一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111366897A(43)申请公布日2020.07.03(21)申请号202010252670.8(22)申请日2020.04.02(71)申请人中国科学院深海科学与工程研究所地址570000海南省三亚市鹿回头路28号中国科学院深海科学与工程研究所(72)发明人沈斌坚吕成财田川刘立昕张胜宗赵强(74)专利代理机构广州三环专利商标代理有限公司44202代理人陈欢(51)Int.Cl.G01S5/18(2006.01)G01S1/76(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图3页(54)发明名称一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法(57)摘要本发明的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，面向海洋科考、勘探、作业、安防等对水下多用户、高精度的定位导航需求，包括信号设计和信号处理两个步骤，信号设计过程中采用直接扩频序列来设计信号，设计完成的信号通过长基线水声定位系统的发射电路和换能器发射出去，而信号处理过程采用与信号设计过程相同的参考直接扩频序列进行处理，可以同时得到多普勒频移和码相位，准确估计得到信号的发射时刻，可以保证较高测距精度，由于使用直接扩频序列技术设计信号，利用直接扩频序列码的自相关和互相关特性，区分不同信标，使水下机器人可以工作在只接收处理信标信号的单程定位模式，解决传统长基线水声系统用户数目有限的问题。CN111366897ACN111366897A权利要求书1/2页1.一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、确定水声定位信号需要的处理增益GP；步骤S2、根据处理增益GP确定直接扩频序列的信息；步骤S3、根据长基线水声定位系统功能要求确定定位电文信息，并确定定位电文的码速率信息；步骤S4、对定位电文信息和直接扩频序列采用模二加运算得到数据序列X1；步骤S5、将数据序列X1以BPSK方式调制载波信号后得到数据序列X2，并通过发射电路和换能器将数据序列X2以声学信号形式发射出去；步骤S6、水听器将接收到的声学信号形式的数据序列X2转换成电信号，并由接收机进行转换后得到原始数据序列X3，从原始数据序列X3中取一段时间的数据作为待处理数据序列X4；步骤S7、根据声信标与接收机相对运动确定多普勒频移最大值Fmax以及多普勒搜索步长Fstep，并分别生成同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6；步骤S8、本地生成参考直接扩频序列，并分别对同相参考载波信号序列X5和正交参考载波信号序列X6进行BPSK调制，分别得到同相参考解调信号X7和正交参考解调信号X8；步骤S9、将待处理数据序列X4分别与同相参考解调信号X7和和正交参考解调信号X8相乘，并分别进行低通滤波后得到同相积信号X9和正交积信号X10；步骤S10、对同相积信号X9和正交积信号X10进行平方和运算得到V，若V不小于预设的检测阈值Vt，则可以获取多普勒频移和码相位信息，并完成定位电文剥离。2.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S1中的处理增益GP由下式获得：GP≥-(SL-TL-NL)；其中，SL为换能器声源级，TL为传播损失，NL为噪声级。3.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S2中直接扩频序列的信息包括码序列类型、最小级数以及码速率。4.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S3中的定位电文信息包括发送信号的时刻信息以及声信标的精度信息、纬度信息、深度信息以及纠错码。5.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S4中的模二加运算的法则为：1+1＝0；0+0＝0；1+0＝1；0+1＝1。6.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S5中以BPSK方式调制载波信号的具体步骤为：在相邻的时间间隔上所传的序列为0或者1时，载波分别以原来相位或者180°翻转的方式传输。7.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S6中从原始数据序列X3中取一段时间的数据作为待处理数据序列X4的采样时间控制法则为：采样时间下限为1个直接扩频序列周期持续时间，采样时间上限为1位定位电文信息持续时间。8.根据权利要求1所述的一种用于高精度水声定位系统的信号设计及处理方法，其特征在于，所述步骤S7中的同相参考载波信号序列X5的表达式为：2CN111366897A权利要求书2/2页X5＝cos(2π×(F0±N×Fstep)×t)；其中F0为载波信号的中