测量阵.发射换能器吊放于目标船上，显控平台置于湖边.湖深80～100 m，湖底不平，湖面不甚开阔，声速剖面如图7所示.采用结构1的组合脉冲序列，帧周期0.166 s.

下面给出2个条次的湖试三维定位结果.试验中目标船停机漂泊，声源的水平位置基本不变，条次1的声源深度固定为50 m，条次2的声源以约1 m/s的速度从深度27 m向下运动至44 m.图8为系统湖试阵型及条次1水平定位结果图，图9和图10分别为条次1和条次2的三维定位结果.统计条次1的水平x轴定位均方根误差为0.61 m，水平y轴方向定位均方根误差为0.81 m，垂直深度定位均方根误差为0.93 m.

图7 声速剖面Fig.7 Sound velocity profile

图8 系统湖试阵型及条次1水平定位结果Fig.8 Array shape of the system lake trial and the horizontal locationing result of track 1

图9 条次1三维定位结果Fig.9 3-D localization result of track 1

图10 条次2三维定位结果Fig.10 3-D localization result of track 2

从湖试结果看，在未采用任何后置处理手段的条件下，定位系统的水平x、y坐标和垂直z坐标的测量误差均小于1 m.采用CW/LFM组合脉冲串，不仅可在无模糊的前提下提高帧率，而且可有效抑制通道间串漏.利用测时精度较高的LFM信号保证了系统定位精度.

6 结论

通过上述研究与试验数据分析可得如下结论:

1)提出了一种采用分布式浮标阵、基于CW/ LFM组合脉冲串的异步高帧率水声定位技术，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.

2)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，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果.

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