一種多目標定位系統(tǒng)寬帶分配及自適應(yīng)寬帶復(fù)用技術(shù)

一種多目標定位系統(tǒng)寬帶分配及自適應(yīng)寬帶復(fù)用技術(shù)

0超聲定位的影響海洋是人類的資源儲存所。19世紀以來，人們越來越受到重視使用、開發(fā)和保護海洋。國際上一般使用聲學(xué)定位系統(tǒng)對目標物進行定位，水聲信號的頻率受器件（水聽器，換能器）參數(shù)的影響，并且由于水下聲波傳輸距離與頻率密切相關(guān)，波長越長，聲波傳輸距離越長。通常在聲波的帶寬在一個有限的范圍之內(nèi)。較大的帶寬可以增強系統(tǒng)的抗噪以及抗多途能力目前國內(nèi)的通用水聲定位跟蹤系統(tǒng)主要是通過碼分多址技術(shù)同時對水下多個目標進行實時定位1本文件的方法1.1帶寬劃分設(shè)計采用LFM信號LFM信號又稱為鳥聲（Chirp）信號，在水下定位中具有廣泛的運用，其時域表達式如下：圖1(a）、（b）所示分別為其時域圖像和頻域圖像。圖2所示為LFM信號的功率譜密度（PSD）圖。從LFM信號的時域表達式，時域圖像，頻域圖像，及其功率譜密度圖可以發(fā)現(xiàn)信號的瞬時頻率隨時間呈線性變化根據(jù)器件（水聽器，換能器）的性能參數(shù)以及聲音頻率與其在水中傳播距離的關(guān)系，計算LFM信號的最大頻率范圍。根據(jù)水下待定位目標的數(shù)量，依照上述方法將信號帶寬劃分為多個不同頻段，每個待定位目標選擇其中一個頻段，按照其選擇的頻段發(fā)射相應(yīng)的LFM信號。依照頻帶劃分情況設(shè)計相應(yīng)的匹配濾波器。接收基陣通過匹配濾波器的濾波結(jié)果區(qū)分各個信號，從而識別不同水下待定位目標。1.2峰之間的比值定義一個參數(shù)P，其物理意義是信號經(jīng)過匹配濾波器后，信號尖峰與次尖峰之間的比值。主要用來表征信號受干擾地嚴重程度。這樣定義的原因：在水聲定位中，受多途效應(yīng)影響，聲音信號在不斷的反射，形成相干疊加，導(dǎo)致水面基陣接收到含有多個尖峰的信號。這里假設(shè)最高峰為直達聲1.3帶寬信號接收將頻率帶寬線性劃分，會導(dǎo)致信號的帶寬下降，繼而致使信號的抗噪抗多途能力具體步驟如下。1）水面基陣在接收到經(jīng)過匹配濾波器濾波的信號之后，計算各個信號的P值，當發(fā)現(xiàn)P的值接近于1時，發(fā)送相應(yīng)的調(diào)整信號。2）水下各個待定位目標在接收到調(diào)整信號后，調(diào)整自身的頻帶，發(fā)射相應(yīng)頻帶的LFM信號。假設(shè)換能器，水聽器及水聲傳播距離要求頻率范圍20～32kHz，將其均分為3個頻段，每個頻段帶寬均為4kHz。假設(shè)1號水下待定位目標其LFM信號頻段為20～24kHz,2號水下待定位目標其LFM信號頻段為24～28kHz,3號水下待定位目標其LFM信號頻段28～32kHz。3個目標在水下作業(yè)的過程中，不斷發(fā)射相應(yīng)頻帶的LFM脈沖，水面基陣在接收的過程中，計算其接收信號的P值，假設(shè)1號水下待定位目標發(fā)射信號的P值接近于1時，水面基陣發(fā)出一個信號指示1號水下待定位目標提高帶寬，其他目標減小帶寬。假設(shè)每次帶寬的增加值為500Hz,1號水下待定位目標接收到該信號時，將自身發(fā)射的LFM信號頻率變?yōu)?0～24.5kHz,2號水下待定位目標接收到該信號時，將自身發(fā)射的LFM信號頻率變?yōu)?4.5～28.25kHz,3號水下待定位目標接收到該信號時，將自身發(fā)射的LFM信號頻率變?yōu)?8.25～32kHz，這時3個待目標繼續(xù)發(fā)射LFM信號，若1號目標的P值依然接近于1，則繼續(xù)上面的操作。該方法可以通過P值動態(tài)地調(diào)整水下待定位目標的帶寬，當P值接近于1時，發(fā)射信號通知水下目標調(diào)整自身頻帶，通過增大頻帶，增強信號的抗噪抗多途能力，P值增大。2實驗與結(jié)果分析2.1匹配濾波器設(shè)計根據(jù)器件（水聽器，換能器）的性能參數(shù)以及聲音頻率與其在水中傳播距離的關(guān)系，計算其能正常工作的最大頻率范圍的LFM信號?，F(xiàn)假設(shè)最大頻率范圍是20～32kHz。假設(shè)在時域上將LFM信號分為4個不同的頻段，每個待定位目標選擇其中一個頻段，然后設(shè)計相對應(yīng)的匹配濾波器。根據(jù)LFM脈沖頻段設(shè)計4個匹配濾波器系數(shù)，如圖3所示。匹配濾波器其本質(zhì)是計算匹配濾波器系數(shù)與接收信號的相似程度，從圖3可以看出匹配濾波器系數(shù)圖像與接收信號在時域上的波形一致。圖4所示為分別是4個信號經(jīng)過4個不同的匹配濾波器濾波的結(jié)果。從圖4可以看出不同信號在經(jīng)過不同的匹配濾波器之后，只對其相應(yīng)的匹配濾波器敏感，而經(jīng)過其他匹配濾波器之后的信號非常微弱，基本被噪聲淹沒。通過頻域線性分割已經(jīng)可以實現(xiàn)多個水下待定位目標區(qū)別，但其信號帶寬較窄，抗噪能力較弱。需要根據(jù)P值動態(tài)地通過調(diào)整信號的頻帶范圍。2.2試驗測試結(jié)果本實驗測試是在一個長16m、寬8m、深6m的水池中進行的。水下待定位目標發(fā)出自身頻段的LFM信號，水面定位基陣以一塊高性能的FPGA作為核心，由于FP-GA擁有較高數(shù)據(jù)吞吐速度本實驗同時對水下兩臺待定位目標進行實時定位。圖5(a）、（b）所示分別是水下帶定位目標和水面基陣的工作流程。圖6(a）、（b）所示分別是水下待定位目標所攜帶的信號處理模塊實物，水面基陣所攜帶的信號處理模塊實物?；緦嶒灧桨福侯l率最大范圍為20～32kHz，將頻率分為20～26kHz,26～32kHz兩個部分。1號水下待檢測目標使用的頻段為20～26kHz，二號水下待檢測目標使用的頻段為26～32kHz。兩個目標在作業(yè)的過程中，根據(jù)P的值實時的調(diào)整頻帶的范圍。圖7(a）、（b）所示為1號待定位目標，2號待定位目標作業(yè)過程中在兩個匹配濾波器上的濾波結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)1號目標發(fā)出的信號在經(jīng)過兩個匹配濾波器，只在第一個濾波器上展現(xiàn)出了很高的敏感度。2號目標發(fā)出的信號在經(jīng)過兩個匹配濾波器，只在第2個濾波器上展現(xiàn)出了很高的敏感度。表1、2所示分別為1號和2號水下待定位目標實測數(shù)據(jù)結(jié)果。從表1、2可以看出，各個信號在其目標濾波器上展現(xiàn)出了很高的尖峰且P值均大于1，而在非其匹配濾波器上幾乎不敏感，可以區(qū)分各個水下待檢測所發(fā)出的信號并尋找到信號直達峰。3實驗結(jié)果分析本文針對多目標水下定位系統(tǒng)帶寬難以合理分配的問題，提出了一種新的