一种基于水声基线定位系统的测距方法与流程

1.本技术涉及水声测量领域，具体地，涉及一种基于水声基线定位系统的测距方法。


背景技术：

2.声学定位技术在海洋开发中有着广泛的应用，长基线（long base line，简称lbl）、短基线（short base line，简称sbl）、超短基线（ultra-short base line，简称usbl）声学定位系统，是近年来受到广泛应用且发展速度十分迅速的水下声学定位系统。受限于电磁波再海洋环境中迅速衰减特性，水下定位系统传播媒介转而使用声波替代。
3.长基线与短基线定位系统中主要依赖的是声学测距方法进行定位，声学通信方式进行测距，通过多个声基元的后方交会等定位算法进行目标点定位；超短基线定位系统同样也是借助声学通信方法进行测距，同时依赖多基元联合测向进行目标方位的获取，测距与测向联合解算目标点定位。基于水声基线定位系统的工作模式，声学测距方法是定位的关键技术之一，且测距精度会直接影响定位精度。
4.传统窄带脉冲信令及其工作模式下，在面对恶劣的海洋环境时暴露出众多不足，窄带信号经过复杂水下声场环境传输后到达声基阵时难以捕捉，损失相当的信息，尤其在浅海声场中会面对多径干扰与多普勒扩展等快速时变冲激响应复杂声场调制环境，窄带脉冲信令携带信息很容易被湮没在复杂环境噪声中。现有国内外的声学定位系统测距方式大多采用二代数字宽带扩频信号通信技术测相，进而获取测距数据，以此对抗多径干扰与多普勒扩展等问题。
5.现有利用二代数字扩频信号通信技术测相测距，受限于声学传输速率低的特性，国内现存单对声基元-声学应答器间测距精度最高能达到分米级，且在浅海复杂海域环境下效果仍有折扣。现有的水声数字宽带扩频通信方式借鉴于无线cdma技术，采用伪随机码同步过程进行测相测距过程有天然的系统精度限制，同步精度也就是测距精度跟随码元宽度变化。且现有测距方法仅为宽带通信交互信息，而非专业针对水声定位目标设计的高精度测距方法。寻找对现存水声宽带扩频通信技术测距的改进方法，提高系统整体定位精度，契合水声基线定位系统的工作模式，能够在复杂海域声场环境下稳定工作，这是水声基线定位系统面临的主要问题。
6.由于以上现有技术存在种种不足，寻找能够满足声学基线定位系统的高精度测距方法成为解决水声基线定位系统测距定位问题的研究重点。


技术实现要素：

7.本技术的目的在于提供一种基于水声基线定位系统的测距方法，用于解决上述现有技术中存在的问题。
8.本技术的实施例可以通过以下技术方案实现：一种基于水声基线定位系统的测距方法，包括以下步骤：s100：基于预设的扩频信号和预设的调制信号确定与原始信号对应的发射信号，
所述原始信号中包括发射时间信息；s200：使用所述水声基线定位系统的发射单元将所述发射信号发射到水声环境中；s300：从所述水声基线定位系统的接收单元持续接收的水声信号中确定有效信号和频率修正值，所述有效信号是所述发射信号经水声环境传播后被所述接收单元接收到的信号，所述频率修正值基于所述调制信号和所述有效信号确定；s400：基于所述扩频信号、所述调制信号和所述频率修正值确定相关性检测信号；s500：基于所述相关性检测信号对所述有效信号进行滑动相关检测，确定所述有效信号的到达时间信息；s600：基于所述调制信号、所述扩频信号和所述有效信号获取所述发射时间信息，基于所述发射时间信息和所述到达时间信息确定所述发射信号的传播时间以及所述发射单元到所述接收单元的距离。
9.进一步地，所述步骤s100中基于扩频信号和调制信号确定与原始信号对应的发射信号，进一步包括以下步骤：使用所述扩频信号对所述原始信号进行扩频，得到扩频后的原始信号；使用所述调制信号对所述扩频后的原始信号进行差分相移键控调制，得到所述发射信号。
10.进一步地，所述扩频信号为伪随机码序列。
11.优选地，所述扩频信号为gold序列。
12.进一步地，所述步骤s300中从所述水声基线定位系统的接收单元持续接收的水声信号中确定有效信号和频率修正值，进一步包括以下步骤：s310：使用所述水声基线定位系统的接收单元持续接收水声信号；s320：实时计算所述持续接收的水声信号的频谱；s330：在多普勒频移搜索范围内对所述持续接收的水声信号的频谱进行搜索，判断是否存在超过频率峰检测阈值的频率峰，如判断结果为假，则返回执行步骤s310，如判断结果为真，则执行步骤s340，其中，s340：对判断结果为真处的所述水声信号进行信号回滚及信号截取操作，得到有效信号，计算所述有效信号的峰值频率与所述调制信号的峰值频率的差值，得到所述频率修正值。
13.优选地，所述多普勒频移搜索范围基于所述调制信号确定，所述频率峰检测阈值基于所述水声基线定位系统的性能确定。
14.进一步地，所述步骤s400进一步包括以下步骤：使用所述调制信号对所述扩频信号进行差分相移键控调制，得到相关性检测信号；使用所述频率修正值对所述相关性检测信号进行频率修正。
15.进一步地，所述步骤s500进一步包括以下步骤：s510：设置所述相关性检测信号与所述有效信号的相对位置的初始值和滑动步长；s520：计算所述相关性检测信号和所述有效信号的相关性；s530：判断所述相关性是否超过相关性阈值，如判断结果为假，执行步骤s540后返回执行步骤s520，如判断结果为真，则执行步骤s550，其中，
s540：根据所述滑动步长重新设置所述相关性检测信号与所述有效信号的相对位置；s550：根据判断结果为真值时所述相关性检测信号相对于所述有效信号的位置确定所述有效信号的到达时间。
16.优选地，所述相关性阈值基于所述扩频信号的性质确定。
17.进一步地，所述步骤s600中基于所述调制信号、所述扩频信号和所述有效信号获取所述发射时间信息，进一步包括以下步骤：基于所述调制信号对所述有效信号进行相干解调处理，得到解调后的有效信号；对所述解调后的有效信号进行采样判决，得到判决信号；基于所述扩频信号对所述判决信号进行解扩处理，得到所述原始信号；基于所述原始信号获取所述发射时间信息。
18.本技术的实施例提供的一种基于水声基线定位系统的测距方法至少具有以下有益效果：(1) 本技术的技术方案采用将接收到的有效信号与本地生成的相关性检测信号进行滑动相关法判别的方式确定有效信号的起始位置，区别于现有技术的通过解调手段提取码元信息后再进行码元同步的检测方法，本技术的技术方案对于已调制信号直接在载波的形式上进行同步检测，同时利用了伪随机码序列的自相关特性与载波的幅度增益特性，使得检测精度较码元同步方法具有提升效果；(2) 本技术的技术方案对于有效信号先进行解调处理，再进行解扩处理，区别于现有通信过程中先解扩再解调的步骤，本技术的技术方案可以尽可能大地保存扩频信号的相关特性。
附图说明
19.图1为根据本技术实施例提供的一种基于水声基线定位系统的测距方法的流程图；图2为根据本技术实施例的原始信号的波形；图3为根据本技术实施例的生成gold序列的示意图；图4为根据本技术实施例的gold序列的自相关与互相关特性；图5为根据本技术实施例的扩频后的原始信号的波形；图6为根据本技术实施的发射信号的时域和频域波形；图7为根据本技术实施例的确定有效信号及频率修正值的流程图；图8为根据本技术实施例的有效信号的频域波形；图9为根据本技术实施例的步骤s500的流程图；图10为根据本技术实施例的相关性检测信号与有效信号的相关性随相对位置的变化关系；图11为根据本技术实施例的对有效信号进行相干解调的示意图；图12为根据本技术实施例的对采样判决信号进行解扩得到的原始信号的波形图；图13为根据本技术实施例的不同信噪比下的仿真结果。
具体实施方式
20.以下，结合本技术的实施例并参照附图对本技术的技术方案进行清楚、完整的描述，应当说明的是，以下所描述的实施例用于使本技术领域的技术人员更好地理解本技术的技术方案，而不是代表本技术的所有实施例。基于本技术中的实施例，本技术领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
21.本技术的说明书、权利要求书和附图中所使用的“第一”、“第二”等表述是为了区分类似的单元或对象，而不是用于限定特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“包括”、“具有”以及他们的任何可以替换的表述，意图在于覆盖不排他的包含，例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法固有的其他步骤或单元。
22.除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本技术中的具体含义。
23.为解决背景技术中所述的现有技术存在的问题，本技术的实施例提供一种基于水声基线定位系统的测距方法，图1为根据本技术提供的一种基于水声基线定位系统的测距方法的流程图，如图1所示，包括以下步骤：s100：基于预设的扩频信号和预设的调制信号确定与原始信号对应的发射信号，所述原始信号中包括发射时间信息；s200：使用所述水声基线定位系统的发射单元将所述发射信号发射到水声环境中；s300：从所述水声基线定位系统的接收单元持续接收的水声信号中确定有效信号和频率修正值，所述有效信号是所述发射信号经水声环境传播后被所述接收单元接收到的信号，所述频率修正值基于所述调制信号和所述有效信号确定；s400：基于所述扩频信号、所述调制信号和所述频率修正值确定相关性检测信号；s500：基于所述相关性检测信号对所述有效信号进行滑动相关检测，确定所述有效信号的到达时间信息；s600：基于所述调制信号、所述扩频信号和所述有效信号获取所述发射时间信息，基于所述发射时间信息和所述到达时间信息确定所述发射信号的传播时间以及所述发射单元到所述接收单元的距离。
24.本技术的实施例提供的测距方法所使用水声基线定位系统进行原始信号在水声环境中的发射和接收，水声基线定位系统所包括的发射单元与接收单元的具体结构以及在水声环境中进行信号的发射与接收的工作原理为本领域技术人员所知晓。
25.以下结合附图对本技术实施例的优选的实现方式进行详细介绍。
26.本实施例的步骤s100为利用预设的扩频信号和调制信号对原始信号进行扩频和载波调制得到发射信号的步骤，其中，原始信号包括了发射时间信息，以用于最后的发射信号在水声环境中传播时间的解算。
27.在本实施例的一些实施方式中，原始信号为包含了unix时间戳的数字信号；在本
实施例的另一些实施方式中，也可以在原始信号中加入其他格式的发射时间信息。在数字信号中插入特定信息的技术为本领域技术人员所知晓。图2示出了根据本实施例的一个具体实施方式的原始信号的波形。
28.在本实施例的一些的实施方式中，首先使用伪随机码序列对原始信号进行扩频，得到扩频后的原始信号。使用伪随机码序列对信号码元进行扩频是宽带扩频通信技术领域的通用技术，其作用机理是在固有码片速率下产生易于生成的特定二进制波形，通过特定方式对信号码元进行匹配以扩展信号频带，由于伪随机码序列速率比信号码元速率要大得多，一般伪序列码速率/信号码元速率为远大于1的整数，使得经过处理扩频后的信号增益远大于0。
29.在本实施例的一些优选实施方式中，所使用的伪随机码序列可以是gold序列，图3示出了构造gold的示意图，具体地，首先通过带线性反馈的移位寄存器生成两个m序列，两个m序列产生后同步模2加可得到gold序列，生成gold序列后将其与原始信号模2加后即得到扩频后的原始信号，图4示出了上述实施方式中生成的gold序列的自相关性与互相关性，图5示出了经过gold扩频得到的扩频后的原始信号的波形，通过图4可以看出，伪随机码序列同时具有强自相关性和弱互相关性，因此经过扩频后的原始信号经水声环境传播后能够通过其自相关的尖锐相关峰进行匹配同步从而进行精确定位。
30.通过上述实施方式得到扩频后的原始信号后，需要进一步使用调制信号对其进行差分相移键控调制，生成发射信号。对码元信号进行二进制差分相移键控调制能够避免二进制相移键控调制的相位模糊问题，对后续解调时信号码元同步提供帮助。在本实施例的一个优选的实施方式中，利用频率为20khz的正弦波作为调制信号对扩频后的原始信号的差分信号进行相移键控调制，生成发射信号，图6示出了经过差分相移键控调制后生成的发射信号的时域和频域波形。
31.步骤s200为将发射信号发射到水声环境中的步骤，具体地，发射通过水声基线定位系统的发射单元进行，发射单元读取发射信号，通过fpga发射板与换能器将其发射到水声环境中。
32.步骤s300为获取发射信号经过水声环境传播后的有效信号及频移的过程，在本实施例的一些优选的实施方式中，如图7所示，包括以下步骤：s310：使用所述水声基线定位系统的接收单元持续接收水声信号；s320：实时计算所述持续接收的水声信号的频谱；s330：在多普勒频移搜索范围内对所述持续接收的水声信号的频谱进行搜索，判断是否存在超过频率峰检测阈值的频率峰，如判断结果为假，则返回执行步骤s310，如判断结果为真，则执行步骤s340，其中，s340：对判断结果为真处的所述水声信号进行信号回滚及信号截取操作，得到有效信号，计算所述有效信号的峰值频率与所述调制信号的峰值频率的差值，得到所述频率修正值。
33.在本实施例的一些优选的实施方式中，使用水声基线定位系统的接收单元的换能器与fpga板持续接收水声信号并进行实时多普勒搜索，具体地，将接收到的水声信号进行模数转换，对得到的数字信号进行实时傅里叶变换得到其实时频谱，根据调制信号频率设定多普勒频移搜索范围，在多普勒频移搜索范围内搜索其实时频谱内是否存在超过频率峰
检测阈值的频率峰(频率峰检测阈值根据水声基线定位系统的性能参数预先确定)，如搜索到，则从检测到的位置处进行信号回滚及信号截取，将截取的信号作为发射信号经过水声环境传播后被接收单元接收的有效信号，然后计算其峰值频率与调制信号的峰值频率的差值，将其作为频率修正值；如未搜索到，则持续进行水声信号的接收并重复进行上述搜索。图8示出了上述实施方式所获取的有效信号的波形。
34.步骤s400和步骤s500分别用于生成相关性检测信号，并通过相关性检测信号与有效信号的滑动相关性检测确定有效信号的到达时间。
35.如前述分析，利用伪随机码的强自相关性和弱互相关性可以对有效信号的到达时间进行精确地定位，其原理是利用步骤s100中使用的调制信号对步骤s100中使用的伪随机码序列进行差分相移键控调制，得到相关性检测信号，并使用频率修正值对其进行修正，经过修正后的相关性检测信号，与经过水声环境传播后的有效信号具有较强的自相关性与较弱的互相关性，利用相关性检测信号与有效信号进行滑动相关检测，即可获得有效信号的精确到达时间。
36.具体地，如图9所示，首先设定相关性检测信号与有效信号相对位置的初始值以及滑动步长，然后计算相关性检测信号与有效信号的相关性并判断是否超过预先确定的相关性阈值(相关性阈值根据所使用的扩频信号的性质确定)，如果超过，则将该相关性检测信号相对于有效信号的位置确定为信号到达时间，如果未超过，则按照滑动步长移动相关性检测信号并重新计算相关性。
37.图10为本实施例的一个具体实施方式中相关性检测信号与有效信号滑动相关检测的结果，区别于现有技术中对于载波信号先进行解调，得到信号码元后再进行同步以进行定位的技术不同，本技术的实施例采用直接对经过调制的载波信号进行相关性检测，利用载波信号中包含的伪随机码序列的自相关与互相关特性对有效信号的到达时间进行精确定位，由于经过调制的载波信号的幅度远大于解调后的信号码元，因此定位精度较现有技术的码元同步技术具有显著的提高。
38.步骤s600为对有效信号进行解调与解扩操作以获得原始信号的过程，包括以下步骤：基于所述调制信号对所述有效信号进行相干解调处理，得到解调后的有效信号；对所述解调后的有效信号进行采样判决，得到判决信号；基于所述扩频信号对所述判决信号进行解扩处理，得到所述原始信号；基于所述原始信号获取所述发射时间信息。
39.相干解调方法是针对相移键控调制的一种解调手段，具体地，对于输入信号有：，其中，为码片序数，为调制信号频率：a为调制信号幅度，为gold码片。利用乘法器对，并将高频信号滤除，得到解调后的信号，对解调后的信号进行采样判决，即得到调制前的码元信号。
40.在本实施例的一些具体实施方式中，基于步骤s100中的调制信号通过上述相干解调方法对有效信号进行相干解调及采样判决，图11示出对有效信号进行相干解调及采样判决的示意图，其中经上述处理后得到的采样判决信号即扩频后的原始信号。
41.对上述得到的判决信号进行解扩的过程具体为将判决信号与步骤s100中的扩频信号模2加，得到的信号即为原始信号。图12示出对判决信号进行解扩得到的原始信号波形。
42.对有效信号进行解调、解扩得到原始信号后，基于其包含的发射时间信息与有效信号的到达时间信息，即可求得发射信号在水声环境中的传播时间，进而解算得到发射单元与接收单元的距离信息。利用信号在水声环境中的传播时间进行测距为本领域技术人员所熟知的技术。
43.为验证本技术实施例提供的一种基于水声基线定位系统的测距方法的检测精度，对本实施例提供的方法进行仿真，具体地，通过修改多径时延、信噪比等水声信道参数进行有效信号到达时间检测的仿真计算，其中，多径时延设置范围内随机数，每信噪比分组实验20组，测试其检测结果精度，记录每组实验结果，结果如图13所示。
44.图13中同步偏移量为相对于单位信号码元宽度的平均偏移量，通过本实施例的方法计算有效信号起始位置，判断起始位置与真值偏差平均值为同步偏移量。设声速为1500m/s时，码元宽度为15cm，同步偏移量
×
码片宽度约为定位精度。对图13所示的实验结果统计可得，100次实验平均偏移为0.019
±
0.045码片，码元同步定位精度2.85
±
6.75mm。
45.以上对本技术的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本发明权利要求的保护范围。