CN106603117A - 一种水下测量传播时延的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下测量传播时延的方法，用以解决传统的非应答式测量声信号传播时延的方法存在可靠性低，延时测量误差高的缺点。本发明方法将宽带双曲调频信号抗多普效应、时间分辨率高以及m序列直接扩频调制抗噪声性能好的优点相结合，采用该方法可以有效对抗信道多普勒效应和噪声的影响，以较低的处理复杂度获得可靠的测量性能。本发明方法具有测量精度高、抗水声信道干扰能力强、处理复杂度低和可靠性好。鉴于以上理由，本发明可以应用于水声导航、定位和水声通信领域。

Description

一种水下测量传播时延的方法

技术领域

本发明涉及水声导航、定位和水声通信领域，特别是关于一种水下测量传播时延的方法。

背景技术

随着海洋资源的开发以及国防建设的需要，在水下AUV(Autonomous UnderwaterVehicle，自主式水下航行器)/UUV(Unmanned Underwater Vehicle，无人水下航行器)航行导航、水下打捞定位、水下对接导引等应用场景对于广播式多用户(类似GPS)水下导航和定位的需求日益迫切。非应答式测量声信号传播时延是实现广播式多用户水下导航、定位功能的基础。传统的非应答式测量声信号传播时延的方法虽然也采用了大带宽时间积的宽带信号(如线性调频、双曲调频信号)，但在有强多普勒效应和大背景噪声干扰的水声信道条件下，存在可靠性低，延时测量误差高的缺点。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种非应答式水下测量声信号传播时延的方法，该方法将宽带双曲调频信号抗多普效应、时间分辨率高、以及m序列直接扩频调制抗噪声性能好的优点相结合，采用该方法可以有效对抗信道多普勒效应和噪声的影响，以较低的处理复杂度获得可靠的测量性能。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：一种水下测量传播时延的方法，它包括以下步骤：首先，在信号发射端：11)在信号发射端获取当前本地同步时钟时间戳信息T_{tx 0}；12)根据T_{tx 0}和延后固定时间t_d得到发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx＝T_{tx 0}+t_d，针对T_tx进行m序列直接扩频调制，并结合复合双曲调频信号生成发射信号T_xSignal；13)信号发射端利用本地同步时钟脉冲信号达到T_tx时刻的跳变沿触发T_xSignal发射；其次，在信号接收端：21)根据复合双曲调频信号特征进行信号到达时间及多普勒系数估计；22)对报文数据信号进行m序列直接扩频数据解调，获得发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx，并根据接收报文数据长度计算发射信号时间长度T_signal；23)获取信号接收端在获得发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx时，本地同步时间戳信息T_rx、本地计时器读数T'_rx以及发射信号到达起始时间T_buffer，并根据下式计算得到最终的传播时延估计值Δt：

Δt＝T_rx+T'_rx-(T_signal+T_buffer)-T_tx。

所述步骤12)中，m序列直接扩频调制的同步时钟时间戳信息由帧头数据循环前缀、帧头数据、报文数据以及报文数据CRC校验和组成。

所述步骤12)包括以下步骤：121)对获得的T_{tx 0}延后固定时间t_d得到发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx＝T_{tx 0}+t_d；122)对T_tx信息进行m序列直接扩频调制，形成同步时钟时间戳信息，其中，m序列直接扩频调制的同步时钟时间戳信息由帧头数据循环前缀、帧头数据、报文数据以及报文数据CRC校验和组成；123)将同步时钟时间戳信息结合复合双曲调频信号生成发射端发射信号T_xSignal。

所述步骤123)中的复合双曲调频信号，其由2个不同参数的双曲调频信号线性叠加而成：

S(t)＝S₁(t)+S₂(t)

其中， 为其中一个双曲调频信号的下限频率，为该双曲调频信号的上限频率，为其中另一个双曲调频信号的下限频率，为该双曲调频信号的上限频率，T为单个双曲调频信号持续时间。

所述步骤21)包括以下步骤：211)接收端对接收到的模拟信号按照一定的采样率f_s进行采样，用S₁(t)和S₂(t)对接收信号做拷贝相关处理，分别求得其相关函数绝对值|C₁(τ)|和|C₂(τ)|；212)将|C₁(τ)|和|C₂(τ)|的最大值与门限进行比较，若都不大于该门限，则返回步骤211)；若都超过该门限，则判为可能有信号到达，转入步骤213)；213)根据采样率f_s计算：当|C₁(τ)|为最大值时在接收缓存中对应的时刻t₁和当|C₂(τ)|为最大值时在接收缓存中对应的时刻t₂，采用以下公式计算相对多普勒系数D和信道达到时刻估计τ：

214)根据得到的

D和τ，对帧头数据进行m序列直接扩频数据解调，检验帧头数据是否是预期的帧头数据，若不是，则返回步骤211)，若是，则判定信号达到时刻确认，转入步骤22)。

所述步骤22)中，针对报文数据信号进行m序列直接扩频数据解调，获得完整的一帧报文数据，该报文数据包括报文数据CRC校验和，使用报文数据CRC校验和对接收的报文数据进行CRC校验，若校验错误，则返回步骤21)中的211)；若校验正确，则获得完整的发射端同步时钟时间戳信息T_tx，并根据接收报文数据长度计算发射信号时间长度T_signal，转入步骤23)。

所述步骤23)中，获取信号接收端在获得发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx时的本地同步时间戳信息T_rx和本地计时器读数T'_rx，并纪录此时刻接收信号缓存在时刻τ之后纪录的数据长度Len，根据采样率f_s计算该长度对应的发射信号到达起始时间T_buffer:并根据下式计算得到最终的传播时延估计值Δt：Δt＝T_rx+T’_rx-(T_signal+T_buffer)-T_tx。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明采用信号发射端按照一定的规则和信号形式发射信号，信号接收端则按照一定步骤处理接收信号，从而得到声信号传播时延的估计，过程中信号发射端和信号接收端皆采用全局同步时钟，接收端额外采用计时精度为毫秒量级以下的本地计时器，并使得该计时器运行周期与全局同步时钟完全同步。本发明由于采用以上技术，其充分利用了宽带双曲调频信号抗多普效应、时间分辨率高、以及m序列直接扩频调制抗噪声性能好的优点，可以有效对抗水声信道多普勒效应以及噪声的影响，适应各种复杂的水声信道条件，实现可靠的声信号传播时延估计。本发明方法处理复杂度低和可靠性高。鉴于以上理由，本发明可以直接应用于广播式多用户水下精确导航与定位以及水声通信等领域。

附图说明

图1是本发明整体流程示意图；

图2是本发明中的发射信号格式。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明一种水下测量传播时延的方法，它包括以下步骤：

首先，在信号发射端：

11)在信号发射端获取当前本地同步时钟时间戳信息T_{tx 0}；

12)根据T_{tx 0}和延后固定时间t_d得到发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx＝T_tx0+t_d，针对T_tx进行m序列直接扩频调制，并结合复合双曲调频信号生成发射信号T_xSignal；上述t_d的选择应保证发射***有足够时间完成发射信号以及发射设备准备等工作，其根据实际***实现及经验而定；

步骤12)包括以下步骤：

121)对获得的T_{tx 0}延后一固定时间t_d得到发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx＝T_{tx 0}+t_d；

122)对T_tx信息进行m序列直接扩频调制，形成同步时钟时间戳信息，其中，m序列直接扩频调制的同步时钟时间戳信息由帧头数据循环前缀、帧头数据、报文数据以及报文数据CRC校验和组成；

123)如图2所示，将同步时钟时间戳信息结合复合双曲调频信号生成发射端发射信号T_xSignal；

其中，复合双曲调频信号，其由2个不同参数(参数根据具体信号发送及接收***可用带宽而定，属于本领域技术人员公知常数，故不再详述)的双曲调频信号线性叠加而成：

S(t)＝S₁(t)+S₂(t)

其中， 为其中一个双曲调频信号的下限频率，为该双曲调频信号的上限频率，为其中另一个双曲调频信号的下限频率，为该双曲调频信号的上限频率，T为单个双曲调频信号持续时间。

13)发射端利用本地同步时钟脉冲信号达到T_tx时刻的跳变沿(上跳沿或下跳沿)触发T_xSignal发射，以保证T_xSignal的发射时刻为准确的T_tx时刻；

其次，在信号接收端：

21)根据复合双曲调频信号特征进行信号到达时间及多普勒系数估计，其包括以下步骤：

211)接收端对接收到的模拟信号按照一定的采样率f_s进行采样(采样率的选取，通常根据本领域技术人员的经验而定，在此不做详述)，用S₁(t)和S₂(t)对接收信号做拷贝相关处理(相关处理是本领域技术人员的常用手段，故不再详述)，分别求得其相关函数绝对值|C₁(τ)|和|C₂(τ)|；

212)将|C₁(τ)|和|C₂(τ)|的最大值与门限进行比较，若都不大于该门限则返回211)，若都超过该门限，则判为可能有信号到达，转入213)，上述门限根据信噪比而定，通常根据本领域技术人员的经验而定，在此不做详述；

213)根据采样率f_s计算：当|C₁(τ)|为最大值时在接收缓存中对应的时刻t₁和当|C₂(τ)|为最大值时在接收缓存中对应的时刻t₂(根据采样率f_s计算|C₁(τ)|和|C₂(τ)|是本领域技术人员常用的方法，故不再详述)，采用以下公式计算相对多普勒系数D和信道达到时刻估计τ：

214)根据213)得到的D和τ，对帧头数据进行m序列直接扩频数据解调，检验帧头数据是否是预期的帧头数据(根据帧头数据值判定具体情况具体分析)，若不是，则返回211)，若是，则判定信号达到时刻确认，转入22)；

22)对报文数据信号进行m序列直接扩频数据解调，获得发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx；

针对报文数据信号进行m序列直接扩频数据解调，获得完整的一帧报文数据，该报文数据包括报文数据CRC校验和，使用报文数据CRC校验和对接收的报文数据进行CRC校验，若校验错误，则返回步骤21)中的211)；若校验正确，则获得完整的发射端同步时钟时间戳信息T_tx，并根据接收报文数据长度计算发射信号时间长度T_signal，转入步骤23)。

23)获取信号接收端在获得发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx时，本地同步时间戳信息T_rx、本地计时器读数T'_rx以及发射信号到达起始时间T_buffer，并根据下式计算得到最终的传播时延估计值Δt：Δt＝T_rx+T'_rx-(T_signal+T_buffer)-T_tx，其具体过程如下：

获取信号接收端在获得发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx

时，本地同步时间戳信息T_rx、本地计时器读数T'_rx，并纪录此时刻接收信号缓存在时刻τ之后纪录的数据长度Len，根据采样率f_s计算该长度对应的发射信号到达起始时间T_buffer:

根据下式计算得到最终的传播时延估计值Δt：

Δt＝T_rx+T'_rx-(T_signal+T_buffer)-T_tx (4)

实施例1

首先，在信号发射端：

11)在信号发射端获取当前本地同步时钟时间戳信息T_{tx 0}；

12)根据T_{tx 0}和延后固定时间t_d得到发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx＝T_{tx 0}+t_d，针对T_tx进行m序列直接扩频调制，并结合复合双曲调频信号生成发射信号；上述t_d的选择应保证发射***有足够时间完成发射信号以及发射设备准备等工作，其根据实际***实现及经验而定；

121)对获得的T_{tx 0}延后一固定时间t_d得到发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx＝T_{tx 0}+t_d；

本实施例中，t_d的设置为2秒，t_d的选择应保证发射***有足够时间完成发射信号以及发射设备准备等工作，其根据实际***实现及经验而定。

122)对T_tx信息进行m序列直接扩频调制，形成同步时钟时间戳信息，其中，m序列直接扩频调制的同步时钟时间戳信息由帧头数据循环前缀、帧头数据、报文数据以及报文数据CRC校验和组成；

本实施例中，m序列直接扩频调制，采用7阶m序列，生成多项式为：x⁷+x³+1；调制载波中心频率10kHz，单个码片时间为0.6ms，码片成形滤波器采用方波成形级联8k-12kHz带通滤波；

帧头数据循环前缀时间长度选择为50ms。帧头数据采用1个字节，数据内容为0xff；CRC校验采用8位CRC校验，生成多项式为：x⁸+x⁵+x⁴+1；

考虑到若实际收发2点距离小于5400km，则发射端同步时钟时间戳信息只需要包含“分钟”和“秒”信息即可，因此，同步时钟时间戳信息仅包含2个字节净负荷数据，一个字节用于表示“分钟”信息，一个字节用于表示“秒”信息；

整个m序列直接扩频调制的同步时钟时间戳信息一共包含4字节数据，持续时间为354.8ms。

整个发射信号持续时间：

T_signal＝354.8+125＝479.8ms

123)如图2所示，将同步时钟时间戳信息结合复合双曲调频信号生成发射端发射信号T_xSignal；

其中，复合双曲调频信号，其由2个不同参数(参数根据具体信号发送及接收***可用带宽而定，属于本领域技术人员公知常数，故不再详述)的双曲调频信号线性叠加而成：

S(t)＝S₁(t)+S₂(t)

其中， 为其中一个双曲调频信号的下限频率，为该双曲调频信号的上限频率，为其中另一个双曲调频信号的下限频率，为该双曲调频信号的上限频率，T为单个双曲调频信号持续时间。

本实施例中，参数选取如下：

13)发射端利用本地同步时钟脉冲信号达到T_tx时刻的跳变沿(上跳沿或下跳沿)触发T_xSignal发射，保证T_xSignal的发射时刻为准确的T_tx时刻；

其次，在信号接收端：

21)根据复合双曲调频信号特征进行信号到达时间及多普勒系数估计，其包括以下步骤：

211)接收端对接收到的模拟信号按照一定的采样率f_s进行采样(采样率的选取，通常根据本领域技术人员的经验而定，在此不做详述)，用S₁(t)和S₂(t)对接收信号做拷贝相关处理(相关处理是本领域技术人员的常用手段，故不再详述)，分别求得其相关函数绝对值|C₁(τ)|和|C₂(τ)|；

212)将|C₁(τ)|和|C₂(τ)|的最大值与门限进行比较，若都不大于该门限则返回211)，若都超过该门限，则判为可能有信号到达，转入213)，上述门限根据信噪比而定，通常根据本领域技术人员的经验而定，在此不做详述；

213)根据采样率f_s计算：当|C₁(τ)|为最大值时在接收缓存中对

应的时刻t₁和当|C₂(τ)|为最大值时在接收缓存中对应的时刻t₂，(根据

采样率f_s计算|C₁(τ)|和|C₂(τ)|是本领域技术人员常用的方法，故不再

详述)采用以下公式计算相对多普勒系数D和信道达到时刻估计τ。

其中，

214)根据213)得到的D和τ，对帧头数据进行Gold软扩频数据解调，检验帧头数据是否是预期的帧头数据0xff(根据数据值判定具体情况具体分析)，若不是，则返回211)，若是，则判定信号达到时刻确认，转入22)；

22)对报文数据信号进行m序列直接扩频数据解调，获得发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx：

针对报文数据信号进行m序列直接扩频数据解调，获得完整的一帧报文数据，该报文数据包括报文数据CRC校验和；

使用报文数据CRC校验和对接收的报文数据进行CRC校验，若校验和不为0，则返回步骤21)中的211)；

若校验和为0，则获得完整的发射端同步时钟时间戳信息T_tx，并根据接收报文数据长度计算发射信号时间长度T_signal，转入步骤23)。

23)获取信号接收端在获得发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx时，本地同步时间戳信息T_rx、本地计时器读数T'_rx，并纪录此时刻接收信号缓存在时刻τ之后纪录的数据长度Len，根据采样率f_s

计算该长度对应的发射信号到达起始时间T_buffer:

根据下式计算得到最终的传播时延估计值Δt：

Δt＝T_rx+T'_rx-(T_signal+T_buffer)-T_tx (4)

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种水下测量传播时延的方法，它包括以下步骤：

首先，在信号发射端：

11)在信号发射端获取当前本地同步时钟时间戳信息T_tx0；

12)根据T_tx0和延后固定时间t_d得到发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx＝T_tx0+t_d，针对T_tx进行m序列直接扩频调制，并结合复合双曲调频信号生成发射信号T_xSignal；

13)信号发射端利用本地同步时钟脉冲信号达到T_tx时刻的跳变沿触发T_xSignal发射；

其次，在信号接收端：

21)根据复合双曲调频信号特征进行信号到达时间及多普勒系数估计；

22)对报文数据信号进行m序列直接扩频数据解调，获得发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx，并根据接收报文数据长度计算发射信号时间长度T_signal；

23)获取信号接收端在获得发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx时，本地同步时间戳信息T_rx、本地计时器读数T′_rx以及发射信号到达起始时间T_buffer，并根据下式计算得到最终的传播时延估计值Δt：Δt＝T_rx+T′_rx-(T_signal+T_buffer)-T_tx。

2.根据权利要求1所述的一种水下测量传播时延的方法，其特征在于：所述步骤12)中，m序列直接扩频调制的同步时钟时间戳信息由帧头数据循环前缀、帧头数据、报文数据以及报文数据CRC校验和组成。

3.根据权利要求2所述的一种水下测量传播时延的方法，其特征在于：所述步骤12)包括以下步骤：

121)对获得的T_tx0延后固定时间t_d得到发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx＝T_tx0+t_d；

122)对T_tx信息进行m序列直接扩频调制，形成同步时钟时间戳信息，其中，m序列直接扩频调制的同步时钟时间戳信息由帧头数据循环前缀、帧头数据、报文数据以及报文数据CRC校验和组成；

123)将同步时钟时间戳信息结合复合双曲调频信号生成发射端发射信号T_xSignal。

4.根据权利要求3所述的一种水下测量传播时延的方法，其特征在于：所述步骤123)中的复合双曲调频信号，其由2个不同参数的双曲调频信号线性叠加而成：

S(t)＝S₁(t)+S₂(t)

其中， 为其中一个双曲调频信号的下限频率，为该双曲调频信号的上限频率，为其中另一个双曲调频信号的下限频率，为该双曲调频信号的上限频率，T为单个双曲调频信号持续时间。

5.根据权利要求4所述的一种水下测量传播时延的方法，其特征在于：所述步骤21)包括以下步骤：

211)接收端对接收到的模拟信号按照一定的采样率f_s进行采样，用S₁(t)和S₂(t)对接收信号做拷贝相关处理，分别求得其相关函数绝对值|C₁(τ)|和|C₂(τ)|；

212)将|C₁(τ)|和|C₂(τ)|的最大值与门限进行比较，若都不大于该门限，则返回步骤211)；若都超过该门限，则判为可能有信号到达，转入步骤213)；

213)根据采样率f_s计算：当|C₁(τ)|为最大值时在接收缓存中对应的时刻t₁和当|C₂(τ)|为最大值时在接收缓存中对应的时刻t₂，采用以下公式计算相对多普勒系数D和信道达到时刻估计τ：

$D=\frac{\frac{m_2{f}_{10}-m_1{f}_{20}}{m_1{m}_2}}{\frac{m_2{f}_{10}-m_1{f}_{20}}{m_1{m}_2}-\left(t_1-t_2\right)}$

$\mathrm{\τ}=t_1-\frac{D-1}{m_{1}D}{f}_{10}$

214)根据得到的D和τ，对帧头数据进行m序列直接扩频数据解调，检验帧头数据是否是预期的帧头数据，若不是，则返回步骤211)，若是，则判定信号达到时刻确认，转入步骤22)。

6.根据权利要求5所述的一种水下测量传播时延的方法，其特征在于：所述步骤22)中，针对报文数据信号进行m序列直接扩频数据解调，获得完整的一帧报文数据，该报文数据包括报文数据CRC校验和，使用报文数据CRC校验和对接收的报文数据进行CRC校验，若校验错误，则返回步骤21)中的211)；若校验正确，则获得完整的发射端同步时钟时间戳信息T_tx，并根据接收报文数据长度计算发射信号时间长度T_signal，转入步骤23)。

7.根据权利要求6所述的一种水下测量传播时延的方法，其特征在于：所述步骤23)中，获取信号接收端在获得发射信号时刻同步时钟时间戳信息T_tx时的本地同步时间戳信息T_rx和本地计时器读数T′_rx，并纪录此时刻接收信号缓存在时刻τ之后纪录的数据长度Len，根据采样率f_s计算该长度对应的发射信号到达起始时间T_buffer:并根据下式计算得到最终的传播时延估计值Δt：Δt＝T_rx+T′_rx-(T_signal+T_buffer)-T_tx。