CN106556829A - 一种基于跳频三脉冲编码的水下目标三维同步定位接收机 - Google Patents

一种基于跳频三脉冲编码的水下目标三维同步定位接收机 Download PDF

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Abstract

本发明属于水下运动目标三维定位技术领域，具体涉及一种基于跳频三脉冲编码的水下目标三维同步定位接收机。本发明包括宽带接收换能器，将接收的由被定位目标发射的三脉冲编码信号转换为电信号，并输出至调理采集电路；调理采集电路，将电信号进行放大、滤波、增益控制和模数转换，具体将宽带接收换能器输出的电信号经前放和带通滤波后分为两路进行后续接收处理，一路经窄带滤波和模数转换后输出至前导脉冲接收机等。本发明具有增益自调节、多普勒自修正、高处理增益、输出时延信息冗余量大等特点，保证了接收机高检测概率、高时延估计精度、输出冗余时延信息具有抗距离模糊和抗多途等性能。

Description

一种基于跳频三脉冲编码的水下目标三维同步定位接收机
技术领域
本发明属于水下运动目标三维定位技术领域，具体涉及一种基于跳频三脉冲编码的水下目标三维同步定位接收机。
背景技术
常用的水下运动目标定位技术，是通过检测水下运动目标上安装应答器发射声信号从发射到接收所经历的时延，来确定被测目标到确知位置探测基线(接收基阵)基元间的距离，从而实现对水下运动目标的精确定位。根据不同探测原理，水下目标定位技术分为同步单向测距定位和非同步双向测距定位两种工作方式。在双向测距应答方式下，定位阵元和水下运动目标采用相互问询和应答机制进行测距，两者均需具备信号收发能力，***更复杂；在不出现距离模糊(信号从发射到接收的时间小于同步周期时定位距离出现的多值现象)的情况下双向测距应答方式双倍的探测距离使得定位探测的频率较同步方式低一倍，从而同步方式更适用于较高速度水下运动目标定位。显然，在解决***同步技术的前提下，同步方式优于应答工作方式。
同时，由于在深度方向上定位基线具有较小的孔径，导致深度探测精度很低，虽然可以通过改变基线基元间在深度方向上的距离差来解决，但特别在浅水探测环境下难以得到有效改善，并且即便在深水应用中这一方法也会带来***复杂度的急剧增大。另外，水中信道较空气中信道更加复杂，特别在小空间水域多途效应非常严重，运动目标还会引入多普勒效应，无法消除这一效应也将影响接收机的处理性能，这也是所有水中探测领域均需面对的问题。因此，无论采用哪种工作方式，水下运动目标定位技术均存在距离模糊效应限制探测距离、深度探测精度低、复杂信道产生多途干扰严重等影响三维定位***性能的问题，这些问题也是水下目标定位技术研究从诞生至现在并且到将来都将一直关注并努力解决的问题。
本发明基于跳频三脉冲编码机制设计的调制有深度信息的三脉冲编码信标信号，设计采用同步单向测距定位工作方式的水下运动目标三维定位定位***接收机，可输出具有冗余信息量的、抗距离模糊及抗多途干扰性能的定位时延信息，具备增益自控制、多普勒自修正、处理增益高等性能，输出信息可用于实现水下运动目标的高精度三维定位。其中：被接收的三脉冲编码信号由前导脉冲、测深追踪脉冲和测深参考脉冲组成，测深追踪脉冲和测深参考脉冲统称测深脉冲对。前导脉冲是与同步脉冲信号对齐的CW脉冲，测深追踪脉冲和测深参考脉冲分别为脉宽和频带范围相同的正调频率和负调频率线性调频脉冲，并且前导脉冲与测深参考脉冲间时延固定，测深追踪脉冲位于前导脉冲和测深参考脉冲之间，测深追踪脉冲与测深参考脉冲间的时延差取值范围与运动目标深度范围对应的压力范围相对应。所接收编码信号的调频发射是通过跳频发射周期内改变测深脉冲对的频率并依次发射实现的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具备增益自控制、多普勒自修正、处理增益高的特点，输出信息具有很好的抗距离模糊及抗多途能力，可用于实现被测目标的高精度三维同步定位的基于跳频三脉冲编码的水下目标三维同步定位接收机。
本发明的目的是这样实现的：
本发明包括：
宽带接收换能器，将接收的由被定位目标发射的三脉冲编码信号转换为电信号，并输出至调理采集电路；
调理采集电路，将电信号进行放大、滤波、增益控制和模数转换，具体将宽带接收换能器输出的电信号经前放和带通滤波后分为两路进行后续接收处理，一路经窄带滤波和模数转换后输出至前导脉冲接收机；另一路经压控增益控制放大器VCA和模数转换后输出至测深脉冲对接收机；
前导信号接收机，在同步信号触发下处理调理采集电路的输出信号，输出多普勒频移、压控增益码以及前导脉冲时延序列，其中：多普勒频移信息输出至接收脉冲对接收机，压控增益码经DA反馈至调理采集电路中的VCA；
测深脉冲对接收机，在同步信号触发下处理接收到的周期性跳频发射的测深追踪脉冲信号和测深参考脉冲信号，依次输出两者的时延序列。
所述的测深追踪脉冲和测深参考脉冲在相邻几个发射周期依次跳频发射，跳频发射完成后再周期性地按相同顺序依次跳频发射，以此类推，本发明接收机对相应进行对应信号参数的接收处理。
所述的前导信号接收机依次对输入信号经正交接收机、解析信号复包络平方计算器、比较判决器、幅值估计器后接压控增益码生成器、多普勒估计器、时延估计器，最终输出多普勒频移、压控增益码以及前导脉冲时延序列，其中，多普勒频移输出至测深脉冲对接收机，用于拷贝相关器多普勒频移修正；压控增益码经DA反馈至调理采集电路中的VCA，实现自增益控制；前导脉冲时延序列作为冗余信息用于后续的三维定位解算。
所述的测深脉冲对接收机分两路依次将输入信号送拷贝相关器组、正交接收机、解析信号复包络平方计算器、时延估计器，分别输出测深追踪脉冲时延序列和测深参考脉冲时延序列。
所述的测深脉冲对接收机中拷贝相关器组所用的两个拷贝信号分别是经过前导脉冲接收机输出多普勒频移值进行修正的正、负调频率线性调频拷贝信号。
本发明的有益效果在于：
本发明所述的一种基于跳频三脉冲编码的水下目标三维同步定位接收机在同步脉冲触发下对三脉冲跳频发射编码信号进行接收处理，具有增益自调节、多普勒自修正、高处理增益、输出时延信息冗余量大等特点，保证了接收机高检测概率、高时延估计精度、输出冗余时延信息具有抗距离模糊和抗多途等性能。
附图说明
图1是接收机接收的调频发射三脉冲编码信号；
图2是本发明所述接收机的整体构成图；
图3是前导信号接收机；
图4是测深脉冲对接收机；
图5是前导信号接收机和测深脉冲对接收机中解析信号幅度平方求解前后对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
所述的一种基于跳频三脉冲编码的水下目标三维同步定位接收机，包括：宽带接收换能器，将接收的由被定位目标发射的三脉冲编码信号转换为电信号，并输出至调理采集电路；调理采集电路，将电信号进行放大、滤波、增益控制和模数转换，具体将宽带接收换能器输出的电信号经前放和带通滤波后分为两路进行后续接收处理，一路经窄带滤波和模数转换后输出至前导脉冲接收机；另一路经压控增益控制放大器(VCA)和模数转换后输出至测深脉冲对接收机；前导信号接收机，在同步信号触发下处理调理采集电路的输出信号，输出多普勒频移、压控增益码以及前导脉冲时延序列，其中：多普勒频移信息输出至接收脉冲对接收机，压控增益码经DA反馈至调理采集电路中的VCA；测深脉冲对接收机，在同步信号触发下处理接收到的周期性跳频发射的测深追踪脉冲信号和测深参考脉冲信号，依次输出两者的时延序列。所述的测深追踪脉冲和测深参考脉冲在相邻几个发射周期依次跳频发射，跳频发射完成后再周期性地按相同顺序依次跳频发射，以此类推；
所述的测深追踪脉冲和测深参考脉冲在相邻几个发射周期依次跳频发射，跳频发射完成后再周期性地按相同顺序依次跳频发射，以此类推，本发明接收机对相应进行对应信号参数的接收处理；
所述的前导信号接收机依次对输入信号经正交接收机、解析信号复包络平方计算器、比较判决器、幅值估计器(后接压控增益码生成器)、多普勒估计器、时延估计器，最终输出多普勒频移、压控增益码以及前导脉冲时延序列，其中，多普勒频移输出至测深脉冲对接收机，用于拷贝相关器多普勒频移修正；压控增益码经DA反馈至调理采集电路中的VCA，实现自增益控制；前导脉冲时延序列作为冗余信息用于后续的三维定位解算，发挥抗多途等能力；
所述的测深脉冲对接收机分两路依次将输入信号送拷贝相关器组、正交接收机、解析信号复包络平方计算器、时延估计器，分别输出测深追踪脉冲时延序列和测深参考脉冲时延序列；
所述的测深脉冲对接收机中拷贝相关器组所用的两个拷贝信号分别是经过前导脉冲接收机输出多普勒频移值进行修正的正、负调频率线性调频拷贝信号。
首先，对接收的跳频三脉冲编码信号及其发射方式进行说明。被测水下运动目标发射的三脉冲编码信号由前导脉冲(CW脉冲，频率为f0)、测深追踪脉冲(正调频率线性调频信号，频率范围[fi1,fi2]，fi2>fi1，i＝1,2,3…N，N为跳频个数)和测深参考脉冲组成(负调频率线性调频信号，频率范围[fi2,fi1])，测深追踪脉冲和测深参考脉冲统称为测深脉冲对。前导脉冲与同步脉冲信号对齐，测深参考脉冲与前导脉冲间时延固定为t2；测深追踪脉冲位于前导脉冲和测深参考脉冲之间，与前导脉冲间时延为t1；测深追踪脉冲与测深参考脉冲间的时延差|t2-t1|与运动目标上高精度压力传感器获取的与被测目标深度范围相对应的压力范围|Pi-PL|相对应，从而等价于将可由高精度压力信息解算出的高精度深度信息调制到测深脉冲对上，通过接收机处理可实现高精度深度信息的获取。这里的“编码”既表示三种脉冲的组合、深度信息的调制以及信号的调频发射。跳频发射三脉冲编码信号示意图如图1所示，第一个周期发射测深脉冲对频率范围为[f11,f12]的三脉冲编码信号，第二个周期发射测深脉冲对频率范围为[f21,f22]的三脉冲编码信号，以此类推，当发完N组编码信号后，再重复这一发射过程，本发明即为对这一系列编码信号进行信号接收与处理的接收机。
当水下运动目标发射的三脉冲编码信号被宽带换能器接收到后，将该接收信号转换为电信号，经放大和带通滤波处理去除带外噪声，再经窄带滤波器滤出前导脉冲信号，在同步信号(Syn)触发下，经AD采集送前导信号接收机处理，输出多普勒频移值fd、前导脉冲时延序列τcw(n)以及压控增益码；带通滤波器输出的另一路信号经VCA后由AD采集送测深脉冲对接收机，分别输出测深追踪脉冲时延序列τ+(n)和测深参考脉冲时延序列τ-(n),其中，VCA由前导信号接收机输出的压控增益码进行实时控制，本发明所述接收机的整体构成图如图2所示。
对于前导信号接收机，AD采集窄带滤波器输出的前导脉冲信号Scw(n)经正交接收机后输出信号解析形式的实部SI(n)和虚部SQ(n)，经解析信号幅度平方计算器输出得到解析信号复包络平方E2，通过与比较判决器的门限值η比较判决后，利用前导脉冲幅值估计器(后接压控增益码生成器)、多普勒估计器和时延估计器依次产生并输出压控增益码、多普勒频移值fd以及前导脉冲时延序列τcw(n)，前导信号接收机如图3所示。
对于测深脉冲对接收机，AD采集带通滤波器输出信号SBPF(n)首先输入拷贝相关器组，两路拷贝相关器使用的拷贝信号分别与测深追踪脉冲信号和测深参考脉冲信号相对应，两拷贝信号均经过前导信号接收机输出的多普勒频移fd进行了补偿，信号中心频率均为ωi+ωd＝2π[(fi1+fi2)/2+fd]；然后依次经过与前导信号接收机具有相同结构的正交接收机、解析信号幅度平方计数器、时延估计器，分别输出测深追踪信号的时延序列τ+(n)和测深参考脉冲的时延序列τ-(n)，测深脉冲对接收机如图4所示。
如上所述，利用测深参考脉冲与测深追踪脉冲间的时延差|τ+(n)-τ-(n)|实现水下运动目标深度的解算，外加测深参考脉冲的时延τ-(n)即可用于实现对水下运动目标的高精度三维定位。
本发明设计前导脉冲接收机主要具备以下三项功能或有益效果：(1)通过前导脉冲幅度估计产生压控增益码，控制VCA电路实现对测深脉冲对接收增益的自动均衡控制，实现接收机的增益自控制功能；(2)通过前导脉冲时延估计获取信号时延信息，作为定位解算的冗余信息，可用于提高抗多途性能；(3)多普勒频移解算功能为测深脉冲对接收机中的拷贝相关器提供多普勒频移修正信息，使拷贝相关器达到最佳的脉冲压缩效果，保证了测深脉冲对时延估计的精度。同时，由于进入前导信号接收机前采用了窄带滤波处理，因此，测深脉冲对对前导脉冲接收机处理性能造成的影响很小。
测深脉冲对接收机也具备两项主要功能或有益效果：(1)拷贝相关器是噪声中已知信号检测的最有效方法，可精确地测定测深脉冲对间的时延差，从而可实现对目标深度信息的精确解算；(2)输出测深参考脉冲信号的时延值可用于高精度三维定位。同时，由于采用了拷贝相关器这一脉冲压缩技术，前导脉冲及其多途信号不会对测深脉冲对接收机处理测深追踪脉冲以及测深参考脉冲的检测性能造成影响，而由于测深追踪脉冲与测深参考脉冲频率变化率相反，经过拷贝相关器时两者之间互不相关，也不会造成相互间的影响，多方面的技术设计保证了本发明接收机性能的稳定性和可靠性。
由于接收信号经信道传播变为相位和频率随机、波形已知的随机相位信号，而对随机相位信号进行处理的最优接收机为正交接收机，因此最佳接收机的采用保证了本发明接收机的处理性能。另外，本发明中正交接收机后均进行了解析信号幅度平方和求解，这一设计可进一步提高检波性能，前导信号、测深追踪信号以及测深参考信号经过这一处理前后输出波形对比见图5，图中实线为处理前信号波形，虚线为处理后信号波形，为了便于对比，图中波形进行了归一化处理。由图中可以明显得出，经上述处理后信号信噪比有了显著增强，从而为高性能的前导信号幅值比较判决、幅度估计以及三种脉冲的时延估计提供了可靠的保障。
本发明的有益效果还包括：接收机输出了前导脉冲时延τcw(n)等冗余信息，可用于提升定位***抗多途能力，即利用前导脉冲与测深参考脉冲间时延固定这一特性，当接收机输出前导脉冲与测深参考脉冲间时延差不是这一固定值时，可判为多途信号。另外，跳频发射机制使得定位模糊距离由一个发射周期对应的距离增加到了N个发射周期对应的距离，大大提高了水下运动目标三维定位的抗距离模糊能力。
其中图2调理采集电路：宽度接收换能器输出电信号经过前放、带通滤波器(BPF)后分两路进行后续接收处理：一路信号依次经窄带滤波器、AD输出至前导信号接收机；另一路依次经压控增益放大器(VCA)和AD输出至测深脉冲对接收机。前导信号接收机输出增益控制码经DA反馈至VCA实现接收机增益自控制。
图3在同步信号(Syn)触发下，调理采集电路输出至前导信号接收机的信号Scw(n)经正交接收机分别输出其析形式信号部SI(n)和虚部SQ(n)，同时将两者输出至解析信号幅度平方计算器计算输出解析信号幅度的平方，经比较判决器后分别进行幅值估计、时延估计和多普勒估计，其中：幅值估计后产生压控增益码并输出至DA，反馈至调理采集电路中的VCA；时延估计输出用于后续目标定位解算；多普勒估计输出至测深脉冲对接收机，对拷贝相关器进行多普勒修正。
图4在同步信号(Syn)触发下，调理采集电路输出至测深脉冲对接收机的信号SBPF(n)经过拷贝相关器组(测深追踪脉冲拷贝相关器和测深参考脉冲拷贝相关器)后分别输出至正交接收机，然后每个正交接收机均将生成的实部和虚部信号送解析信号幅度平方计数器，最后将计算得到的平方和输出至比较判决器及时延估计器，最终输出两脉冲信号的时延信息。
除上述实施外，凡采用同等替换或等效变型而形成的相关技术方案均落在本发明专利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于跳频三脉冲编码的水下目标三维同步定位接收机，其特征在于，包括如下步骤：
宽带接收换能器，将接收的由被定位目标发射的三脉冲编码信号转换为电信号，并输出至调理采集电路；
调理采集电路，将电信号进行放大、滤波、增益控制和模数转换，具体将宽带接收换能器输出的电信号经前放和带通滤波后分为两路进行后续接收处理，一路经窄带滤波和模数转换后输出至前导脉冲接收机；另一路经压控增益控制放大器VCA和模数转换后输出至测深脉冲对接收机；
前导信号接收机，在同步信号触发下处理调理采集电路的输出信号，输出多普勒频移、压控增益码以及前导脉冲时延序列，其中：多普勒频移信息输出至接收脉冲对接收机，压控增益码经DA反馈至调理采集电路中的VCA；
测深脉冲对接收机，在同步信号触发下处理接收到的周期性跳频发射的测深追踪脉冲信号和测深参考脉冲信号，依次输出两者的时延序列。
2.根据权利要求1所述的一种基于跳频三脉冲编码的水下目标三维同步定位接收机，其特征在于：所述的测深追踪脉冲和测深参考脉冲在相邻几个发射周期依次跳频发射，跳频发射完成后再周期性地按相同顺序依次跳频发射，以此类推，本发明接收机对相应进行对应信号参数的接收处理。
3.根据权利要求1所述的一种基于跳频三脉冲编码的水下目标三维同步定位接收机，其特征在于：所述的前导信号接收机依次对输入信号经正交接收机、解析信号复包络平方计算器、比较判决器、幅值估计器后接压控增益码生成器、多普勒估计器、时延估计器，最终输出多普勒频移、压控增益码以及前导脉冲时延序列，其中，多普勒频移输出至测深脉冲对接收机，用于拷贝相关器多普勒频移修正；压控增益码经DA反馈至调理采集电路中的VCA，实现自增益控制；前导脉冲时延序列作为冗余信息用于后续的三维定位解算。
4.根据权利要求1所述的一种基于跳频三脉冲编码的水下目标三维同步定位接收机，其特征在于：所述的测深脉冲对接收机分两路依次将输入信号送拷贝相关器组、正交接收机、解析信号复包络平方计算器、时延估计器，分别输出测深追踪脉冲时延序列和测深参考脉冲时延序列。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于跳频三脉冲编码的水下目标三维同步定位接收机，其特征在于：所述的测深脉冲对接收机中拷贝相关器组所用的两个拷贝信号分别是经过前导脉冲接收机输出多普勒频移值进行修正的正、负调频率线性调频拷贝信号。
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