水下便携式应答定位系统设计与实现_董伟佳.pdf
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1、引 言超短基线定位设备作为一种水下定位的重要技术装备,具有尺寸小、安装与布放方便、维护简单以及使用灵活等优点1,被广泛应用于军事领域与民用领域,可以实现水下航行器定位、水下排爆与救援等2。超短基线定位系统主要通过换能器基阵测量声波信号在水中传播的时延或相位信息,从而定位水下目标。按照工作方式的不同,超短基线定位系统可分为同步式和应答式3两种。同步式超短定位系统在工作前需要进行时间同步操作,具有数据更新快、测量精度高等优点,但需要同步操作和长时间同步保持,存在使用复杂且硬件要求较高的缺点。应答式超短定位系统无须同步操作,利用询问与应答之间的往返声信号进行定位跟踪,具有灵活性高、使用便捷等优点,但
2、存在定位更新速率慢、软件算法相对复杂等缺点。目前,国内外学者已对水下超短基线定位系统进行了大量研究。由于国外水声定位技术研究起步较早,已推出了一系列商用或军用的水声定位与通信系列产品,如美国雷神公司(Raytheon Company)、挪威康斯伯格海事公司(Kongsberg Maritime AS)以及英国 Sonardyne 公司等发布的产品,它们代表了当今世界水声定位技术的最先进水平。相较于国外,国内在水声定位领域的研究起步较晚,与国外存在一定的技术差距。近年来,随着2023年第47卷第4期28水 声 工 程水 声 工 程nderwater Acoustic EngineeringU军事
3、和民用海洋工程技术的不断扩展,国内水声定位的相关设计和技术研究发展迅猛,越来越多的高校与科研单位参与相关技术的研究4,如中国科学院声学所、哈尔滨工程大学、厦门大学、中国船舶重工集团有限公司七一五研究所、西北工业大学以及中国电子科技集团公司第三研究所等。目前,国内水下定位技术研究能够为国防和民事应用提供较好的技术保障,但相关产品存在定位精度相对较低、定位距离短以及功耗较大等不足,还需进一步提高水声定位产品的性能。此外,国内水声定位相关技术产品因技术封锁或涉及敏感技术而无法满足国内对高性能水声定位的需求,尤其是在水下蛙人训练等应用中较为薄弱,尚未出现具备小型化、便携式水下高精度定位功能的超短定位系
4、统工程应用。为此,文章从实际应用需求出发,开展基于三元阵的超短基线定位技术研究,并以模块化、小型化的设计方法实现一种水下基于应答的便携式超短基线定位系统,有效满足蛙人水下训练时的便携定位需求。1 系统总体设计1.1 系统组成与功能本文设计的水下便携式应答定位系统主要包括便携定位端和应答器两部分。便携定位端佩戴在水下蛙人腕部,主要发送定位询问信号,通过计算信号传输的时延与相位信息来确定应答器的目标方位信息。应答器作为应答定位系统的水下应答节点,主要完成长时间的定位询问信号值守监测,并完成定位应答信号的反馈。1.2 系统工作原理本文应答定位系统采用应答工作方式,即便携定位端与应答器配合使用,通过应
5、答方式确定应答器的水下相对位置。应答定位系统原理如图 1所示。应答定位系统主要采用时间片轮询方式,通过便携定位端与应答器之间的相互应答,实现两者之间的相对定位功能。首先,通过操作便携端来触发系统按照设定的时间顺序、预订的信号形式向应答器发送定位询问信号,发送完毕后等待反馈的应答信号。其次,应答器在检测到定位询问信号后立即识别其来源,待识别后发送对应的定位应答信号。最后,便携定位端通过对定位应答信号的相位差测量来确定应答器的相对方位,通过应答时间差测量来确定相对距离。同时,便携定位端本地存储并反馈应答器的相对距离与方位等信息至上位机。实际应用中,可根据蛙人编队和执行任务情况,合理配置水下便携定位
6、端与水下应答器数量。1.3 系统定位原理应答定位系统主要包括两部分,即测距和测向。其中,测距是通过测量定位应答信号往复到达时间差来实现5,测向则是通过测量阵元之间接收声信号的时延差来实现6。应答定位系统定位原理如图 2 所示。T(x,y,z)XTYZRro应答器图 2 应答定位系统定位原理假设应答器位于 T(x,y,z),其在 XOY 平面的投影为 T(x,y,z)。便携定位端的基阵中心为坐标系原点,其余 2 个阵元分别位于 X 轴和 Y 轴上。应答器的径矢OT?与 X 轴、Y 轴的夹角分别为 和,则OT?的方向余弦分别为coscos12costantancosxR=(1)2221122cos
7、cos12costantancosxRyR=(2)式中:R 为应答器斜距。队员1队员 n水下便携定位端1水下便携定位端n水下应答器定位询问信号定位询问信号定位应答信号定位应答信号图 1 水下便携式应答定位系统工作原理2023年第47卷第4期29Underwater Acoustic EngineerinG水 声 工 程水 声 工 程R 的计算公式为2221122coscos12costantancosxRyRRxyzc t=+=(3)式中:c 为声波在水中的传播速度,t 为信号从便携定位端声源发送到基阵接收的传播时间。假设径矢OT?与 X 轴的水平夹角为,T 的水平斜距为 r,则其计算公式为1
8、122coscos12costantancosxRyRRxyzc tyx=(4)22rxy=+(5)22zRr=(6)根据式(1)式(6),只需测得 R,的值即可确定应答器在 T 处的坐标7。由于接收阵元间距很小,声信号可近似为平面波。假设 X,Y 轴上两相邻接阵元间的距离为 d,接收信号的时延差为 x,则 x 的值为xyzRrc Rxd=(7)同理,y 的值为yzRrc RxdcRyd=(8)因此,实际应用中只需测得 x,y,c 以及 t的值,就可以确定应答器的实际位置。2 定位系统硬件设计综合考虑应用功能与工作流程等因素,应答定位系统的便携端和应答器采用一致的硬件架构。硬件系统主要由模拟接
9、收模块、数字信号处理模块、功放模块、电源模块以及外围电路等部分构成,如图 3 所示。模拟接收模块主要完成接收信号的多级放大和滤波处理,输出一定幅度和信噪比的信号,以便进行模数转换。数字信号处理模块作为核心运算处理单元,一方面负责定位信号的调制、解调及编解码等工作,另一方面负责系统的待机值守与控制功能。功放模块完成与换能器的阻抗匹配,负责信号的发射。电源模块主要完成多路电源转换。2.1 模拟接收模块模拟接收模块主要完成换能器输出信号的预处理与采集,如信号的前级放大、带通滤波、后级放大以及模拟/数字(Analog/Digital,A/D)采集等。模拟接收模块的硬件架构如图 4 所示。2.1.1 前
10、级放大与后级放大由于换能器输出的信号幅值一般为 mV 级或V 级,在进行 A/D 量化采集前需要进行一定的放大,将弱信号放大至接近 A/D 的最佳量程范围,防止信号幅值过小造成采样精度损失。为了满足系统设计指标要求,模拟接收模块设置了前级放大和定位换能器阵数字信号处理模块数据存储模块电源模块电池信号采集模块发射换能器水下定位便携端/应答器SDIOA/DUSARTUSART上位机RS-485接口模块功放模块图 3 应答定位系统硬件组成框图8阶带通滤波电路信号输出前级增益放大电路后级增益放大电路信号输入A/D采集电路换能器数字信号处理模块图 4 模拟接收模块硬件架构2023年第47卷第4期30水
11、声 工 程水 声 工 程nderwater Acoustic EngineeringU后级放大,总放大增益为 60 dB。其中,前级放大增益为 40 dB,后级放大增益为 20 dB。前级和后级放大电路均采用同相比例放大器。采用美国 ADI 公司的集成运算放大器 AD8429完成信号前级放大电路和后级放大电路的设计。AD8429 放大电路如图 6 所示。2.1.2 带通滤波受系统电噪声、水下环境噪声等影响,模拟接收模块必须对信号进行滤波处理,滤除信号带宽之外的噪声或其他频段的信号,进而提高系统输出信噪比。由于集成滤波器具有设计简便、调试容易的特点,本系统采用集成滤波芯片 LTC1562,通过组
12、合级联构造 8 阶 Butterworth 带通滤波器。采用Filter CAD 软件计算带通滤波器外围元件参数值。8 阶 Butterworth 带通滤波器电路如图 6 所示。2.1.3 A/D 采集模拟接收模块采用 TI 公司的高性能模数转换器 CS5343,能够提供 2 路 24 位通道,每个声道采样率最高可达 108 kHz,支持左对齐串行数据格式和集成电路内置音频总线(Integrated Interchip Sound,I2S)接口。基于 CS5343 的 A/D 采集电路如图 7 所示。2.2 数字信号处理模块本文提出一种基于高级精简指令集机器(Advanced RISC Mac
13、hine,ARM)、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)以及现场可编程图 5 AD8429 放大电路图 6 8 阶 Butterworth 带通滤波器电路2023年第47卷第4期31Underwater Acoustic EngineerinG水 声 工 程水 声 工 程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)架构的数字信号处理模块硬件设计方案。以 DSP 作为主处理器、ARM 作为逻辑控制器、FPGA 作为信号采集器,配合其他功能模块实现水下定位与应答硬件平台。数字信号处理模块硬件组成框图如图 8 所示。在数字处理模
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