水聲定位標定系統信號回波測量方法研究

羅 坤，劉百峰，岳劍平

(中國人民解放軍91388部隊，廣東 湛江 524022)

0 引 言

水聲定位系統是利用水聲應答測距信號對目標進行測量的聲吶系統[1]，水下定位精度是水聲跟蹤定位測控系統的關鍵戰技指標之一。水聲定位標定系統（簡稱標定系統）是一種通用的對水聲定位系統的測量精度進行標定的系統[2]。該系統以船載模擬目標聲源作為合作信標，結合星站GPS、姿態監測裝置建立水下動態基準點，用于標定水聲跟蹤定位裝備在接近水面條件時的定位精度，為水聲跟蹤定位裝備性能評估以及試驗結果評估提供依據。其水下基準（船載模擬目標聲源）位置精度直接影響到水聲定位系統的定位誤差，因此精確分析、解算水下基準的誤差具有重要的工程意義。本文主要介紹了在對船載模擬目標聲源進行定位時的回波信號測量處理，同時對不同頻率下的定位精度進行仿真，證實了信號處理的準確性，為工程應用提供理論參考。

1 系統工作原理

水聲定位標定系統主要由船載升降機構、船體航向姿態測量儀、高精度動態DGPS接收機、綜合數據處理系統、多系統兼容的模擬目標聲信號源及寬帶換能器等部分組成。多系統兼容目標模擬器在同步信號的作用下通過水聲換能器發射與各水聲跟蹤定位裝備相應的模擬目標聲信號，同時記錄發射時刻的DGPS位置（經緯度）、船的航向、縱橫搖角度以及換能器布放深度，并將上述數據傳送至綜合數據處理分系統，綜合數據處理分系統計算出發射時刻發射換能器的聲中心位置。

各水聲跟蹤定位裝備對模擬目標聲信號進行定位測量，同時將各設備的定位測量結果通過網絡接口或其他專用接口傳送至水聲定位標定系統中的綜合數據處理分系統。綜合數據處理分系統將收到的定位測量結果與發出模擬目標聲源的換能器基準位置進行比對處理，從而得出各水聲跟蹤定位裝備的海上實際定位精度指標，事后完成多套水聲跟蹤定位系統的定位精度修正，協助被標定設備進一步提高其跟蹤定位測量精度。綜上可見，水聲定位標定系統中發射聲源的位置精度直接影響到該系統的標定精度。

2 各陣元的回波信號頻率和斜距的計算

綜合數據處理分系統根據多系統兼容目標模擬器傳來的回波信號進行信號采集，計算出回波信號的頻率和時延，根據聲速算出各陣元到發射換能器（位置基準）的斜距。具體實現過程如圖2所示。

數據采集卡換能器接收到的信號經接收機濾波和放大后，輸入到一塊采樣率為250 K的4通道16位多功能同步數據采集卡。數字放大相當于手動增益控制。采用數字放大可以對接收機放大電路進行補償，還可以對信號進一步放大。對采集到的信號放大，能使信號的上升沿變陡，在門限判定時能提高精定。LERNER濾波器在本項目的信號處理中，對信號幅度和相位的檢測有很高的要求，LERNER濾波器是一個通帶內幅度近似平坦，有銳截止頻率特性和近似的線性相位特性的帶通濾波器。所以選用LERNER濾波器。用4個極點來構成一個Lerner窄帶帶通濾波器。其極點圖如圖3所示。

兩端的極點為修正極點。

模擬方式下的傳遞函數為：

其中是單個濾波器節的傳遞函數，

經計算機模擬，如果參數b/a選擇得當，這樣得到的四極點Lerner帶通濾波器帶通帶寬近似為3a，中心頻率近似為。這里b/a取為1。

它的數字形式為：

對應的四極點Lerner窄帶帶通數字濾波器結構見圖4，圖中代表中心頻率為的數字LRC濾波器節。

對式（3），將代入，其中的用代入后可得出數字Lerner窄帶濾波器的頻率響應。

TVG模塊用來補償球面擴散和海水吸收衰減。由于本項目中頻率范圍大（7～25 kHz），在補償吸收衰減時，不能利用在某一頻率上的補償系數，所以對LERNER濾波后的信號在每一個頻率上分別進行TVG補償。

檢波可以得到每個頻率上信號的包絡，用來計算斜距。檢波時，先對每路信號取絕對值，然后通過低通濾波器，就可以得到包絡信號。在確定回波信號中所包括的某頻率上信號時，假定在按一定的規律布放信標后，在每次收到信號中，任意2種頻率信號的頻率值相差在1 kHz以上。信號檢波后，從第1個采樣點開始，將每路信號的包絡與門限比較，當某一頻率的信號包絡超過門限后，記錄該頻率和此時的采樣點數，就能判定回波信號有該頻率的信號，并得到了該頻率信號的斜距。這時對該頻率值附近的±1 kHz內的通道進行封閉，不再檢測。繼續對包絡信號在剩余的通道上進行檢測，就能得到回波信號中所有頻率點上的斜距。

3 各陣元的回波信號頻率和斜距的仿真計算

利用上述方法分別作了7 kHz，11 kHz，15 kHz的仿真。

仿真條件：

發射聲源級 192，

接收靈敏度 –182，

水溫 17 ℃。

通過仿真計算，可以得出：

1）不同信號頻率的回波，通過上述算法所測得的時延誤差非常接近；

2）不同距離的信號回波，通過上述算法所測得的時延誤差也非常接近；

3）如果消除系統固定誤差的影響（系統固定誤差與濾波器的響應、門限的設置等因素有關），則測時誤差一般可達到幾十微秒左右。

證明本算法可行。

4 海試結果分析

圖5是在南海某海域高精度水聲定位標定系統對某型導航定位系統的精度進行標定，其中1#，2#，3#，4#應答器構成了海底應答器陣。良好海況，海深60 m，聲速1 500 m/s，模擬目標聲源6 m，系統同步周期6 s。目標船以小于5 kn航速在陣中低速航行。

圖5中，代表水聲標定系統的導航結果和代表目標船載的GPS軌跡軌跡幾乎完全重合。證明水聲定位標定系統的精度可靠。

5 結 語

本文通過對船載模擬目標聲源進行定位時的回波信號測量處理，同時對不同頻率下的定位精度進行仿真，證實了信號處理的準確性。提高了水聲定位系統測量數據的科學性，具有良好的工程推廣應用價值，對其他水聲定位系統的精度標定具有借鑒意義。

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