一种基于Pattern时延编码水下声定位的时延估计方法

摘要

本发明涉及一种基于Pattern时延编码水下声定位的时延估计方法，包括：确定发射Pattern信号的信号形式、脉冲时延差和位置信息的编码对应关系；构建所对应相关运算的复本信号；在接收信号中分别截取Pattern脉冲，将所得到的截取信号和复本信号分别进行第一次相关运算；将第一次相关运算的结果与一检测门限值进行比较，若所述第一次相关运算的结果中超过所述检测门限值且仅有一个相关峰值，则依据PLFM的脉冲相关峰与NLFM的脉冲相关峰之间的时延差以及脉冲时延差和位置信息的编码对应关系解算出应答器的位置信息，否则将PLFM脉冲与NLFM脉冲的第一次相关结果进行互相关运算，在所述互相关运算的结果中找到最大峰值，依据该最大值位置解算出应答器的位置信息。

说明书

技术领域

本发明涉及声纳领域，特别涉及一种基于Pattern时延编码水下声定位的时延估计方法。

背景技术

在声纳和雷达领域，经常需要准确获得发射脉冲信号的位置，时延估计方法是用于获得发射脉冲信号位置的一种方法。通常的时延估计方法采用了相关检测技术，即在时间上利用匹配滤波器对接收信号进行脉冲压缩，再经过相关峰值检测来判决峰值位置，即是发射脉冲信号的位置。在超短基线定位中往往利用脉冲信号之间的Pattern时延差编码来传递应答器的位置信息，例如不同的时延差值代表应答器的深度值，因此能否准确判定脉冲的位置成为正确获得深度值的关键。

相关检测的时间分辨率由发射波形的带宽来决定，信号频带越宽，时间分辨率和测距精度越高。但是，这一切都是建立在正确的峰值检测条件下，只有正确峰值检测结果才能保证真实的时延估计。然而，在实际传播信道中还包括有来自其他界面的散射波，而通过脉冲压缩后它们也同样是呈现在不同位置的相关峰。另一方面，目标检测中接收回波的信噪比往往处于较低条件下，甚至于脉冲压缩后的相关峰都淹没在噪声背景下，这些都会导致错误的时间估计，不仅无法保证测距精度，也可能直接获得错误的峰值检测结果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的时延估计方法无法保证测量精度，容易发生错误检测的缺陷，从而提供开销小、准确度高的时延估计方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于Pattern时延编码水下声定位的时延估计方法，包括：

步骤1）、确定发射Pattern信号的信号形式、脉冲时延差和位置信息的编码对应关系；

步骤2）、根据步骤1）确定的发射Pattern脉冲信号形式构建所对应相关运算的复本信号；

步骤3）、在接收信号中分别截取Pattern脉冲，将所得到的截取信号和步骤2）所得到的复本信号分别进行第一次相关运算；

步骤4）、将步骤3）所得到的第一次相关运算的结果与一检测门限值进行比较，若所述第一次相关运算的结果中超过所述检测门限值且仅有一个相关峰值，则依据PLFM的脉冲相关峰与NLFM的脉冲相关峰之间的时延差以及步骤1）中所确定的脉冲时延差和位置信息的编码对应关系解算出应答器的位置信息，否则执行下一步；

步骤5）、将PLFM脉冲与NLFM脉冲的第一次相关结果进行互相关运算，在所述互相关运算的结果中找到最大峰值，依据该最大值位置解算出应答器的位置信息。

上述技术方案中，在所述的步骤1）中，根据应答器的工作距离和时延编码的时延估计精度确定发射Pattern信号的信号形式；根据应答器的深度确定脉冲时延差和位置信息的编码对应关系。

上述技术方案中，所述脉冲信号形式包括LFM信号的中心频率、脉冲长度T和带宽B。

上述技术方案中，在所述的步骤3）中，在接收信号中截取Pattern脉冲时，截取后的信号中一定要包含pattern时延编码的脉冲。

本发明的优点在于：

1、本发明能够在多途条件下准确挑选Pattern时延差编码相关峰的位置，避免错误峰选所带来的错误时延估计；

2、与常规算法相比，本发明能够在较低信噪比条件下进行峰值检测，将第一次相关计算反映的信道结构进行第二次脉冲压缩，有利于准确Pattern时延差的时延估计，从而提高检测性能；

3、本发明所付出的代价仅是增加一次相关运算，没有任何硬件上的开销，通过选择合理参数可以将其控制在系统可接受的范围内。

附图说明

图1.a是Pattern时延编码的码元结构示意图；

图1.b是应答器所接收到的信号的示意图；

图2是本发明方法的流程图；

图3.a是一个实施例中接收数据的原始波形图；

图3.b是一个实施例中截取后正调频的第一次相关结果示意图；

图3.c是一个实施例中截取后负调频的第一次相关结果示意图；

图3.d是一个实施例中二次相关结果的示意图；

图4.a是另一个实施例中接收数据的原始波形图；

图4.b是另一个实施例中截取后正调频的第一次相关结果示意图；

图4.c是另一个实施例中截取后负调频的第一次相关结果示意图；

图4.d是另一个实施例中二次相关结果的示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

为了便于理解，在对本发明的时延估计方法进行说明之前，首先对该方法中所涉及的Pattern时延编码的脉冲结构加以描述。

图1是所述Pattern时延编码的脉冲结构示意图。图1.a中给出了一组码元结构，包含L个相关性优良的Pattern码，其中τ_di（i=1，2，3，……）表示时延差值，表示Pattern码出现在码元窗的位置；T_p表示Pattern码脉宽；T₀表示码元宽度；T_c表示编码时间，T_c=T₀-T_p。PTDS体制的每个码元占空比为η=T_p/T₀，其值小于1。超短基线中应答器的深度信息由压力传感器获得，基于PTDS通信体制在应答信号中通过时延编码的方式将深度信息发送给呼叫端。发送信号由三部分组成，分别是同步脉冲、正调频线性调频脉冲信号（PLFM），负调频线性调频脉冲信号（NLFM），其中PLFM、NLFM脉冲之间的时延间隔包含了应答器的深度信息，如图1.b所示。因此，通过本发明的时延估计方法可求取PLFM、NLFM脉冲之间的时延间隔，进而得到应答器的深度信息。

下面结合一个具体的实施例，并结合图2对本发明的时延估计方法加以说明。

在一个实施例中，应答器距离超短基线600m，吊放深度为水下20m，超短基线工作在水下8m，水听器接收相应的信号，根据所接收的信号，本发明的时延估计方法包括以下步骤：

步骤1）、根据系统指标确定发射Pattern信号的信号形式、脉冲时延差和位置信息的编码对应关系。

在本步骤中，脉冲信号形式指LFM信号的中心频率、脉冲长度T和带宽B，脉冲信号形式的确定与应答器的工作距离和时延编码的时延估计精度有关。中心频率和脉冲长度T涉及应答器的工作距离，中心频率越低和T越长，距离越远；而信号带宽越大时延精度越高。本领域技术人员知道，脉冲之间时延差对应应答器深度的编码信息，在实际工作过程中如果应答器在不同的深度环境下，那么脉冲之间时延差与位置信息（主要是应答器的深度）的编码对应关系就会有所不同。因此，在本步骤中需要根据与检测环境有关的系统指标确定Pattern信号的信号形式、脉冲时延差和位置信息的编码对应关系等。

步骤2）、根据步骤1）确定的发射Pattern脉冲信号形式构建所对应相关运算的复本信号。

步骤3）、在接收信号中分别截取Pattern脉冲，将所得到的截取信号和步骤2）所得到的复本信号分别进行第一次相关运算。

在接收信号中截取Pattern脉冲时，应当保证截取后的信号一定要包含pattern时延编码的脉冲。

步骤4）、将第一次相关运算的结果与一检测门限值进行比较，若第一次相关运算结果中超过所述检测门限值且仅有一个相关峰值，则依据PLFM的脉冲相关峰与NLFM的脉冲相关峰之间的时延差解算出应答器的位置信息，否则执行下一步；

步骤5）、将PLFM脉冲与NLFM脉冲的第一次相关结果进行互相关运算，在第二次互相关运算的结果中找到最大峰值，依据该最大值位置解算出应答器的位置信息。

从对本发明的时延估计方法可以看出，由于发射Pattern脉冲的一次相关结果从能量上描述了传播信道的传递函数，即为传播信道中的多途结构，而在一定相关时间内多个脉冲必然具有相同结构的相关结果；再进行二次相关计算，能够进一步累加能量来获得二次相关峰，相关峰值的位置也代表了Pattern编码脉冲之间的时延差估计值，从而可以准确计算应答器的位置信息。

图3是对上述实施例中采用本发明的时延估计方法所得到的处理结果的示意图。其中，图3.a为接收信号的时域波形，前后两个脉冲信号分别是正、负调频脉冲，可以看出接收信号具有较高的信噪比，图3.b、图3.c分别为正、负调频与发射副本进行一次相关后的结果，从图中可以很明显看出，在400点前后出现有两个相关峰，可以通过应答器的深度推定这是由于水面反射造成的回波，这对判断相关峰的位置造成了困难，以至于无法获得准确的时延估计。图3.d是二次相关的结果，可以看出多径能量累加后所得到明显的相关峰，依次可以准确地完成时延差编码的时延估计。

图4是本发明时延估计方法用于低信噪比条件下一个实施例的示意图。随着应答器距离超短基线越来越远，可以看出与图3.a相比，图4.a中接收信号的信噪比下降了很多。同时在图4.b、图4.c中正、负调频脉冲第一次相关结果也能看出，直达波的相关峰甚至已经低于界面反射的相关峰。此时不管多么复杂的峰选机制，也是很难准确地完成相关峰判别的，然而在图4.d中二次相关后的结果中仍能看到明确的相关峰，这也使得峰值检测变得简单了，进而准确地完成时延差编码的时延估计。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。