[發(fā)明專利]一種非應(yīng)答式水下測(cè)量聲信號(hào)傳播時(shí)延的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611108887.1
• 申請(qǐng)日: 2016-12-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108155952B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭中源;胡園;賈寧;周建清;黃建純;馬力
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所
• 主分類號(hào): H04B13/02
• 分類號(hào): H04B13/02;H04B11/00;H04B17/30
• 代理公司: 北京方安思達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11472
• 代理人: 王宇楊;陳琳琳

本發(fā)明提供了一種非應(yīng)答式水下測(cè)量聲信號(hào)傳播時(shí)延的方法，該方法所生成的發(fā)射信號(hào)由“復(fù)合雙曲調(diào)頻”信號(hào)、擴(kuò)頻調(diào)制的“同步時(shí)鐘時(shí)間戳信息”報(bào)文編碼信號(hào)組成，充分利用了寬帶雙曲調(diào)頻信號(hào)抗多普效應(yīng)、時(shí)間分辨率高、以及擴(kuò)頻調(diào)制抗噪聲性能好的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效對(duì)抗水聲信道多普勒效應(yīng)以及噪聲的影響，適應(yīng)各種復(fù)雜的水聲信道條件，實(shí)現(xiàn)可靠的聲信號(hào)傳播時(shí)延估計(jì)，而發(fā)射信號(hào)將雙曲調(diào)頻和擴(kuò)頻技術(shù)相結(jié)合，采用優(yōu)化的處理方法后可以獲得比現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)更好的性能和測(cè)量精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水聲導(dǎo)航、定位和水聲通信領(lǐng)域，具體涉及一種非應(yīng)答式水下測(cè)量聲信號(hào)傳播時(shí)延的方法。

背景技術(shù)

隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)以及國(guó)防建設(shè)的需要，在水下AUV/UUV航行導(dǎo)航、水下打撈定位、水下對(duì)接導(dǎo)引等應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于廣播式多用戶(類似GPS)水下導(dǎo)航和定位的需求日益迫切。而非應(yīng)答式測(cè)量聲信號(hào)傳播時(shí)延是實(shí)現(xiàn)廣播式多用戶水下導(dǎo)航、定位功能的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的非應(yīng)答式測(cè)量聲信號(hào)傳播時(shí)延的方法雖然也采用了大帶寬時(shí)間積的寬帶信號(hào)(如線性調(diào)頻、雙曲調(diào)頻信號(hào))，但是在有強(qiáng)多普勒效應(yīng)和大背景噪聲干擾的水聲信道條件下，存在測(cè)量性能可靠性低，延時(shí)測(cè)量誤差高的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，為解決現(xiàn)有的測(cè)量聲信號(hào)傳播時(shí)延的方法受環(huán)境影響，導(dǎo)致其延時(shí)測(cè)量誤差高的技術(shù)問(wèn)題，提供一種非應(yīng)答式水下測(cè)量聲信號(hào)傳播時(shí)延的方法。本發(fā)明的方法將寬帶雙曲調(diào)頻信號(hào)抗多普效應(yīng)、時(shí)間分辨率高、以及擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)抗噪聲性能好的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，能夠有效對(duì)抗信道多普勒效應(yīng)和噪聲的影響，以較低的處理復(fù)雜度獲得可靠的測(cè)量性能，解決水下AUV/UUV航行導(dǎo)航、水下打撈定位、水下對(duì)接導(dǎo)引等應(yīng)用場(chǎng)景中水下聲信號(hào)傳播時(shí)延測(cè)量的難題，為這些應(yīng)用場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)廣播式多用戶水下精確導(dǎo)航與定位奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種非應(yīng)答式水下測(cè)量聲信號(hào)傳播時(shí)延的方法，利用信號(hào)發(fā)射端按照一定的規(guī)則和信號(hào)形式發(fā)射信號(hào)，信號(hào)接收端則按照一定步驟處理接收信號(hào)，從而得到聲信號(hào)傳播時(shí)延的估計(jì)。信號(hào)發(fā)射端和信號(hào)接收端皆采用全局同步時(shí)鐘。接收端采用計(jì)時(shí)精度為毫秒量級(jí)以上的“本地計(jì)時(shí)器”，該計(jì)時(shí)器運(yùn)行周期與全局同步時(shí)鐘完全同步。本發(fā)明的方法具體包括：

步驟1)利用信號(hào)發(fā)射端獲取本地當(dāng)前時(shí)刻“同步時(shí)鐘時(shí)間戳信息”T_tx0；

步驟2)對(duì)步驟1)中獲得的T_tx0增加一固定時(shí)間t_d，得到發(fā)射信號(hào)時(shí)刻“同步時(shí)鐘時(shí)間戳信息”T_tx；

步驟3)對(duì)步驟2)中獲得的T_tx進(jìn)行擴(kuò)頻數(shù)據(jù)調(diào)制，并生成設(shè)定數(shù)據(jù)格式的發(fā)射信號(hào)，所述的發(fā)射信號(hào)包括：“復(fù)合雙曲調(diào)頻”信號(hào)和擴(kuò)頻調(diào)制的含有T_tx的報(bào)文編碼信號(hào)，所述的“復(fù)合雙曲調(diào)頻”信號(hào)由兩個(gè)不同參數(shù)的雙曲調(diào)頻信號(hào)線性疊加而成；

步驟4)利用信號(hào)發(fā)射端的本地同步時(shí)鐘脈沖信號(hào)達(dá)到T_tx時(shí)刻的跳變沿后，觸發(fā)發(fā)射信號(hào)發(fā)射；

步驟5)估計(jì)發(fā)射信號(hào)到達(dá)信號(hào)接收端的時(shí)刻τ，并判斷如果在時(shí)刻τ時(shí)確有發(fā)射信號(hào)到達(dá)后，則執(zhí)行步驟6)；

步驟6)對(duì)接收到的發(fā)射信號(hào)中報(bào)文編碼信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻數(shù)據(jù)解調(diào)，獲得發(fā)射信號(hào)時(shí)刻“同步時(shí)鐘時(shí)間戳信息”T_tx，并根據(jù)發(fā)射信號(hào)的長(zhǎng)度計(jì)算發(fā)射信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)度T_signal后，執(zhí)行步驟7)；

步驟7)利用信號(hào)接收端獲取本地當(dāng)前時(shí)刻“同步時(shí)鐘時(shí)間戳信息”T_rx、本地計(jì)時(shí)器讀數(shù)T_r'_x，以及當(dāng)前時(shí)刻至?xí)r刻τ之間緩存的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度Len，并根據(jù)采樣率f_s計(jì)算該數(shù)據(jù)長(zhǎng)度Len對(duì)應(yīng)的時(shí)間T_buffer:

根據(jù)下式計(jì)算得到最終的傳播時(shí)延值Δt：