基于gold序列的主動(dòng)式目標(biāo)探測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于GOLD序列的主動(dòng)式目標(biāo)探測裝置及方法，屬于水聲探測領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 目前，在水下通信技術(shù)中，因?yàn)樗碾妼?dǎo)率比較大，傳統(tǒng)的光波和電磁波在水中的 衰減比較大，而聲波是一種機(jī)械波，在水中可以遠(yuǎn)距離傳輸，因此，聲波在水聲通信中得到 了廣泛的應(yīng)用。在水聲探測中，由于受到船槳和水的波動(dòng)等，經(jīng)常受到多種隨機(jī)因素的噪聲 的干擾，會(huì)對(duì)聲波信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾，因此，需要降低噪聲，提高信號(hào)的信噪比，偽隨機(jī)序 列具有良好的抗噪性，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003] GOLD序列是一種偽隨機(jī)序列，其具有良好的自相關(guān)性，可以將這種良好的自相關(guān) 性和較差的互相關(guān)性特點(diǎn)，應(yīng)用于水聲探測領(lǐng)域，從而達(dá)到物體探測的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述缺陷，本發(fā)明提供了一種基于GOLD序列的主動(dòng)式目標(biāo)探測裝置及方 法，利用GOLD序列具有較好的自相關(guān)性的特點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)于物體的探測，具有抗噪性好、實(shí) 現(xiàn)方便等特點(diǎn)。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為，基于GOLD序列的主動(dòng)式目標(biāo) 探測裝置，其特征在于，包括信號(hào)源模塊、調(diào)制模塊、匹配模塊、水聲換能器、濾波放大模塊、 解調(diào)模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸處理模塊；
[0006] 所述的信號(hào)源模塊，通過m序列產(chǎn)生GOLD序列作為信號(hào)源，通過信號(hào)發(fā)生器發(fā)射信 號(hào)源；
[0007] 所述的調(diào)制模塊，是利用頻移鍵控的調(diào)制方法，對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)源進(jìn)行調(diào)制，得到調(diào) 制之后的信號(hào)源；
[0008] 所述的匹配模塊，使信號(hào)發(fā)生器向水聲換能器輸出額定的電功率，提高水聲換能 器的輸出功率；
[0009] 所述的水聲換能器，將聲能和電能兩種形式的能量進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換，可將調(diào)制之后 的信號(hào)源轉(zhuǎn)化為聲能，以聲能的形式在水中發(fā)射超聲波束，也可以將接收到的超聲波束轉(zhuǎn) 換為信號(hào)源；
[0010] 所述的濾波放大模塊，濾除聲波信號(hào)在水中傳輸所遇到的噪聲信號(hào)，對(duì)聲波信號(hào) 進(jìn)行放大處理；
[0011] 所述的解調(diào)模塊，將所接收的聲波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到解調(diào)后的信號(hào)；
[0012] 所述的信號(hào)處理模塊，將解調(diào)之后的信號(hào)，與發(fā)射之前的信號(hào)源進(jìn)行相關(guān)性處理， 繪制出相關(guān)性曲線；
[0013] 所述的數(shù)據(jù)傳輸處理模塊，使用定時(shí)器來確定聲波信號(hào)在水中傳輸?shù)臅r(shí)間，計(jì)算 得出物體距離信號(hào)源的距離。
[0014] 所述的信號(hào)源模塊，信號(hào)源為GOLD序列，GOLD序列是一種偽隨機(jī)序列。
[0015] 所述的匹配模塊用于阻抗變換和調(diào)諧，即通過阻抗變換以使信號(hào)發(fā)生器輸出額定 功率、減除水聲換能器工作頻率上的輸出電壓和電流的相位差。
[0016] 所述的信號(hào)處理模塊，將解調(diào)后的信號(hào)與原有的信號(hào)源進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算并繪制出 其相關(guān)性曲線，當(dāng)相關(guān)性曲線具有明顯的尖峰時(shí)，則表示是信號(hào)源的自相關(guān)性，表示接收到 的信號(hào)源與原來的信號(hào)源一致，即發(fā)射出去具有指向性的超聲波束遇到了物體，經(jīng)過物體 的反射，被水聲換能器所接收，表示此時(shí)探測到了物體；當(dāng)相關(guān)性曲線沒有尖峰時(shí)，則表示 是信號(hào)源的互相關(guān)性，表示接收到的信號(hào)與發(fā)射的信號(hào)不是同一個(gè)信號(hào)，在發(fā)射信號(hào)的方 向上沒有物體。
[0017] 所述數(shù)據(jù)傳輸處理模塊具有計(jì)時(shí)的功能，當(dāng)水聲換能器發(fā)射超聲波束時(shí)，打開定 時(shí)器，開始計(jì)時(shí)；當(dāng)接收到聲波信號(hào)時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器，停止計(jì)時(shí);計(jì)算出時(shí)間差，根據(jù)時(shí)間差， 利用聲波在水中傳播距離的公式，得出物體和信號(hào)源之間的距離。
[0018] 基于GOLD序列的主動(dòng)式目標(biāo)探測方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0019] (1)使用GOLD序列作為探測的信號(hào)源；
[0020] (2)使用調(diào)頻的方式，對(duì)GOLD序列進(jìn)行調(diào)制，得到調(diào)制之后的信號(hào)源；
[0021] (3)經(jīng)過匹配模塊，使信號(hào)發(fā)生器向水聲換能器輸出額定的電功率，提高水聲換能 器的輸出功率；
[0022] (4)在同步時(shí)鐘下，水聲換能器在水中發(fā)射具有一定角度的指向性的超聲波束，數(shù) 據(jù)傳輸處理模塊開始工作，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)；
[0023] (5)當(dāng)具有指向性的超聲波束發(fā)射到物體表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射波，水聲換能器 可以接收到發(fā)射過來的聲波信號(hào)，同時(shí)水聲換能器也可以接收到其它物體所發(fā)射的聲波信 號(hào)；
[0024] (6)當(dāng)水聲換能器接收到聲波信號(hào)時(shí)，此時(shí)定時(shí)器關(guān)閉，將時(shí)間值傳輸給數(shù)據(jù)處理 豐旲塊；
[0025] (7)水聲換能器接收到的聲波信號(hào)通過解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)得到解調(diào)后的信號(hào)；
[0026] (8)信號(hào)處理模塊中存儲(chǔ)原有的信號(hào)源GOLD序列，將解調(diào)后的信號(hào)與原有的信號(hào) 源GOLD序列進(jìn)行相關(guān)性處理，并得到相關(guān)性曲線；
[0027] (9)根據(jù)相關(guān)性曲線，當(dāng)圖像出現(xiàn)一定的峰值，表示為信號(hào)源的自相關(guān)性，即接收 到的聲波信號(hào)與發(fā)射的聲波信號(hào)為同一信號(hào)，當(dāng)圖像沒有出現(xiàn)峰值時(shí)，表示為信號(hào)的互相 關(guān)性，即接收到的聲波信號(hào)與發(fā)射的聲波信號(hào)不是同一信號(hào)；
[0028] (10)根據(jù)自相關(guān)性曲線，可以知道有物體的存在，記錄聲波信號(hào)的發(fā)射方向角，并 根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊的時(shí)間值，計(jì)算出物體距離信號(hào)源的距離，再結(jié)合聲波信號(hào)的發(fā)射方向 角，得出物體的位置。
[0029]所述數(shù)據(jù)傳輸處理模塊中距離的計(jì)算過程為:定時(shí)器打開時(shí)，時(shí)間為1^，定時(shí)器關(guān) 閉時(shí)，時(shí)間為τ2，聲波在水中的速度為V;
[0030] 聲波在水中傳播的時(shí)間Δ τ: Δ τ = IVTi。
[0031] 物體距離信號(hào)源的距離為S:
[0032]信號(hào)源模塊包括:CPU、m序列、GOLD序列;m序列由η個(gè)串聯(lián)的線性反饋寄存器、移位 脈沖產(chǎn)生器和模二加法器組成;第i級(jí)移位寄存器的狀態(tài)用匕表示，且匕的取值為0或1，其中 bi中的i取值為整數(shù);反饋線的連接狀態(tài)用Ci表示，Ci的取值為0或1，當(dāng)Ci取值為1時(shí)，表示此 線接通，參加反饋;Cl取值為0時(shí)，表示此線斷開，不參加反饋;c沖的i取值也為整數(shù)。
[0033] GOLD序列是基于m序列優(yōu)選對(duì)產(chǎn)生的碼序列，數(shù)量大于m序列的數(shù)量，兩個(gè)η級(jí)本原 多項(xiàng)式產(chǎn)生2個(gè)m序列，產(chǎn)生1個(gè)GOLD序列；兩個(gè)m序列，如果它們的互相關(guān)函數(shù)的絕對(duì)值有 界，且滿足以下條件：
[0035]其中R(W為兩個(gè)m序列的互相關(guān)函數(shù)，則這對(duì)m序列為優(yōu)選對(duì);如果把兩個(gè)m序列發(fā) 生器產(chǎn)生的優(yōu)選對(duì)序列模二相加，則產(chǎn)生一個(gè)新的碼序列，即GOLD序列，使用CPU產(chǎn)生GOLD 序列。
[0036]自相關(guān)性曲線利用GOLD序列的自相關(guān)函數(shù)表示，其定義數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
，表達(dá)式中，f(t)為信號(hào)（即GOLD序列）的時(shí)間函數(shù)，τ為時(shí)間延 遲，f(t-i)為f(t)經(jīng)時(shí)間τ的延時(shí)后得到的序列，Τ為信號(hào)源的一個(gè)最小周期，Τ/2為信號(hào)源 一個(gè)最小周期的一半。
[0037]信號(hào)的互相關(guān)性是兩個(gè)不同的信號(hào)之間的相關(guān)性，不同信號(hào)之間的互相關(guān)函數(shù)定
，表達(dá)式中，f(t)與g(t)兩序列為隨機(jī)序列，g(t-T)是 函數(shù)g(t)經(jīng)時(shí)間τ的延時(shí)后得到的序列，T為信號(hào)源的一個(gè)最小周期，T/2為信號(hào)源一個(gè)最小 周期的一半。
[0038]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：
[0039] 1.本發(fā)明利用了GOLD序列的自相關(guān)性來進(jìn)行物體的探測，根據(jù)信號(hào)的相關(guān)性曲 線，得出是否有物體的存在，由于GOLD序列是一種偽隨機(jī)序列，具有較好的抗噪性能，在一 定程上減少了噪聲信號(hào)的干擾。
[0040] 2.本發(fā)明利用了發(fā)射的聲波具有指向性，可以探測到物體位于信號(hào)源的方向，根 據(jù)聲波在水中傳播的時(shí)間，利用相關(guān)的公式，可以