深海聲探測(cè)中偽隨機(jī)編碼信號(hào)的仿真研究

郭璇，郭英歌，王潤(rùn)田

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深海聲探測(cè)中偽隨機(jī)編碼信號(hào)的仿真研究

郭璇1,2，郭英歌1，王潤(rùn)田1

(1. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海 201815；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

目前國(guó)際上正在使用多脈沖(MultiPing)探測(cè)方式來(lái)解決深海探測(cè)中探測(cè)效率不高的問(wèn)題，但可能存在回波識(shí)別和波達(dá)時(shí)間定位的問(wèn)題，提出了利用偽隨機(jī)編碼信號(hào)的解決方法。以6 000 m深海海底探測(cè)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)發(fā)射不同編碼信號(hào)，對(duì)其回波識(shí)別和定位進(jìn)行了仿真和比較，同時(shí)對(duì)不同編碼類(lèi)型的回波識(shí)別性能隨噪聲變化情況進(jìn)行了討論。Walsh碼擁有更加出色的回波識(shí)別性能，但在波達(dá)時(shí)間定位方面易出現(xiàn)誤差，同時(shí)隨著噪聲的增強(qiáng)，回波識(shí)別性能明顯下降；m序列擁有出色的波達(dá)時(shí)間定位性能，但回波識(shí)別性能不如Walsh碼；Gold碼在回波識(shí)別性能和波達(dá)時(shí)間定位性能方面有著較好的平衡表現(xiàn)。

偽隨機(jī)序列；編碼信號(hào)；深海探測(cè)；回波識(shí)別；波達(dá)時(shí)間定位

0 引言

傳統(tǒng)單波束聲吶以單次收發(fā)為探測(cè)周期，通過(guò)避免回波信號(hào)的交叉而得到與發(fā)射信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系[1]。在深海海域，從海面對(duì)海底進(jìn)行探測(cè)時(shí)，單波束探測(cè)周期往往達(dá)到幾秒的時(shí)長(zhǎng)。若以相同時(shí)間內(nèi)的探測(cè)次數(shù)來(lái)描述探測(cè)效率，則其相比淺海明顯降低。同時(shí)，伴隨船體的行進(jìn)，相同水平距離內(nèi)的探測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)明顯減少，以致測(cè)線上的水平分辨率降低。

目前，國(guó)際上能夠?qū)崿F(xiàn)6 000 m及以上水深的聲學(xué)探測(cè)設(shè)備大多應(yīng)用MultiPing技術(shù)來(lái)改善這一問(wèn)題[2]。即在深海探測(cè)過(guò)程中，以較短時(shí)間間隔(小于信號(hào)雙程傳播時(shí)間)連續(xù)發(fā)射聲信號(hào)，保證同一時(shí)間內(nèi)海洋信道中存在多列聲信號(hào)共同傳播，并以約等于發(fā)射間隔的時(shí)間采集回波信號(hào)。如美國(guó)Benthos公司生產(chǎn)的ChirpⅢ設(shè)備[3]、SyQuest公司生產(chǎn)的Bathy2010TMCHIRP設(shè)備[4]等。但這種方法主要存在以下兩點(diǎn)缺陷：①不能明確回波信號(hào)的與發(fā)射信號(hào)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，回波信號(hào)順序因海底地形起伏而改變，不同于發(fā)射順序，或回波信號(hào)漏采集時(shí)將會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)效的后果。②因回波信號(hào)存儲(chǔ)長(zhǎng)度的限制，往往去除了部分水體數(shù)據(jù)，以致系統(tǒng)無(wú)法確認(rèn)回波信號(hào)的發(fā)射時(shí)間，需通過(guò)海底跟蹤或人工預(yù)設(shè)來(lái)完善數(shù)據(jù)，容易產(chǎn)生誤差。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了基于偽隨機(jī)編碼信號(hào)的MultiPing技術(shù)，即以互不相同的偽隨機(jī)序列編碼聲信號(hào)進(jìn)行較為連續(xù)的探測(cè)。通過(guò)將發(fā)射信號(hào)與各列回波分別進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，根據(jù)偽隨機(jī)編碼良好的互相關(guān)特性，利用與之對(duì)應(yīng)回波處的高相關(guān)峰值和其他回波處的低相關(guān)峰值的差異，即可實(shí)現(xiàn)回波的識(shí)別，獲取與發(fā)射信號(hào)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，只要采集到經(jīng)過(guò)編碼的回波信號(hào)，利用編碼良好的自相關(guān)特性即可實(shí)現(xiàn)波達(dá)時(shí)間定位。

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)偽隨機(jī)編碼信號(hào)的選擇需考慮三點(diǎn)因素：①回波識(shí)別性能；②波達(dá)時(shí)間定位性能；③固定長(zhǎng)度下可用的編碼數(shù)量。回波識(shí)別性能以發(fā)射信號(hào)分別與各列回波信號(hào)相關(guān)運(yùn)算得到的最大峰值與次大峰值差異的大小來(lái)衡量；時(shí)間定位性能以發(fā)射信號(hào)與對(duì)應(yīng)回波信號(hào)相關(guān)主峰的尖銳程度和旁瓣高低來(lái)衡量。

本文在理論層面對(duì)三種編碼的相關(guān)特性進(jìn)行了比較，對(duì)深海條件下三種偽隨機(jī)編碼信號(hào)的回波識(shí)別和定位分別進(jìn)行了仿真分析。

1 編碼特性比較

m序列、Gold碼、Walsh碼是三種具有代表性的偽隨機(jī)編碼，是0和1構(gòu)成的二值序列。其生成已有十分成熟的方式，文中不做過(guò)多贅述。因編碼序列具有周期性，而發(fā)射信號(hào)長(zhǎng)度有限，本文應(yīng)用只取其一個(gè)周期來(lái)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的編碼信號(hào)。

好的回波識(shí)別性能要求編碼具有足夠低的互相關(guān)峰值，互相關(guān)峰值愈小，識(shí)別性能愈佳；精準(zhǔn)的波達(dá)時(shí)間定位要求編碼具有尖銳的自相關(guān)峰和較低的旁瓣。同時(shí)，固定長(zhǎng)度下需存在足夠多的編碼數(shù)量以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

根據(jù)文獻(xiàn)[5-7]，從自相關(guān)、互相關(guān)、編碼數(shù)量三方面對(duì)單周期編碼序列進(jìn)行比較，結(jié)果如下表1所示。

表1 不同編碼信號(hào)的性能比較

2 深海應(yīng)用中三種編碼信號(hào)性能的仿真分析

基于MATLAB建立6 000 m深海仿真系統(tǒng)。向海底發(fā)射偽隨機(jī)編碼信號(hào)，假設(shè)各列信號(hào)傳播路徑相同，海水聲速起伏引起的相對(duì)差異為零，并設(shè)置等聲速環(huán)境，聲速為1 500 m·s-1。

2.1 回波識(shí)別性能

為描述回波識(shí)別性能，定義參數(shù)辨識(shí)因子為：多列回波信號(hào)通過(guò)相關(guān)濾波器后，最大相關(guān)峰值與次大相關(guān)峰值之差。

圖1 編碼信號(hào)生成

圖2 信號(hào)傳播示意圖

圖3 m序列的回波信號(hào)

圖4 m序列信號(hào)回波識(shí)別效果圖

圖5 Gold碼信號(hào)回波識(shí)別效果圖

圖6 Walsh碼回波識(shí)別效果圖

當(dāng)海洋環(huán)境噪聲具有較大波動(dòng)時(shí)，回波識(shí)別性能隨噪聲的變化情況則是一項(xiàng)必須考慮的內(nèi)容。

由圖7可以看出同一信噪比下辨識(shí)因子的大小：Walsh碼>Gold碼>m序列。隨著噪聲的增大，辨識(shí)因子減小的速度：Walsh碼>m序列≈Gold碼，m序列和Gold碼回波識(shí)別性能受噪聲影響較小，且這兩類(lèi)編碼變化的趨勢(shì)幾乎沒(méi)有差別，而Walsh碼回波識(shí)別性能受噪聲影響下降明顯。

圖7 不同編碼類(lèi)型辨識(shí)因子隨信噪比的變化曲線

2.2 時(shí)間定位性能

從圖8中可以看出，m序列編碼信號(hào)進(jìn)行波達(dá)時(shí)間定位時(shí)，在理論波達(dá)時(shí)間8.2 s處，相關(guān)峰值尖銳，旁瓣低至-10 dB，可以獲得較為精準(zhǔn)的時(shí)間定位。

圖8 m序列時(shí)間定位效果圖

圖9 Gold碼時(shí)間定位效果圖

圖10 Walsh碼時(shí)間定位效果圖

從圖9中可以看出，Gold碼編碼信號(hào)進(jìn)行波達(dá)時(shí)間定位時(shí)，在理論波達(dá)時(shí)間8.2 s處，相關(guān)峰值同樣尖銳，旁瓣雖然比m序列略高，在-7 dB左右，但對(duì)實(shí)際影響不大，亦可獲得較為精準(zhǔn)的時(shí)間定位。

從圖10中可以看出，Walsh碼編碼信號(hào)進(jìn)行波達(dá)時(shí)間定位時(shí)，在理論波達(dá)時(shí)間8.2 s處，相關(guān)包絡(luò)下降十分緩慢，旁瓣很高，易受到干擾而引起偏差，相對(duì)前兩類(lèi)編碼表現(xiàn)不佳。

3 總結(jié)

本文利用通信中碼分多址的思想，提出在時(shí)間上較為連續(xù)地發(fā)射偽隨機(jī)編碼信號(hào)，并通過(guò)其優(yōu)良的相關(guān)特性實(shí)現(xiàn)回波識(shí)別和波達(dá)時(shí)間定位的方法。

對(duì)三種偽隨機(jī)編碼信號(hào)在自相關(guān)定位、互相關(guān)回波識(shí)別和編碼數(shù)量三方面進(jìn)行比較，得到以下結(jié)論：

(1) m序列編碼信號(hào)自相關(guān)定位性能最佳，互相關(guān)回波識(shí)別性能較好，但存在數(shù)量較少的問(wèn)題。

(2) Gold碼編碼信號(hào)自相關(guān)定位和互相關(guān)回波識(shí)別均有較好的平衡表現(xiàn)，數(shù)量也較多。

(3) Walsh碼互相關(guān)回波識(shí)別性能最佳，但自相關(guān)包絡(luò)下降緩慢，易出現(xiàn)定位偏差。

因此，在實(shí)際應(yīng)用中，若更加注重獲得好的回波識(shí)別性能，在波達(dá)時(shí)間定位精度上可做適當(dāng)讓步，則可優(yōu)先考慮使用Walsh碼；若更加注重獲得精準(zhǔn)的波達(dá)時(shí)間定位，接收端噪聲類(lèi)似白噪聲，則可優(yōu)先考慮使用m序列和Gold碼。另外需要注意的是，在環(huán)境噪聲變化比較大的情況下，Walsh碼回波識(shí)別性能雖然比m序列和Gold碼較好，但其隨噪聲的增強(qiáng)下降明顯，應(yīng)考慮其對(duì)系統(tǒng)中其他相關(guān)因素的影響。

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Simulation of pseudo-random coded signals for the acoustic detection in deep-sea

GUO Xuan1,2,GUO Ying-ge1, WANG Run-tian1

(1. Shanghai Acoustics Laboratory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201815, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

At present, the MultiPing detection method is being used to solve the problem of low detection efficiency in deep sea exploration, but there may be some problems in echo recognition and TOA (time-of-arrival) location. In the paper a solution using pseudo-random coded signals is proposed. Taking 6000 m deep sea bottom detection as the study object, different coded signals are designed and transmitted, and their echo recognition and location are simulated and compared. At the same time, the variations of echo recognition performance of different coding types with noise are discussed. The study shows that the Walsh code has better performance of echo recognition, but errors are easy to occur in TOA location, and the performance of the echo recognition is obviously decreased with the increase of noise. The m sequence has excellent performance of TOA location,, but the performance of echo recognition is not as good as that of Walsh code. The Gold code has a good balance between echo recognition performance and TOA location performance.

pseudo-random sequence; coded signal; deep sea exploration; echo recognition; TOA (time-of-arrival) location

TB56

A

1000-3630(2019)-01-0046-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.007

2018-02-06;

2018-03-28

中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所率先計(jì)劃項(xiàng)目(SXJH201610)、上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(16DZ1205300)。

郭璇(1993－), 女, 山西運(yùn)城人, 碩士, 研究方向?yàn)槁晫W(xué)信號(hào)處理。

郭璇,E-mail: guoxuan167@163.com