水声定位标定系统信号回波测量方法研究

罗 坤，刘百峰，岳剑平

(中国人民解放军91388部队，广东 湛江 524022)

0 引 言

水声定位系统是利用水声应答测距信号对目标进行测量的声呐系统[1]，水下定位精度是水声跟踪定位测控系统的关键战技指标之一。水声定位标定系统（简称标定系统）是一种通用的对水声定位系统的测量精度进行标定的系统[2]。该系统以船载模拟目标声源作为合作信标，结合星站GPS、姿态监测装置建立水下动态基准点，用于标定水声跟踪定位装备在接近水面条件时的定位精度，为水声跟踪定位装备性能评估以及试验结果评估提供依据。其水下基准（船载模拟目标声源）位置精度直接影响到水声定位系统的定位误差，因此精确分析、解算水下基准的误差具有重要的工程意义。本文主要介绍了在对船载模拟目标声源进行定位时的回波信号测量处理，同时对不同频率下的定位精度进行仿真，证实了信号处理的准确性，为工程应用提供理论参考。

1 系统工作原理

水声定位标定系统主要由船载升降机构、船体航向姿态测量仪、高精度动态DGPS接收机、综合数据处理系统、多系统兼容的模拟目标声信号源及宽带换能器等部分组成。多系统兼容目标模拟器在同步信号的作用下通过水声换能器发射与各水声跟踪定位装备相应的模拟目标声信号，同时记录发射时刻的DGPS位置（经纬度）、船的航向、纵横摇角度以及换能器布放深度，并将上述数据传送至综合数据处理分系统，综合数据处理分系统计算出发射时刻发射换能器的声中心位置。

各水声跟踪定位装备对模拟目标声信号进行定位测量，同时将各设备的定位测量结果通过网络接口或其他专用接口传送至水声定位标定系统中的综合数据处理分系统。综合数据处理分系统将收到的定位测量结果与发出模拟目标声源的换能器基准位置进行比对处理，从而得出各水声跟踪定位装备的海上实际定位精度指标，事后完成多套水声跟踪定位系统的定位精度修正，协助被标定设备进一步提高其跟踪定位测量精度。综上可见，水声定位标定系统中发射声源的位置精度直接影响到该系统的标定精度。

2 各阵元的回波信号频率和斜距的计算

综合数据处理分系统根据多系统兼容目标模拟器传来的回波信号进行信号采集，计算出回波信号的频率和时延，根据声速算出各阵元到发射换能器（位置基准）的斜距。具体实现过程如图2所示。

数据采集卡换能器接收到的信号经接收机滤波和放大后，输入到一块采样率为250 K的4通道16位多功能同步数据采集卡。数字放大相当于手动增益控制。采用数字放大可以对接收机放大电路进行补偿，还可以对信号进一步放大。对采集到的信号放大，能使信号的上升沿变陡，在门限判定时能提高精定。LERNER滤波器在本项目的信号处理中，对信号幅度和相位的检测有很高的要求，LERNER滤波器是一个通带内幅度近似平坦，有锐截止频率特性和近似的线性相位特性的带通滤波器。所以选用LERNER滤波器。用4个极点来构成一个Lerner窄带带通滤波器。其极点图如图3所示。

两端的极点为修正极点。

模拟方式下的传递函数为：

其中是单个滤波器节的传递函数，

经计算机模拟，如果参数b/a选择得当，这样得到的四极点Lerner带通滤波器带通带宽近似为3a，中心频率近似为。这里b/a取为1。

它的数字形式为：

对应的四极点Lerner窄带带通数字滤波器结构见图4，图中代表中心频率为的数字LRC滤波器节。

对式（3），将代入，其中的用代入后可得出数字Lerner窄带滤波器的频率响应。

TVG模块用来补偿球面扩散和海水吸收衰减。由于本项目中频率范围大（7～25 kHz），在补偿吸收衰减时，不能利用在某一频率上的补偿系数，所以对LERNER滤波后的信号在每一个频率上分别进行TVG补偿。

检波可以得到每个频率上信号的包络，用来计算斜距。检波时，先对每路信号取绝对值，然后通过低通滤波器，就可以得到包络信号。在确定回波信号中所包括的某频率上信号时，假定在按一定的规律布放信标后，在每次收到信号中，任意2种频率信号的频率值相差在1 kHz以上。信号检波后，从第1个采样点开始，将每路信号的包络与门限比较，当某一频率的信号包络超过门限后，记录该频率和此时的采样点数，就能判定回波信号有该频率的信号，并得到了该频率信号的斜距。这时对该频率值附近的±1 kHz内的通道进行封闭，不再检测。继续对包络信号在剩余的通道上进行检测，就能得到回波信号中所有频率点上的斜距。

3 各阵元的回波信号频率和斜距的仿真计算

利用上述方法分别作了7 kHz，11 kHz，15 kHz的仿真。

仿真条件：

发射声源级 192，

接收灵敏度 –182，

水温 17 ℃。

通过仿真计算，可以得出：

1）不同信号频率的回波，通过上述算法所测得的时延误差非常接近；

2）不同距离的信号回波，通过上述算法所测得的时延误差也非常接近；

3）如果消除系统固定误差的影响（系统固定误差与滤波器的响应、门限的设置等因素有关），则测时误差一般可达到几十微秒左右。

证明本算法可行。

4 海试结果分析

图5是在南海某海域高精度水声定位标定系统对某型导航定位系统的精度进行标定，其中1#，2#，3#，4#应答器构成了海底应答器阵。良好海况，海深60 m，声速1 500 m/s，模拟目标声源6 m，系统同步周期6 s。目标船以小于5 kn航速在阵中低速航行。

图5中，代表水声标定系统的导航结果和代表目标船载的GPS轨迹轨迹几乎完全重合。证明水声定位标定系统的精度可靠。

5 结 语

本文通过对船载模拟目标声源进行定位时的回波信号测量处理，同时对不同频率下的定位精度进行仿真，证实了信号处理的准确性。提高了水声定位系统测量数据的科学性，具有良好的工程推广应用价值，对其他水声定位系统的精度标定具有借鉴意义。

参考文献：

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