一种多用户水声超短基线定位系统及其信号形式设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多用户水声超短基线定位系统及其信号形式设计方法；水声超短基线定位系统由安装在船体上的声头和水声应答器两部分组成。本发明专利技术利用迹函数在二元域上构造出一类基于GMW序列的低相关区序列，得到在低相关区内互相关函数边峰取值为‑1的低相关区序列集，当水声超短基线系统在同时定位多个水声应答器时，若将同步接收的时间点控制在码分多址的低相关区之内的话可以提升码分多址直接序列扩频系统的容量；进行一个由正余弦型符号函数组成的副载波调制：BOC调制，BOC调制将信号功率调制到载波频率两边的旁瓣上，提高了频带利用率和增加Gabor带宽，同时在临近一个码片范围内的相关函数主瓣更尖锐，进一步保证多用户信号检测和分离。

【技术实现步骤摘要】
一种多用户水声超短基线定位系统及其信号形式设计方法
本专利技术属于水声工程领域，涉及一种基于多用户水声超短基线定位系统及其信号形式设计方法。
技术介绍
水声超短基线系统是一种常见的水声定位技术，与其它基线相比，超短基线定位系统基线基阵尺寸小，易于安装，轻便灵活，操作方便等优点。传统的水声超短基线系统只支持单一用户或者多个窄带用户的同时定位跟踪，且当进行多用户同时定位跟踪时，用户之间的干扰是多用户数量受限的主要原因。在解决填海造地、水运交通时的铺排作业过程中，一般采用超短基线和长基线组合导航的技术，一方面指导铺排施工，另一方面对完成的排体进行高精度水下定位检测，此时需要对个水声应答器的高精度定位信息，因此水声超短基线系统要满足多个宽带用户的精确定位跟踪需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
的不足提供了一种基于多用户水声超短基线定位系统及其信号形式设计方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案一种多用户水声超短基线定位系统，包含声头和水声应答器，所述水声应答器包含入水检测电路模块、收发合置换能器模块、MCU模块、DSP模块、发射电路模块、接收电路模块、压力传感器模块、电源模块；入水检测电路模块，用于检测水声应答器是否入水，入水即给系统供电，离开水即断电；收发合置换能器模块，用于接收声头发射的声信号，并发射定位信号给声头；MCU模块，与DSP模块连接，用于检测声头发射的唤醒信号，以及控制DSP模块的工作；DSP模块，接受MCU模块的控制，用于解算声头发射的定位信号；发射电路模块，用于对应答声信号进行数模转换和功率放大后发送给收发合置换能器；接收电路模块，用于对收发合置换能器接收的声信号进行功率放大、滤波处理和模数转换；压力传感器模块，用于检测水声应答器的入水深度；电源模块，用于负责整个水声应答器的电源供给；所述声头包含换能器基阵模块、接收电路模块、发射电路模块、FPGA模块、ARM模块、甲板处理单元模块、声基阵位置和姿态校正模块；换能器基阵模块，用于发射声信号给水声应答器，并接收水声应答器发射的定位信号；接收电路模块，用于对水声应答器发射的定位信号进行前期预处理；发射电路模块，用于对发射声信号进行前期预处理；FPGA模块，用于接收电路模块之后的数据采集，并驱动DAC模块和同步声学数据、姿态数据、GPS数据；ARM模块，用于与上位机通信；甲板处理单元模块，用于处理声学数据，并发送控制命令；声基阵位置和姿态校正模块，用于提供声头的精确位置和姿态信息；一种基于多用户水声超短基线定位系统的信号形式设计方法，具体包含如下步骤：步骤1，构造GMW序列；步骤2，根据GMW序列构造低相关序列集；步骤3，进行BOC调制。作为本专利技术一种基于多用户水声超短基线定位系统的信号形式设计方法的进一步优选方案，GMW序列如下：其中，α∈GF(pn)且是本原元，是从扩域GF(pn)映射到基域GF(pm)的函数，I是不为1的陪集首，且0≤k＜2n-2，0≤I＜2n-1，gcd(I，2m-1)＝1。作为本专利技术一种基于多用户水声超短基线定位系统的信号形式设计方法的进一步优选方案，所述步骤2具体步骤如下：同一本原产生的两个GMW序列，定义如下：若m、n、r1、r2为整数，m|n,gcd(r1,2n-1)＝gcd(r2,2m-1)＝1，T＝(2n-1)/(2m-1)，α是二元域的本原元，则两个GMW序列定义为：其中，x、y/{xi}、{yi}是两个GMW序列，r1、r2属于陪集，α∈GF(pn)且是本原元。互相关函数定义为：其中，Rx,y(τ)是互相关函数，Rx',y'(τ/T)是m序列的互相关函数，x',y'是m序列，T是序列长度，τ是序列相位。且有：其中，x'、y'/{xi'}、{yi'}是m序列，T是序列长度，α∈GF(pn)且是本原元，r1、r2属于陪集。由同一本原元产生的GMW序列具有良好的互相关特性，满足低相关序列要求，但是由同一本原元生成的序列数量有限；构造二元低相关序列集，具体步骤如下：步骤2.1，同一本原元产生的两个GMW序列如下：其中，a、b是GMW序列，m|n，gcd(r1,2n-1)＝gcd(r2,2m-1)＝1，T＝(2n-1)/(2m-1)，α是二元域的本原元。a'、b'是a、b分别对应着GF(2m)上的m序列，即：a'＝{ai'}＝{Tr1m(αiTr)}b'＝{bi'}＝{Tr1m(αiTs)}其中，a'、b'/{ai'}、{bi'}是m序列，T是序列长度，r、s属于陪集。步骤2.2，计算m序列a'和b'的互相关函数，若有M-1个时延满足：Ra',b'(l1)＝Ra',b'(l2)＝…Ra',b'(lM-1)＝-1其中，Ra',b'(l)是m序列a'和b'的互相关函数，l是m序列的不同相位。步骤2.3，基于GMW序列a、b构成的复合序列集是：其中，A是复合序列集，S是左移算子，a、b是两个GMW序列，T是序列长度，在序列集中任意两个序列的互相关函数满足：其中，Rx,y(τ)是复合序列集其中任两个序列的互相关函数，Rx',y'(τ/T)是构成复合序列集的两个GMW序列的互相关函数，T是序列长度，τ是序列相位。此时，构造出了序列数目是M，低相关值等于-1，低相关区长度等于T的一个LCZ序列集A。作为本专利技术一种基于多用户水声超短基线定位系统的信号形式设计方法的进一步优选方案，所述步骤3具体如下：在BPSK调制基础上，进行一个由正余弦型符号函数组成的副载波调制就是BOC调制，BOC调制偶数阶信号的功率谱密度公式如下：其中，f、fs、fc分别是载波频率、副载波频率和码元速率。BPSK信号调制是基带脉冲控制载波相位的一种数字调制形式，它的功率谱密度公式：其中，A是幅度，f、fc分别是载波频率和码元速率。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术利用迹函数在二元域上构造出一类基于GMW序列的低相关区序列，得到在低相关区内互相关函数边峰取值为-1的低相关区序列集，当水声超短基线系统在同时定位多个水声应答器时，若将同步接收的时间点控制在码分多址的低相关区之内的话可以提升码分多址直接序列扩频系统的容量。2、本专利技术利用在BPSK调制基础上，进行一个由正余弦型符号函数组成的副载波调制：BOC调制，BOC调制将信号功率调制到载波频率两边的旁瓣上，提高了频带利用率和增加Gabor带宽，同时在临近一个码片范围内的相关函数主瓣更尖锐，进一步保证多用户信号检测和分离。附图说明图1为水声应答器硬件详细设计框图；图2为声头硬件详细设计框图；图3为低相关序列集中序列的周期自相关和周期互相关图；图4为水声超短基线系统三个用户同时工作一个用户同步接收时低相关性能比较图；图5为水声超短基线系统三个用户同时工作一个用户同步接收时低相关性能比较的局部放大图；图6为BOC(1,1)和BPSK的基带功率谱密度曲线；图7为给定初始条件的BOC(1,1)调制和BPSK调制的自相关图；图8为基于低相关序列的BOC(1,1)和BPSK性能比较图；图9为基于低相关序列的BOC(1,1)和BPSK性能比较的局部放大图；图10为本专利技术的系统结构图。图中标号具体如下：1-声头，2-水声应答器。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多用户水声超短基线定位系统，其特征在于：包含声头和水声应答器，所述水声应答器包含入水检测电路模块、收发合置换能器模块、MCU模块、DSP模块、发射电路模块、接收电路模块、压力传感器模块、电源模块；入水检测电路模块，用于检测水声应答器是否入水，入水即给系统供电，离开水即断电；收发合置换能器模块，用于接收声头发射的声信号，并发射定位信号给声头；MCU模块，与DSP模块连接，用于检测声头发射的唤醒信号，以及控制DSP模块的工作；DSP模块，接受MCU模块的控制，用于解算声头发射的定位信号；发射电路模块，用于对应答声信号进行数模转换和功率放大后发送给收发合置换能器；接收电路模块，用于对收发合置换能器接收的声信号进行功率放大、滤波处理和模数转换；压力传感器模块，用于检测水声应答器的入水深度；电源模块，用于负责整个水声应答器的电源供给；所述声头包含换能器基阵模块、接收电路模块、发射电路模块、FPGA模块、ARM模块、甲板处理单元模块、声基阵位置和姿态校正模块；换能器基阵模块，用于发射声信号给水声应答器，并接收水声应答器发射的定位信号；接收电路模块，用于对水声应答器发射的定位信号进行前期预处理；发射电路模块，用于对发射声信号进行前期预处理；FPGA模块，用于接收电路模块之后的数据采集，并驱动DAC模块和同步声学数据、姿态数据、GPS数据；ARM模块，用于与上位机通信；甲板处理单元模块，用于处理声学数据，并发送控制命令；声基阵位置和姿态校正模块，用于提供声头的精确位置和姿态信息。...

【技术特征摘要】
1.一种多用户水声超短基线定位系统，其特征在于：包含声头和水声应答器，所述水声应答器包含入水检测电路模块、收发合置换能器模块、MCU模块、DSP模块、发射电路模块、接收电路模块、压力传感器模块、电源模块；入水检测电路模块，用于检测水声应答器是否入水，入水即给系统供电，离开水即断电；收发合置换能器模块，用于接收声头发射的声信号，并发射定位信号给声头；MCU模块，与DSP模块连接，用于检测声头发射的唤醒信号，以及控制DSP模块的工作；DSP模块，接受MCU模块的控制，用于解算声头发射的定位信号；发射电路模块，用于对应答声信号进行数模转换和功率放大后发送给收发合置换能器；接收电路模块，用于对收发合置换能器接收的声信号进行功率放大、滤波处理和模数转换；压力传感器模块，用于检测水声应答器的入水深度；电源模块，用于负责整个水声应答器的电源供给；所述声头包含换能器基阵模块、接收电路模块、发射电路模块、FPGA模块、ARM模块、甲板处理单元模块、声基阵位置和姿态校正模块；换能器基阵模块，用于发射声信号给水声应答器，并接收水声应答器发射的定位信号；接收电路模块，用于对水声应答器发射的定位信号进行前期预处理；发射电路模块，用于对发射声信号进行前期预处理；FPGA模块，用于接收电路模块之后的数据采集，并驱动DAC模块和同步声学数据、姿态数据、GPS数据；ARM模块，用于与上位机通信；甲板处理单元模块，用于处理声学数据，并发送控制命令；声基阵位置和姿态校正模块，用于提供声头的精确位置和姿态信息。2.一种基于多用户水声超短基线定位系统的信号形式设计方法，其特征在于：具体包含如下步骤：步骤1，构造GMW序列；步骤2，根据GMW序列构造低相关序列集；步骤3，进行BOC调制。3.根据权利要求2所述的一种基于多用户水声超短基线定位系统的信号形式设计方法，其特征在于：GMW序列如下：其中，α∈GF(pn)且是本原元，是从扩域GF(pn)映射到基域GF(pm)的函数，I是不为1的陪集首，且0≤k＜2n-2，0≤I＜2n-1，gcd(I，2m-1)＝1。4.根据权利要求2所述的一种基于多用户水声超短基线定位系统的信号形式设计方法，其特征在于：所述步骤2具体步骤如下：同一本原产生的两个GMW序列，定义如下：若m、n、r1、r2为整数，m|n,gcd(r1,2n-1)＝gcd(r2,2m-1)＝1，T＝(2n-1)/(2m-1)，α是二元域的本原元，则两个GMW序列定义为：其中，x、y/{xi}、{yi}是两个GMW序列，r1、r2属于陪集，α∈GF(pn)且是本原元。互相关函数定义为：其中，Rx,y(τ)是互相关函数，Rx',y'(τ/T)是m序列的互相关函数，x',y'是m序列，T是序列长度，τ是序列相位。且有：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洲，王熙赢，
申请(专利权)人：江苏中海达海洋信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32