[發明專利]一種基于擴頻技術的水聲測距信號處理方法

有效

• 申請號: 202011095675.0
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112305525B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 張亞;高偉;張繼宇
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01S11/14
• 分類號: G01S11/14;G06F17/15
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 鄧宇

本發明提供一種基于擴頻技術的水聲測距信號處理方法。水聽器接收到的數據經過放大濾波等信號調理過程后，通過數字采集形成原始數據，然后對原始數據進行正交基帶解調、低通濾波、降采樣等信號處理過程形成初步處理數據。根據已知水聲信號的擴頻參數生成原始參考數據后，同樣進行正交基帶解調、低通濾波、降采樣和共軛處理形成初步參考數據。對初步處理數據和初步參考數據進行卷積后取模，得到檢測信號。為了準確估計出信號傳播時長，需要信號信標發射機和水下機器人接收機的時鐘同步，信號發射時刻為時鐘的整秒。通過同一碼族不同擴頻碼來區分不同信標發射機和發射信號時刻，從實現更新速度較快的測距服務。本發明主要用來滿足多個水下機器人同時作業需求的水聲定位導航服務。

技術領域

本發明屬于水下定位導航領域，尤其涉及一種用于水聲測距的信號處理方法。

背景技術

水下機器人可以在深水中代替人類完成對海洋資源的探測和開發，為生產節省了大量的成本。同時，在保護國家安全和人民財產方面體現重要價值。水下定位導航技術是水下機器人技術的難點和重點，在實際應用中，由于水下航行器的體積小和重量輕、易受海洋水底環境的影響，導致水下定位導航成為較為棘手的問題。目前，水下機器人中應用的導航系統一般根據其工作方式分為兩類：一類是不需要借助外部信息的自主導航系統，如慣性導航系統；另一類是借助于外部信息的導航系統，如GPS/北斗/伽利略等衛星無線電導航系統、水聲定位導航系統等。慣性導航系統需要借助于慣性器件的輸出完成導航。但由于慣性器件的自身漂移問題會產生誤差，其在不修正的情況下定位誤差隨時間積累，因此在水下長航程任務中無法單獨使用。GPS等衛星無線電導航系統定位精度雖然比較高，但電磁波在水中傳播時容易被吸收，也無法在長航程任務中使用。水聲定位導航系統事先在工作的海域布置參考信標，通過測量水聲信號從發射機到接收機的傳播時長來測距，可以彌補慣性導航系統和衛星無線電系統在水下機器人長航程任務的不足。但傳統的水聲定位導航系統缺點也非常明顯，由于其問答工作模式導致其容納水下機器人的數目有限，并且定位服務更新速率太慢。因此，可以考慮借助于擴頻技術，研究信號的處理算法，解決以上問題。

本發明基于擴頻技術，不同的信標發射機向外發射定位服務信號，水下機器人接收機接收水聲信號進行自我位置解算，避免了傳統水聲定位系統問答式作業方式造成的系統容納水下機器人數目有限的問題。通過同一碼族不同擴頻碼來區分不同的發射機和發射信號時刻，從實現更新速度較快的測距服務。為了保證以上功能的實現，需要信號發射機和信號接收機的時鐘同步，信號發射時刻為時鐘的整秒。本發明為水下機器人協同作業提供了理論支撐和工程應用保障。

發明內容

本發明涉及一種基于擴頻技術的水聲測距信號處理方法，包括以下步驟：

A1：對水聽器接收到的數據進行放大濾波等信號調理后，進而通過模擬數字采集電路進行數字采集形成原始數據C1；

A2：對原始數據C1進行正交基帶解調、低通濾波、降采樣等信號處理過程形成初步處理數據C2；

A3：根據已有信號參數與生成原始參考數據C3，進行正交基帶解調、低通濾波、降采樣和共軛處理形成初步參考數據C4；

A4：將初步處理數據C2和初步參考數據C4進行卷積運算后取模，得到檢測信號C5；

A5：將檢測信號C5與閾值進行比較，大于閾值后判斷信號傳播時間，進而求出發射機與接收機距離。

為了準確估計出信號傳播時長，需要保證信標信號發射機和水下機器人信號接收機的時鐘同步。

信號發射時刻為時鐘的整秒開始，即整數秒零毫秒零微秒零納秒。

通過同一碼族不同擴頻碼來區分不同發射機和發射信號時刻。如果發射機數目為N，標志發射信號整秒時刻數目記做M，同一碼族共有D組不同的偽隨機碼，則三者關系需要滿足：

N×M≤D