專利名稱：一種基于Pattern時延編碼水下聲定位的時延估計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及聲納領域,特別涉及一種基于Pattern時延編碼水下聲定位的時延估計方法。
背景技術：
在聲納和雷達領域，經常需要準確獲得發(fā)射脈沖信號的位置，時延估計方法是用于獲得發(fā)射脈沖信號位置的一種方法。通常的時延估計方法采用了相關檢測技術，即在時間上利用匹配濾波器對接收信號進行脈沖壓縮，再經過相關峰值檢測來判決峰值位置，即是發(fā)射脈沖信號的位置。在超短基線定位中往往利用脈沖信號之間的Pattern時延差編碼來傳遞應答器的位置信息，例如不同的時延差值代表應答器的深度值，因此能否準確判定脈沖的位置成為正確獲得深度值的關鍵。相關檢測的時間分辨率由發(fā)射波形的帶寬來決定，信號頻帶越寬，時間分辨率和測距精度越高。但是，這一切都是建立在正確的峰值檢測條件下，只有正確峰值檢測結果才能保證真實的時延估計。然而，在實際傳播信道中還包括有來自其他界面的散射波，而通過脈沖壓縮后它們也同樣是呈現(xiàn)在不同位置的相關峰。另一方面，目標檢測中接收回波的信噪比往往處于較低條件下，甚至于脈沖壓縮后的相關峰都淹沒在噪聲背景下，這些都會導致錯誤的時間估計，不僅無法保證測距精度，也可能直接獲得錯誤的峰值檢測結果。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的時延估計方法無法保證測量精度，容易發(fā)生錯誤檢測的缺陷，從而提供開銷小、準確度高的時延估計方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于Pattern時延編碼水下聲定位的時延估計方法，包括:步驟I)、確定發(fā)射Pattern信號的信號形式、脈沖時延差和位置信息的編碼對應關系;步驟2)、根據(jù)步驟I)確定的發(fā)射Pattern脈沖信號形式構建所對應相關運算的復本信號；步驟3)、在接收信號中分別截取Pattern脈沖，將所得到的截取信號和步驟2)所得到的復本信號分別進行第一次相關運算；步驟4)、將步驟3)所得到的第一次相關運算的結果與一檢測門限值進行比較，若所述第一次相關運算的結果中超過所述檢測門限值且僅有一個相關峰值，則依據(jù)PLFM的脈沖相關峰與NLFM的脈沖相關峰之間的時延差以及步驟I)中所確定的脈沖時延差和位置信息的編碼對應關系解算出應答器的位置信息，否則執(zhí)行下一步；步驟5)、將PLFM脈沖與NLFM脈沖的第一次相關結果進行互相關運算，在所述互相關運算的結果中找到最大峰值，依據(jù)該最大值位置解算出應答器的位置信息。上述技術方案中，在所述的步驟I)中，根據(jù)應答器的工作距離和時延編碼的時延估計精度確定發(fā)射Pattern信號的信號形式；根據(jù)應答器的深度確定脈沖時延差和位置信息的編碼對應關系。上述技術方案中，所述脈沖信號形式包括LFM信號的中心頻率、脈沖長度T和帶寬B0上述技術方案中，在所述的步驟3)中，在接收信號中截取Pattern脈沖時，截取后的信號中一定要包含pattern時延編碼的脈沖。本發(fā)明的優(yōu)點在于:1、本發(fā)明能夠在多途條件下準確挑選Pattern時延差編碼相關峰的位置，避免錯誤峰選所帶來的錯誤時延估計；2、與常規(guī)算法相比，本發(fā)明能夠在較低信噪比條件下進行峰值檢測，將第一次相關計算反映的信道結構進行第二次脈沖壓縮，有利于準確Pattern時延差的時延估計，從而提聞檢測性能；3、本發(fā)明所付出的 代價僅是增加一次相關運算，沒有任何硬件上的開銷，通過選擇合理參數(shù)可以將其控制在系統(tǒng)可接受的范圍內。


圖1.a是Pattern時延編碼的碼元結構示意圖；圖1.b是應答器所接收到的信號的示意圖；圖2是本發(fā)明方法的流程圖；圖3.a是一個實施例中接收數(shù)據(jù)的原始波形圖；圖3.b是一個實施例中截取后正調頻的第一次相關結果示意圖；圖3.c是一個實施例中截取后負調頻的第一次相關結果示意圖；圖3.d是一個實施例中二次相關結果的示意圖；圖4.a是另一個實施例中接收數(shù)據(jù)的原始波形圖；圖4.b是另一個實施例中截取后正調頻的第一次相關結果不意圖；圖4.c是另一個實施例中截取后負調頻的第一次相關結果不意圖；圖4.d是另一個實施例中二次相關結果的示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。為了便于理解，在對本發(fā)明的時延估計方法進行說明之前，首先對該方法中所涉及的Pattern時延編碼的脈沖結構加以描述。圖1是所述Pattern時延編碼的脈沖結構示意圖。圖1.a中給出了一組碼元結
構，包含L個相關性優(yōu)良的Pattern碼,其中Tdi (i=l，2,3,......)表示時延差值，表示
Pattern碼出現(xiàn)在碼元窗的位置；TP表示Pattern碼脈寬Jtl表示碼元寬度；T。表示編碼時間，Tc=Ttl-Tpt5 PTDS體制的每個碼元占空比為η=!；/!；，其值小于I。超短基線中應答器的深度信息由壓力傳感器獲得，基于PTDS通信體制在應答信號中通過時延編碼的方式將深度信息發(fā)送給呼叫端。發(fā)送信號由三部分組成，分別是同步脈沖、正調頻線性調頻脈沖信號(PLFM)，負調頻線性調頻脈沖信號(NLFM),其中PLFM、NLFM脈沖之間的時延間隔包含了應答器的深度信息，如圖l.b所示。因此，通過本發(fā)明的時延估計方法可求取PLFM、NLFM脈沖之間的時延間隔，進而得到應答器的深度信息。下面結合一個具體的實施例，并結合圖2對本發(fā)明的時延估計方法加以說明。在一個實施例中，應答器距離超短基線600m，吊放深度為水下20m，超短基線工作在水下Sm，水聽器接收相應的信號，根據(jù)所接收的信號，本發(fā)明的時延估計方法包括以下步驟:步驟I)、根據(jù)系統(tǒng)指標確定發(fā)射Pattern信號的信號形式、脈沖時延差和位置信息的編碼對應關系。在本步驟中，脈沖信號形式指LFM信號的中心頻率、脈沖長度T和帶寬B，脈沖信號形式的確定與應答器的工作距離和時延編碼的時延估計精度有關。中心頻率和脈沖長度T涉及應答器的工作距離，中心頻率越低和T越長，距離越遠；而信號帶寬越大時延精度越高。本領域技術人員知道，脈沖之間時延差對應應答器深度的編碼信息，在實際工作過程中如果應答器在不同的深度環(huán)境下，那么脈沖之間時延差與位置信息(主要是應答器的深度)的編碼對應關系就會有所不同。因此，在本步驟中需要根據(jù)與檢測環(huán)境有關的系統(tǒng)指標確定Pattern信號的信號形式、脈沖時延差和位置信息的編碼對應關系等。步驟2)、根據(jù)步驟I)確定的發(fā)射Pattern脈沖信號形式構建所對應相關運算的復本信號。步驟3)、在接收信號中分別截取Pattern脈沖，將所得到的截取信號和步驟2)所得到的復本信號分別進行第一次相關運算。在接收信號中截取Pattern脈沖時,應當保證截取后的信號一定要包含pattern時延編碼的脈沖。步驟4)、將第一次相關運算的結果與一檢測門限值進行比較，若第一次相關運算結果中超過所述檢測門限值且僅有一個相關峰值，則依據(jù)PLFM的脈沖相關峰與NLFM的脈沖相關峰之間的時延差解算出應答器的位置信息，否則執(zhí)行下一步；步驟5)、將PLFM脈沖與NLFM脈沖的第一次相關結果進行互相關運算，在第二次互相關運算的結果中找到最大峰值，依據(jù)該最大值位置解算出應答器的位置信息。從對本發(fā)明的時延估計方法可以看出，由于發(fā)射Pattern脈沖的一次相關結果從能量上描述了傳播信道的傳遞函數(shù)，即為傳播信道中的多途結構，而在一定相關時間內多個脈沖必然具有相同結構的相關結果；再進行二次相關計算，能夠進一步累加能量來獲得二次相關峰，相關峰值的位置也代表了 Pattern編碼脈沖之間的時延差估計值，從而可以準確計算應答器的位置信息。圖3是對上述實施例中采用本發(fā)明的時延估計方法所得到的處理結果的示意圖。其中，圖3.a為接收信號的時域波形，前后兩個脈沖信號分別是正、負調頻脈沖，可以看出接收信號具有較高的信噪比，圖3.b、圖3.c分別為正、負調頻與發(fā)射副本進行一次相關后的結果，從圖中可以很明顯看出，在400點前后出現(xiàn)有兩個相關峰，可以通過應答器的深度推定這是由于水面反射造成的回波，這對判斷相關峰的位置造成了困難，以至于無法獲得準確的時延估計。圖3.d是二次相關的結果，可以看出多徑能量累加后所得到明顯的相關峰，依次可以準確地完成時延差編碼的時延估計。圖4是本發(fā)明時延估計方法用于低信噪比條件下一個實施例的示意圖。隨著應答器距離超短基線越來越遠，可以看出與圖3.a相比，圖4.a中接收信號的信噪比下降了很多。同時在圖4.b、圖4.c中正、負調頻脈沖第一次相關結果也能看出，直達波的相關峰甚至已經低于界面反射的相關峰。此時不管多么復雜的峰選機制，也是很難準確地完成相關峰判別的，然而在圖4.d中二次相關后的結果中仍能看到明確的相關峰，這也使得峰值檢測變得簡單了，進而準確地完成時延差編碼的時延估計。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種基于Pattern時延編碼水下聲定位的時延估計方法,包括: 步驟I)、確定發(fā)射Pattern信號的信號形式、脈沖時延差和位置信息的編碼對應關系； 步驟2)、根據(jù)步驟I)確定的發(fā)射Pattern脈沖信號形式構建所對應相關運算的復本信號; 步驟3)、在接收信號中分別截取Pattern脈沖，將所得到的截取信號和步驟2)所得到的復本信號分別進行第一次相關運算； 步驟4)、將步驟3)所得到的第一次相關運算的結果與一檢測門限值進行比較，若所述第一次相關運算的結果中超過所述檢測門限值且僅有一個相關峰值，則依據(jù)PLFM的脈沖相關峰與NLFM的脈沖相關峰之間的時延差以及步驟I)中所確定的脈沖時延差和位置信息的編碼對應關系解算出應答器的位置信息，否則執(zhí)行下一步； 步驟5)、將PLFM脈沖與NLFM脈沖的第一次相關結果進行互相關運算，在所述互相關運算的結果中找到最大峰值，依據(jù)該最大值位置解算出應答器的位置信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于Pattern時延編碼水下聲定位的時延估計方法,其特征在于，在所述的步驟I)中，根據(jù)應答器的工作距離和時延編碼的時延估計精度確定發(fā)射Pattern信號的信號形式；根據(jù)應答器的深度確定脈沖時延差和位置信息的編碼對應關系O
3.根據(jù)權利要求2所述的基于Pattern時延編碼水下聲定位的時延估計方法,其特征在于，所述脈沖信號形式包括LFM信號的中心頻率、脈沖長度T和帶寬B。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于Pattern時延編碼水下聲定位的時延估計方法,其特征在于，在所述的步驟3)中，在接收信號中截取Pattern脈沖時，截取后的信號中一定要包含pattern時延編碼的脈沖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于Pattern時延編碼水下聲定位的時延估計方法，包括確定發(fā)射Pattern信號的信號形式、脈沖時延差和位置信息的編碼對應關系；構建所對應相關運算的復本信號；在接收信號中分別截取Pattern脈沖，將所得到的截取信號和復本信號分別進行第一次相關運算；將第一次相關運算的結果與一檢測門限值進行比較，若所述第一次相關運算的結果中超過所述檢測門限值且僅有一個相關峰值，則依據(jù)PLFM的脈沖相關峰與NLFM的脈沖相關峰之間的時延差以及脈沖時延差和位置信息的編碼對應關系解算出應答器的位置信息，否則將PLFM脈沖與NLFM脈沖的第一次相關結果進行互相關運算，在所述互相關運算的結果中找到最大峰值，依據(jù)該最大值位置解算出應答器的位置信息。
文檔編號G01S15/06GK103197318SQ20131008616
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月18日 優(yōu)先權日2013年3月18日
發(fā)明者吳永清, 許楓 申請人:中國科學院聲學研究所