基于虛擬儀器的超短基線水聲定位系統(tǒng)

遲壽育

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧大連116013)

0 引言

近些年，隨著各國海洋開發(fā)的力度加大，我國也在海洋開發(fā)方面投入大量的人力、物力和財(cái)力，但相比發(fā)達(dá)國家，仍然落后很多，大量的海洋開發(fā)儀器設(shè)備都依靠進(jìn)口，同時國外的技術(shù)限制使得很多先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)無法進(jìn)入國內(nèi)，只能依靠自主開發(fā)。超短基線水聲定位系統(tǒng)不僅可以用于軍事方面，在民用方面也有很大的用途。例如水下運(yùn)動目標(biāo)定位、海上縱向油水補(bǔ)給、水下油氣管道鋪設(shè)、水下電纜鋪設(shè)、水下救險、沉船打撈、潛水員定位等方面，具有很大的市場前景。

本文基于虛擬儀器技術(shù)，介紹一種將傳統(tǒng)的存儲示波器和計(jì)算機(jī)相結(jié)合構(gòu)成水聲定位系統(tǒng)的方法。它適用于短基線或超短基線水聲定位系統(tǒng)，體現(xiàn)了虛擬技術(shù)“軟件即儀器的思想”，只要有計(jì)算機(jī)和4通道的存儲示波器，以及一個壓力梯度水聽器就可以構(gòu)成接收系統(tǒng)。

1 短基線定位技術(shù)

水下聲學(xué)定位系統(tǒng)根據(jù)基線長度可分為長基線、短基線和超短基線水聲定位系統(tǒng)3種，其中短基線、超短基線水聲定位系統(tǒng)具有基線長度短、安裝布放方便，設(shè)備簡單等特點(diǎn)。短基線、超短基線水聲定位系統(tǒng)的陣元安裝在船上或被測目標(biāo)上，通過測量聲源發(fā)射的信號到定位水聽器各陣元之間的時延差或相位差來定位。本系統(tǒng)使用的超短基線接收換能器是一種輸出4路聲壓信號的壓力梯度水聽器，其特點(diǎn)是布放簡單，成本低廉。

1.1 超短基線定位系統(tǒng)原理

根據(jù)超短基線定位原理，利用測量信號到達(dá)接收基陣陣元之間的時延差或相位差和測量目標(biāo)到基陣中心的斜距進(jìn)行目標(biāo)定位，其定位幾何原理如圖1所示，取“北東地”直角坐標(biāo)系(x，y，z)，數(shù)字1，2，3，4分別代表壓力梯度水聽器的4個陣元。

圖1 定位原理示意圖Fig.1 Postioning principle diagram

僅考慮x軸和y軸坐標(biāo)的定位方法，z軸坐標(biāo)的定位方法以此類推。設(shè)目標(biāo)位于S處，其坐標(biāo)為(x，y，z)。2個正交的直線陣分別置于x軸和y軸上，陣的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。

式中:α為目標(biāo)徑矢與x軸夾角;β為目標(biāo)徑矢與y軸的夾角;R為目標(biāo)斜距。

基陣的尺寸很小，在平面波近似下，有

式中:r為目標(biāo)水平斜距;z為目標(biāo)深度。

將式(4)和式(5)代入式(1)和式(2)，得到:

式中:λ為波長;d為陣元間距;φ為x軸相鄰陣元接收信號相位差;ψ為y軸相鄰陣元接收信號相位差。

式中R=c·Δt/2，c為水中聲速，Δt為從發(fā)射信號到接收到信號的時間差。這些量給定后，目標(biāo)相對接收陣的位置及目標(biāo)相對船首向的方位θ(水平方位角)及斜距R就唯一確定了。超短基線定位系統(tǒng)通過測量信號到達(dá)時刻和相鄰陣元間相位差來確定目標(biāo)的距離和方位，如果接收陣有GPS設(shè)備，那么還可讀取GPS的坐標(biāo)信息，將接收陣的位置轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度坐標(biāo)。

1.2 使用自適應(yīng)Notch濾波器來測量相位差

陣元間相位差使用自適應(yīng)陷波濾波器來測量，分別測量壓力梯度水聽器1，3陣元位置 (圖1中)接收到的信號相位差為φ13;2，4陣元位置接收到的信號相位差為φ24。

圖2 自適應(yīng)Notch濾波器原理圖Fig.2 Adaptive Notch filter principle diagram

自適應(yīng)Notch濾波器是具有一對正交權(quán)值的自適應(yīng)濾波器，參考信號為:

式中ω為已知常數(shù)，這意味著信號頻率是預(yù)先已知的。本系統(tǒng)工作于信標(biāo)方式，并且為合作目標(biāo)，符合這一假定條件，可以采用LMS算法對2個正交權(quán)WS和WC進(jìn)行自適應(yīng)學(xué)習(xí)，其離散形式迭代公式為:

2 軟件介紹

虛擬儀器是以通用計(jì)算機(jī)和配備數(shù)字接口的測量儀器為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件和測量儀器等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源有機(jī)地結(jié)合起來，代表著未來測量的發(fā)展方向。

2.1 Matlab儀器控制工具箱

Matlab經(jīng)常用于信號處理，其儀器控制工具箱提供了同示波器連接的方法，使用VISA接口可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制示波器采集數(shù)據(jù)。利用通用設(shè)備搭建系統(tǒng)，這樣既獲得了高速采樣，又節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

2.2 VISA接口

VISA是虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) (VirtualInstrument Software Architecture)的縮寫，實(shí)質(zhì)是一個I/O接口軟件及其規(guī)范的總稱。一般情況下，將這個I/O接口軟件稱為VISA。VISA不受平臺、總線和環(huán)境的限制，可用來對 USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行配置、編程和調(diào)試。安裝VISA驅(qū)動后，儀器控制工具箱就可以通過網(wǎng)絡(luò)用VISA命令以詢問方式控制示波器。

2.3 程序框圖

圖3是軟件流程圖，首先通過Matlab儀器控制工具箱連接泰克示波器 (DPO4050)，將泰克儀器命令通過VISA接口傳遞給示波器，設(shè)置示波器參數(shù)。當(dāng)測量開始后，循環(huán)讀取示波器窗口顯示的信號波形，經(jīng)過Matlab高階帶通濾波器濾波，然后根據(jù)門限檢測目標(biāo)上的水下聲源發(fā)射的信號，再經(jīng)Notch濾波器來檢測相位差獲得角度信息。因?yàn)樗侣曉窗l(fā)射信號的時序和接收系統(tǒng)的時序是同步的，所以水下目標(biāo)的距離是依靠信號到達(dá)接收水聽器的時間延遲來判斷，即時間延遲乘以聲速就是目標(biāo)到接收裝置的距離。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flow pattern

3 系統(tǒng)應(yīng)用

此系統(tǒng)現(xiàn)應(yīng)用在大尺寸模型目標(biāo)強(qiáng)度測量中，模型在水下的角度測量。即壓力梯度水聽器固定在可水平旋轉(zhuǎn)的模型上，通過測量固定發(fā)射聲源的角度，來得到模型轉(zhuǎn)動的角度。還應(yīng)用在水下目標(biāo)強(qiáng)度測試中運(yùn)動目標(biāo)的方位測量中，當(dāng)水下運(yùn)動目標(biāo)以同步的時序和周期發(fā)射水聲信號，測量船安裝的超短基線定位系統(tǒng)解算出該目標(biāo)的方位信息。

超短基線利用虛擬儀器技術(shù)，可以充分發(fā)揮PC機(jī)的優(yōu)勢，增強(qiáng)傳統(tǒng)儀器的功能完成復(fù)雜多樣的任務(wù);也便于維修，有較強(qiáng)的可維護(hù)性;節(jié)約購置專用設(shè)備的成本。

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