本發(fā)明屬于水聲工程領(lǐng)域，涉及一種基于多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)及其信號(hào)形式設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

水聲超短基線系統(tǒng)是一種常見(jiàn)的水聲定位技術(shù)，與其它基線相比，超短基線定位系統(tǒng)基線基陣尺寸小，易于安裝，輕便靈活，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的水聲超短基線系統(tǒng)只支持單一用戶或者多個(gè)窄帶用戶的同時(shí)定位跟蹤，且當(dāng)進(jìn)行多用戶同時(shí)定位跟蹤時(shí)，用戶之間的干擾是多用戶數(shù)量受限的主要原因。在解決填海造地、水運(yùn)交通時(shí)的鋪排作業(yè)過(guò)程中，一般采用超短基線和長(zhǎng)基線組合導(dǎo)航的技術(shù)，一方面指導(dǎo)鋪排施工，另一方面對(duì)完成的排體進(jìn)行高精度水下定位檢測(cè)，此時(shí)需要對(duì)個(gè)水聲應(yīng)答器的高精度定位信息，因此水聲超短基線系統(tǒng)要滿足多個(gè)寬帶用戶的精確定位跟蹤需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)背景技術(shù)的不足提供了一種基于多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)及其信號(hào)形式設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案

一種多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)，包含聲頭和水聲應(yīng)答器，所述水聲應(yīng)答器包含入水檢測(cè)電路模塊、收發(fā)合置換能器模塊、mcu模塊、dsp模塊、發(fā)射電路模塊、接收電路模塊、壓力傳感器模塊、電源模塊；

入水檢測(cè)電路模塊，用于檢測(cè)水聲應(yīng)答器是否入水，入水即給系統(tǒng)供電，離開水即斷電；

收發(fā)合置換能器模塊，用于接收聲頭發(fā)射的聲信號(hào)，并發(fā)射定位信號(hào)給聲頭；

mcu模塊，與dsp模塊連接，用于檢測(cè)聲頭發(fā)射的喚醒信號(hào)，以及控制dsp模塊的工作；

dsp模塊，接受mcu模塊的控制，用于解算聲頭發(fā)射的定位信號(hào)；

發(fā)射電路模塊，用于對(duì)應(yīng)答聲信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和功率放大后發(fā)送給收發(fā)合置換能器；

接收電路模塊，用于對(duì)收發(fā)合置換能器接收的聲信號(hào)進(jìn)行功率放大、濾波處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換；

壓力傳感器模塊，用于檢測(cè)水聲應(yīng)答器的入水深度；

電源模塊，用于負(fù)責(zé)整個(gè)水聲應(yīng)答器的電源供給；

所述聲頭包含換能器基陣模塊、接收電路模塊、發(fā)射電路模塊、fpga模塊、arm模塊、甲板處理單元模塊、聲基陣位置和姿態(tài)校正模塊；

換能器基陣模塊，用于發(fā)射聲信號(hào)給水聲應(yīng)答器，并接收水聲應(yīng)答器發(fā)射的定位信號(hào)；

接收電路模塊，用于對(duì)水聲應(yīng)答器發(fā)射的定位信號(hào)進(jìn)行前期預(yù)處理；

發(fā)射電路模塊，用于對(duì)發(fā)射聲信號(hào)進(jìn)行前期預(yù)處理；

fpga模塊，用于接收電路模塊之后的數(shù)據(jù)采集，并驅(qū)動(dòng)dac模塊和同步聲學(xué)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、gps數(shù)據(jù)；

arm模塊，用于與上位機(jī)通信；

甲板處理單元模塊，用于處理聲學(xué)數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制命令；

聲基陣位置和姿態(tài)校正模塊，用于提供聲頭的精確位置和姿態(tài)信息；

一種基于多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)的信號(hào)形式設(shè)計(jì)方法，具體包含如下步驟：

步驟1，構(gòu)造gmw序列；

步驟2，根據(jù)gmw序列構(gòu)造低相關(guān)序列集；

步驟3，進(jìn)行boc調(diào)制。

作為本發(fā)明一種基于多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)的信號(hào)形式設(shè)計(jì)方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，gmw序列如下：

其中，α∈gf(pⁿ)且是本原元，是從擴(kuò)域gf(pⁿ)映射到基域gf(p^m)的函數(shù)，i是不為1的陪集首，且0≤k＜2ⁿ-2，0≤i＜2ⁿ-1，gcd(i，2^m-1)＝1。

作為本發(fā)明一種基于多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)的信號(hào)形式設(shè)計(jì)方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述步驟2具體步驟如下：

同一本原產(chǎn)生的兩個(gè)gmw序列，定義如下：

若m、n、r1、r2為整數(shù)，m|n,gcd(r1,2ⁿ-1)＝gcd(r2,2^m-1)＝1，t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，α是二元域的本原元，則兩個(gè)gmw序列定義為：

其中，x、y/{xi}、{yi}是兩個(gè)gmw序列，r1、r2屬于陪集，α∈gf(pⁿ)且是本原元。互相關(guān)函數(shù)定義為：

其中，rx,y(τ)是互相關(guān)函數(shù)，rx',y'(τ/t)是m序列的互相關(guān)函數(shù)，x',y'是m序列，t是序列長(zhǎng)度，τ是序列相位。且有：

其中，x'、y'/{xi'}、{yi'}是m序列，t是序列長(zhǎng)度，α∈gf(pⁿ)且是本原元，r1、r2屬于陪集。

由同一本原元產(chǎn)生的gmw序列具有良好的互相關(guān)特性，滿足低相關(guān)序列要求，但是由同一本原元生成的序列數(shù)量有限；

構(gòu)造二元低相關(guān)序列集，具體步驟如下：

步驟2.1，同一本原元產(chǎn)生的兩個(gè)gmw序列如下：

其中，a、b是gmw序列，m|n，gcd(r1,2ⁿ-1)＝gcd(r2,2^m-1)＝1，t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，α是二元域的本原元。a'、b'是a、b分別對(duì)應(yīng)著gf(2^m)上的m序列，即：

a'＝{ai'}＝{tr1^m(α^itr)}

b'＝{bi'}＝{tr1^m(α^its)}

其中，a'、b'/{ai'}、{bi'}是m序列，t是序列長(zhǎng)度，r、s屬于陪集。

步驟2.2，計(jì)算m序列a'和b'的互相關(guān)函數(shù)，若有m-1個(gè)時(shí)延滿足：

ra',b'(l1)＝ra',b'(l2)＝…ra',b'(lm-1)＝-1

其中，ra',b'(l)是m序列a'和b'的互相關(guān)函數(shù)，l是m序列的不同相位。

步驟2.3，基于gmw序列a、b構(gòu)成的復(fù)合序列集是：

其中，a是復(fù)合序列集，s是左移算子，a、b是兩個(gè)gmw序列，t是序列長(zhǎng)度，在序列集中任意兩個(gè)序列的互相關(guān)函數(shù)滿足：

其中，rx,y(τ)是復(fù)合序列集其中任兩個(gè)序列的互相關(guān)函數(shù)，rx',y'(τ/t)是構(gòu)成復(fù)合序列集的兩個(gè)gmw序列的互相關(guān)函數(shù)，t是序列長(zhǎng)度，τ是序列相位。此時(shí)，構(gòu)造出了序列數(shù)目是m，低相關(guān)值等于-1，低相關(guān)區(qū)長(zhǎng)度等于t的一個(gè)lcz序列集a。

作為本發(fā)明一種基于多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)的信號(hào)形式設(shè)計(jì)方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述步驟3具體如下：

在bpsk調(diào)制基礎(chǔ)上，進(jìn)行一個(gè)由正余弦型符號(hào)函數(shù)組成的副載波調(diào)制就是boc調(diào)制，boc調(diào)制偶數(shù)階信號(hào)的功率譜密度公式如下：

其中，f、fs、fc分別是載波頻率、副載波頻率和碼元速率。

bpsk信號(hào)調(diào)制是基帶脈沖控制載波相位的一種數(shù)字調(diào)制形式，它的功率譜密度公式：

其中，a是幅度，f、fc分別是載波頻率和碼元速率。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明利用跡函數(shù)在二元域上構(gòu)造出一類基于gmw序列的低相關(guān)區(qū)序列，得到在低相關(guān)區(qū)內(nèi)互相關(guān)函數(shù)邊峰取值為-1的低相關(guān)區(qū)序列集，當(dāng)水聲超短基線系統(tǒng)在同時(shí)定位多個(gè)水聲應(yīng)答器時(shí)，若將同步接收的時(shí)間點(diǎn)控制在碼分多址的低相關(guān)區(qū)之內(nèi)的話可以提升碼分多址直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的容量。

2、本發(fā)明利用在bpsk調(diào)制基礎(chǔ)上，進(jìn)行一個(gè)由正余弦型符號(hào)函數(shù)組成的副載波調(diào)制：boc調(diào)制，boc調(diào)制將信號(hào)功率調(diào)制到載波頻率兩邊的旁瓣上，提高了頻帶利用率和增加gabor帶寬，同時(shí)在臨近一個(gè)碼片范圍內(nèi)的相關(guān)函數(shù)主瓣更尖銳，進(jìn)一步保證多用戶信號(hào)檢測(cè)和分離。

附圖說(shuō)明

圖1為水聲應(yīng)答器硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)框圖；

圖2為聲頭硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)框圖；

圖3為低相關(guān)序列集中序列的周期自相關(guān)和周期互相關(guān)圖；

圖4為水聲超短基線系統(tǒng)三個(gè)用戶同時(shí)工作一個(gè)用戶同步接收時(shí)低相關(guān)性能比較圖；

圖5為水聲超短基線系統(tǒng)三個(gè)用戶同時(shí)工作一個(gè)用戶同步接收時(shí)低相關(guān)性能比較的局部放大圖；

圖6為boc(1,1)和bpsk的基帶功率譜密度曲線；

圖7為給定初始條件的boc(1,1)調(diào)制和bpsk調(diào)制的自相關(guān)圖；

圖8為基于低相關(guān)序列的boc(1,1)和bpsk性能比較圖；

圖9為基于低相關(guān)序列的boc(1,1)和bpsk性能比較的局部放大圖；

圖10為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖中標(biāo)號(hào)具體如下：1-聲頭，2-水聲應(yīng)答器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

一種多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)，如圖10所示，包含聲頭和水聲應(yīng)答器，如圖1所示，所述水聲應(yīng)答器包含入水檢測(cè)電路、收發(fā)合置換能器、mcu模塊、dsp模塊、接收電路、壓力傳感器、電源模塊；

如圖2所示，所述聲頭包含換能器基陣模塊、接收電路模塊、發(fā)射電路模塊、fpga模塊、arm模塊、甲板處理單元模塊、聲基陣位置和姿態(tài)校正模塊:換能器基陣模塊用于發(fā)射聲信號(hào)給水聲應(yīng)答器，并接收水聲應(yīng)答器發(fā)射的定位信號(hào)；接收電路模塊(前放、濾波、agc、adc)對(duì)水聲應(yīng)答器發(fā)射的定位信號(hào)進(jìn)行前期預(yù)處理；fpga模塊用于接收電路模塊之后的數(shù)據(jù)采集，并驅(qū)動(dòng)dac模塊和同步聲學(xué)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、gps數(shù)據(jù)；arm模塊用于與上位機(jī)通信；甲板處理單元模塊用于處理聲學(xué)數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制命令；聲基陣位置和姿態(tài)校正模塊用于提供聲頭的精確位置和姿態(tài)信息。

低互相關(guān)序列集的構(gòu)造。所述一種基于擴(kuò)頻通信的多用戶水聲超短基線定位系統(tǒng)信號(hào)形式設(shè)計(jì)算法利用gmw序列構(gòu)造低相關(guān)序列集，在序列集內(nèi)的任意兩個(gè)序列具有一定長(zhǎng)度的低互相關(guān)窗，當(dāng)某個(gè)序列同步接收時(shí)可以有效減小其它序列的多址干擾。

跡函數(shù)實(shí)質(zhì)是從擴(kuò)域gf(pⁿ)映射到基域gf(p^m)的函數(shù)，定義為：

gmw序列，定義式為：

其中，α∈gf(pⁿ)且是本原元，0≤k＜2ⁿ-2，0≤i＜2ⁿ-1，gcd(i，2^m-1)＝1；

基于gmw序列的低相關(guān)區(qū)序列集的構(gòu)造如下，同一本原產(chǎn)生的兩個(gè)gmw序列，定義如下：

若m、n、r1、r2為整數(shù)，m|n,gcd(r1,2ⁿ-1)＝gcd(r2,2^m-1)＝1，t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，α是二元域的本原元。則兩個(gè)gmw序列定義為：

互相關(guān)函數(shù)定義為：

其中，x',y'是m序列，且有：

由同一本原元產(chǎn)生的gmw序列具有良好的互相關(guān)特性，滿足低相關(guān)序列要求。但是由同一本原元生成的序列數(shù)量有限，下面介紹long等人基于gmw序列復(fù)合形式，構(gòu)造二元低相關(guān)序列集，步驟如下：

第1步同一本原元產(chǎn)生的兩個(gè)gmw序列如下：

其中，m|n，gcd(r1,2ⁿ-1)＝gcd(r2,2^m-1)＝1，t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，α是二元域的本原元。a'、b'是a、b分別對(duì)應(yīng)著gf(2^m)上的m序列，即：

a'＝{ai'}＝{tr1^m(α^itr)}

b'＝{bi'}＝{tr1^m(α^its)}

第2步計(jì)算m序列a'和b'的互相關(guān)函數(shù)，若有m-1個(gè)時(shí)延滿足：

ra',b'(l1)＝ra',b'(l2)＝…ra',b'(lm-1)＝-1

第3步基于gmw序列a、b構(gòu)成的復(fù)合序列集是：

其中，s是左移算子。在序列集中任意兩個(gè)序列的互相關(guān)函數(shù)滿足：

此時(shí)，構(gòu)造出了序列數(shù)目是m，低相關(guān)值等于-1，低相關(guān)區(qū)長(zhǎng)度等于t的一個(gè)lcz序列集a。

低相關(guān)序列集中任一個(gè)序列擁有和m序列一樣完美的周期自相關(guān)函數(shù)，任兩個(gè)序列的周期互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)延附近有一段長(zhǎng)度是t＝(2ⁿ-1)/(2^m-1)，數(shù)值是-1/1023低相關(guān)窗。在水聲超短基線多用戶定位跟蹤模式下，單用戶對(duì)聲頭發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行同步接收時(shí)，其它用戶的多址干擾決定了系統(tǒng)多用戶的數(shù)量，如果把同步時(shí)間點(diǎn)放在低相關(guān)區(qū)域內(nèi)將有效地減小多址的干擾。定位信號(hào)持續(xù)時(shí)間超過(guò)水聲信道時(shí)延擴(kuò)展的情況下，并不是所有移位相關(guān)結(jié)果都影響多徑帶來(lái)的干擾，對(duì)于超出水聲信道時(shí)延擴(kuò)展的相關(guān)結(jié)果，對(duì)性能沒(méi)有影響，如果把多徑的位置控制在低相關(guān)區(qū)域內(nèi)將有效地減小多徑的干擾。低相關(guān)序列集中序列的周期自相關(guān)和周期互相關(guān)圖如圖3，上子圖是低相關(guān)序列集中的任一個(gè)序列的循環(huán)自相關(guān)函數(shù)，下子圖是低相關(guān)序列集內(nèi)任意兩個(gè)序列的循環(huán)互相關(guān)函數(shù)；

當(dāng)水聲超短基線系統(tǒng)三個(gè)水聲應(yīng)答(三個(gè)用戶)同時(shí)工作時(shí)，聲頭將低相關(guān)序列集中的三通道序列疊加發(fā)射，每個(gè)水聲應(yīng)答器對(duì)應(yīng)id的低相關(guān)序列同步接收，此時(shí)其它水聲應(yīng)答器的低相關(guān)序列對(duì)當(dāng)前水聲應(yīng)答器來(lái)說(shuō)是多址干擾，此時(shí)的同步時(shí)間點(diǎn)必然是在低互相關(guān)區(qū)域內(nèi)，其它水聲應(yīng)答器對(duì)當(dāng)前同步接收水聲應(yīng)答器的多址干擾較小。水聲超短基線系統(tǒng)三個(gè)用戶同時(shí)工作一個(gè)用戶同步接收時(shí)低相關(guān)性能比較圖如圖4，上子圖發(fā)射信號(hào)形式是低相關(guān)序列集中的三個(gè)序列三通道疊加，中子圖發(fā)射信號(hào)形式是不具有優(yōu)良互相關(guān)特性的三個(gè)低相關(guān)序列三通道疊加，下子圖發(fā)射信號(hào)形式是一個(gè)低相關(guān)序列與gold序列和m序列三通道疊加，且水聲超短基線系統(tǒng)三個(gè)用戶同時(shí)工作一個(gè)用戶同步接收時(shí)低相關(guān)性能比較的局部放大圖如圖5；

boc調(diào)制。二進(jìn)制偏移載波鍵控(boc)技術(shù)是galileo導(dǎo)航系統(tǒng)的主要調(diào)制體制，是針對(duì)原有信號(hào)頻帶與gps增發(fā)的信號(hào)頻帶共用的目的提出來(lái)的。傳統(tǒng)的bpsk調(diào)制方式是將信號(hào)的能量集中在載頻附近。boc調(diào)制方式具有頻譜分裂的特點(diǎn)，將信號(hào)的能量推向載頻兩邊。這既能使兩種調(diào)制方式并存提高頻帶利用率，又能增加gabor帶寬，同時(shí)在臨近一個(gè)碼片范圍內(nèi)的相關(guān)函數(shù)主瓣更尖銳，進(jìn)一步保證多用戶信號(hào)檢測(cè)和分離。

在bpsk調(diào)制基礎(chǔ)上，進(jìn)行一個(gè)由正余弦型符號(hào)函數(shù)組成的副載波調(diào)制就是boc調(diào)制。boc(fs，fc)調(diào)制偶數(shù)階信號(hào)的功率譜密度公式如下：

其中，fs、fc分別是副載波頻率和碼率與基準(zhǔn)碼元速率的比值。

bpsk信號(hào)調(diào)制，也稱二進(jìn)制相移鍵控，是基帶脈沖控制載波相位的一種數(shù)字調(diào)制形式，它的功率譜密度公式：

其中，a是幅度，fc是碼元速率。當(dāng)幅度a為1，基準(zhǔn)碼元速率為500cps，可得boc(1,1)和bpsk的基帶功率譜密度曲線如圖6，由圖可以看出，boc(1,1)調(diào)制在頻帶寬度不變的條件下將頻譜分裂成左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，fs、fc這兩個(gè)參數(shù)決定了兩邊主瓣之間主、旁瓣的個(gè)數(shù)。因此推算boc(1,1)主瓣之間主、旁瓣的個(gè)數(shù)為兩個(gè)，即證明主瓣間旁瓣的個(gè)數(shù)為零；

由維納-辛欽定理可知，在功率譜密度已知條件下可推導(dǎo)出自相關(guān)函數(shù)。假設(shè)是頻率帶限的接收系統(tǒng)，它的歸一化自相關(guān)函數(shù)與功率譜密度的關(guān)系如下：

其中，b是水聽器頻帶寬度，給出初始條件和功率譜密度就得到boc(1,1)調(diào)制和bpsk調(diào)制的自相關(guān)函數(shù)如圖7，由圖可以看出，在相同的頻帶寬度時(shí)，bpsk調(diào)制方式的自相關(guān)曲線沒(méi)有boc(1,1)調(diào)制的自相關(guān)曲線尖銳，這對(duì)時(shí)延精度的提高大有幫助；

(3.2)基于boc調(diào)制的低相關(guān)窗水聲同步系統(tǒng)。下面分別對(duì)基于低相關(guān)序列的不同調(diào)制方式的同步性能進(jìn)行比較研究，調(diào)制方式采用傳統(tǒng)的bpsk調(diào)制方式和改進(jìn)的boc調(diào)制方式，同樣采用水聲超短基線系統(tǒng)中三個(gè)水聲應(yīng)答同時(shí)工作時(shí)，聲頭將低相關(guān)序列集中的三通道序列疊加發(fā)射，每個(gè)水聲應(yīng)答器對(duì)應(yīng)id的低相關(guān)序列同步接收，基于低相關(guān)序列的boc(1,1)和bpsk性能比較如圖8，基于低相關(guān)序列的boc(1,1)和bpsk性能比較的局部放大圖如圖9，由圖8和圖9可以看出，在取得低相關(guān)區(qū)的基礎(chǔ)上，基于boc調(diào)制方式呈現(xiàn)明顯的頻譜分裂特性，且基于boc調(diào)制方式在正負(fù)一個(gè)碼片范圍內(nèi)的歸一化相關(guān)峰最大邊峰的值是0.6158，主峰寬度約為0.3ms。而基于bpsk調(diào)制方式在正負(fù)一個(gè)碼片范圍內(nèi)的相關(guān)峰最大邊峰的值是0.8747，主峰寬度約為1ms。可知次大峰的值得到明顯的改善，且主峰寬度明顯減小。這可以大大減小多徑干擾的影響，提高在正負(fù)碼片范圍內(nèi)的定位精度。