【技术实现步骤摘要】
本申请属于超短基线定位领域，具体涉及一种基于czt互相关时延差谱的超短基线定位方法及系统。
技术介绍
1、水下导航定位对保障潜艇、水下航行器等在深海远洋的航行安全，提升其作业效能具有重要意义，因此近年来广受各国工业界和学术界的关注。主动水下定位方法通常通过测量目标与多个信标间声波的传播时间和相位变化得到传播距离，进而估算出目标的三维坐标。信标(即基元)之间的连线称为基线，根据基线长度分为：长基线定位(lbl，100～6000m)、短基线定位(sbl，1～50m)和超短基线定位(usbl，<1m)。其中，超短基线具有安装、使用灵活方便的优势，已经广泛应用于uuv等平台中。
2、usbl系统通过定位节点的三维坐标来获取的三维坐标。从接收器阵列中获取待定位节点的三维坐标。最常见的技术是基于测距估计，即系统通过测量声波传播时间或相位变化来获得节点到水听器之间的距离以及水听器各通道之间的到达时间差。到达时间差(tdoa)的精确测量是保证usbl系统性能的关键因素。经典的tdoa方法使用匹配滤波器(mf)获得的到达时间(toa)来估算从多通道数据中提取的回声之间的时间差，然后再计算到达时间差与回声时间差之间的差值。
3、为提高估计精度，通常采用两种解决思路：波形优化和高分辨率方法。波形优化包括使用编码宽带信号来获得匹配滤波器输出的尖锐峰值，而高分辨率方法如music、压缩传感(cs)则能获得更出色的估计精度。然而，这些方法的精度都受到采样频率的限制。对于usbl系统，目标距离与阵元间距之比通常大于10,000，
4、为了避免有限采样频率造成的误差，1994年，omologo提出了互相关相位(csp)方法。该方法避免了在时域直接计算，而是通过对两个通道间的互相关谱进行逆傅里叶变换获得时间差。该方法广泛应用于usbl定位系统，并有学者进一步提出增加ifft的点数来细化互相关谱，从而提升估计精度。但是csp方法的计算量很大、结算不精确，需要足够的算力资源，计算效率无法满足水下导航定位的要求。
技术实现思路
1、本申请的目的在于克服现有技术计算量大、结算不精确的缺陷。
2、为了实现上述目的，本申请提出了一种基于czt互相关时延差谱的超短基线定位方法，通过测量目标合作端与多个水听器组成的usbl阵列间声波的传播时间和相位变化得到传播距离，进而估算出目标的三维坐标；
3、所述方法包括：
4、步骤1：由目标合作端对接收的数据进行放大和自动增益控制处理；
5、步骤2：对目标合作端处理后的数据进行快速傅里叶变换、匹配滤波，再进行反快速傅里叶变换和峰值检测，得到多个通道目标信号到达时刻估计，然后估计目标合作端与usbl阵列中心的距离；
6、步骤3：对多个通道的匹配滤波的频域输出进行计算得到二次相关输出，再进行频带滤波，对二次相关函数进行czt变换，利用峰值寻找时延差值，根据时延差计算目标合作端的坐标。
7、作为上述方法的一种改进，所述usbl阵列为一个平面上的四元十字阵，4个水听器按照逆时针方向从第1到第4进行编号，以4个水听器位置的中心为原心，以第1和第3水听器的连线为x轴，以第2和第4水听器的连线为y轴，垂直于xy平面的方向为z轴。
8、作为上述方法的一种改进，所述步骤2包括：
9、将目标合作端发射的波形进行快速傅里叶变换，生成频域副本信号xrep：
10、xrep＝dft(s(t),n)
11、其中，n表示快速傅里叶变换点数；s(t)表示目标合作端发射的波形；dft()表示快速傅里叶变换；
12、以设定倍数的冗余获取每个通道的每帧数据，进行快速傅里叶变换将宽带时域数据转换到频域，第n帧的频域数据表示为xn，一个通道对应一个水听器；
13、将xn与xrep相乘，获得匹配滤波的频域结果；
14、对于每帧数据，将匹配滤波的频域输出进行反快速傅里叶变换，得到匹配滤波的时域结果，分别进行峰值检测；
15、将时域输出与设定阈值比较，若正负调频的输出均大于设定阈值，则认为存在目标回波；否则，则认为该帧不存在目标回波，予以跳过，继续处理下一帧；
16、对于认为存在目标回波的情况，由峰值位置得到4个通道的目标信号到达时刻的估计
17、估计目标合作端与usbl阵列中心的距离为：
18、
19、其中，cusbl表示usbl系统附近的声速。
20、作为上述方法的一种改进，n＝4tfs，其中，fs为采样频率；t表示发射波形的脉宽。
21、作为上述方法的一种改进，所述设定倍数为0.5。
22、作为上述方法的一种改进，所述步骤3包括：
23、对于存在目标信号的帧，第1和第3个通道的匹配滤波的频域输出为z1和z3，对z3取共轭后相乘，得到二次相关输出y1＝z1*z'3；第2和第4个通道的匹配滤波的频域输出为z2和z4，对z4取共轭后相乘，得到二次相关输出y2＝z2*z'4；
24、进行频带滤波后得到二次相关函数保留目标信号可能存在的频率范围f1～f2的数值，其他区域设置为0；f1＝fc-b/2，f2＝fc+b/2；fc表示目标合作端发射波形的中心频率；b表示目标合作端发射波形的带宽；
25、对二次相关函数进行czt；
26、第一组通道相关函数的czt变换得到互相关时延差谱其峰值处时延差为第二组通道相关函数的czt变换得到互相关时延差谱其峰值处时延差为其中，m＝0,…,m-1，m为czt变换的点数；ω1＝exp(j2π(δtend1-δtbegin1)/(nm))，j表示虚部；
27、ω2＝exp(j2π(δtend2-δtbegin2)/(nm))，[δtbegin1,δtend1]为通道1和通道3的时延差所在的范围，[δtbegin2,δtend2]为通道2和通道4的时延差所在的范围；
28、a1＝exp(-j*2πδtbegin1/n)，a2＝exp(-j*2πδtbegin2/n)；所述第一组通道为第1和第3通道；所述第二组通道为第2和第4通道；
29、根据时延差计算目标合作端的坐标：
30、
31、其中，d表示每一组水听器之间的间距。
32、本申请还提供一种基于czt互相关时延差谱的超短基线定位系统，基于上述任一方法实现，所述系统包括：
33、前端处理模块，用于目标合作端对接收的数据进行放大和自动增益控制处理；
34、估计目标合作端与阵列中心距离模块，用于对目标合作端处理后的数据进行快速傅里叶变换、匹配滤波，再进行反快速傅里叶变换和本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于CZT互相关时延差谱的超短基线定位方法，通过测量目标合作端与多个水听器组成的USBL阵列间声波的传播时间和相位变化得到传播距离，进而估算出目标的三维坐标；
2.根据权利要求1所述的基于CZT互相关时延差谱的超短基线定位方法，其特征在于，所述USBL阵列为一个平面上的四元十字阵，4个水听器按照逆时针方向从第1到第4进行编号，以4个水听器位置的中心为原心，以第1和第3水听器的连线为x轴，以第2和第4水听器的连线为y轴，垂直于xy平面的方向为z轴。
3.根据权利要求2所述的基于CZT互相关时延差谱的超短基线定位方法，其特征在于，所述步骤2包括：
4.根据权利要求3所述的基于CZT互相关时延差谱的超短基线定位方法，其特征在于，N＝4Tfs，其中，fs为采样频率；T表示发射波形的脉宽。
5.根据权利要求3所述的基于CZT互相关时延差谱的超短基线定位方法，其特征在于，所述设定倍数为0.5。
6.根据权利要求3所述的基于CZT互相关时延差谱的超短基线定位方法，其特征在于，所述步骤3包括：
7.一种基于CZT互相
...【技术特征摘要】
1.一种基于czt互相关时延差谱的超短基线定位方法，通过测量目标合作端与多个水听器组成的usbl阵列间声波的传播时间和相位变化得到传播距离，进而估算出目标的三维坐标；
2.根据权利要求1所述的基于czt互相关时延差谱的超短基线定位方法，其特征在于，所述usbl阵列为一个平面上的四元十字阵，4个水听器按照逆时针方向从第1到第4进行编号，以4个水听器位置的中心为原心，以第1和第3水听器的连线为x轴，以第2和第4水听器的连线为y轴，垂直于xy平面的方向为z轴。
3.根据权利要求2所述的基于czt互相关时延差谱的超短基线定...
【专利技术属性】
技术研发人员：李璇，郝程鹏，陈模江，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。