基于水下連續(xù)波體制的捕獲跟蹤技術(shù)研究

孫大軍 明婉婷 張居成

(哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001)

(海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001)

(哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

(哈爾濱工程大學(xué)青島船舶科技有限公司 青島 266000)

1 引言

隨著對(duì)海洋的不斷探索與開發(fā)，水下潛器在民用與軍事領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，對(duì)水下潛器技術(shù)的研究也是水下技術(shù)的前沿與關(guān)鍵問題[1–4]。水下潛器進(jìn)行大深度海底工作需利用聲學(xué)導(dǎo)引完成其布放與回收工作，由于水下障礙物與近水面存在大量船只干擾時(shí)，回收過程中會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要對(duì)水下潛器同時(shí)提供測(cè)量與通信信息。同時(shí)水聲信道具有時(shí)變、空變特性[5]，聲信號(hào)經(jīng)過水聲信道傳輸會(huì)出現(xiàn)多普勒效應(yīng)、多徑效應(yīng)等現(xiàn)象，將導(dǎo)致潛器回收過程中測(cè)距誤差的發(fā)散速度加快，增加潛器導(dǎo)引的難度。針對(duì)水下測(cè)距與通信的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種，時(shí)分工作方式和頻分工作方式[6]。時(shí)分工作方式利用不同的時(shí)隙分別發(fā)射通信信號(hào)與測(cè)距信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。針對(duì)時(shí)分信號(hào)的動(dòng)態(tài)多普勒，Sharif 等人[7]將發(fā)射信號(hào)封裝成幀，利用幀收尾的測(cè)距信號(hào)估計(jì)接收幀的長(zhǎng)度，從而獲得接收時(shí)的多普勒系數(shù)，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但多普勒估計(jì)精度依賴測(cè)距信號(hào)的精度。文獻(xiàn)[8]在測(cè)距與通信信號(hào)中間加入單頻矩形脈沖信號(hào)(Continue Wave,CW)，傅里葉變換后經(jīng)過Notch濾波器測(cè)量信號(hào)頻率，對(duì)信號(hào)進(jìn)行多普勒補(bǔ)償后可獲得測(cè)距與通信信息，但該方法僅適用于1幀信號(hào)時(shí)間內(nèi)多普勒變化不大的情況。頻分工作方式將發(fā)射端的測(cè)距與通信信號(hào)選取在不同的工作頻段，在接收端經(jīng)過帶通濾波器后分別對(duì)測(cè)距信息與通信信息進(jìn)行處理。針對(duì)頻分信號(hào)的動(dòng)態(tài)多普勒，Ma等人[9]采用泰勒級(jí)數(shù)展開法對(duì)頻域多普勒補(bǔ)償模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，提出了基于快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)和插值的多普勒補(bǔ)償算法，但該算法計(jì)算量大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。對(duì)于資源緊張的水下通信節(jié)點(diǎn)，兩種信號(hào)體制不僅時(shí)效性差而且占用較多的水聲帶寬，無(wú)法滿足水下潛器導(dǎo)引回收的實(shí)時(shí)需求。同時(shí)隨著水下潛器技術(shù)的發(fā)展，對(duì)潛器在水下工作時(shí)間、工作效率與航行速度上均提出了更高的要求。當(dāng)潛器航行速度較快時(shí)，多普勒頻偏不斷變化將嚴(yán)重影響信號(hào)的載波同步與信息恢復(fù)，上述基于時(shí)分與頻分信號(hào)體制的多普勒補(bǔ)償算法難以滿足水下高速潛器導(dǎo)引回收的需求。

在無(wú)線電領(lǐng)域隨著衛(wèi)星導(dǎo)航理論的逐步成熟[10–16]，出現(xiàn)了大量能夠在高速背景下實(shí)現(xiàn)精確、快速獲取定位與通信信息的算法，但遺憾的是這類算法并未在水聲領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文借鑒衛(wèi)星導(dǎo)航理論，構(gòu)建了水下連續(xù)波體制，采用連續(xù)測(cè)距碼實(shí)時(shí)調(diào)制指令信息的編碼方式，實(shí)現(xiàn)潛器終端測(cè)距與通信信息的同步解析，壓縮數(shù)據(jù)更新周期。針對(duì)水下潛器高動(dòng)態(tài)需求，提出了并行結(jié)構(gòu)處理的捕獲技術(shù)，克服傳統(tǒng)算法捕獲時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。采用適應(yīng)水下環(huán)境的最佳環(huán)路跟蹤策略，從信號(hào)跟蹤輸出的通信數(shù)據(jù)與參數(shù)估計(jì)精度兩方面分析跟蹤算法在勻速模型與變速模型下的性能。理論仿真與松花湖試驗(yàn)處理結(jié)果表明，基于水下連續(xù)波體制的捕獲跟蹤技術(shù)能夠完成對(duì)高動(dòng)態(tài)目標(biāo)多普勒頻偏變化的精確估計(jì)與動(dòng)態(tài)調(diào)整，完成連續(xù)可靠的測(cè)量信息輸出，提高參數(shù)估計(jì)精度。

2 實(shí)現(xiàn)流程

2.1 系統(tǒng)建模

為實(shí)現(xiàn)水下高效穩(wěn)健地距離測(cè)量與實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地?cái)?shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。構(gòu)造水下連續(xù)波信號(hào)，對(duì)接收的連續(xù)信號(hào)前端進(jìn)行信號(hào)并行捕獲，獲得信號(hào)頻率和碼相位的粗同步值。由于收發(fā)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的多普勒頻偏導(dǎo)致載波與捕獲得到的載波之間存在偏差，碼相位也會(huì)隨之不斷變化，因此完成捕獲環(huán)節(jié)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行載波跟蹤和偽碼跟蹤。保持跟蹤可實(shí)現(xiàn)對(duì)估計(jì)值的精確化，從而同步完成聲學(xué)測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

采用的水下連續(xù)波信號(hào)是具有抗干擾與抗多徑能力的直擴(kuò)信號(hào)(Direct Sequence Spread System,DSSS)[17–19]。直擴(kuò)信號(hào)由載波頻率、數(shù)據(jù)碼與測(cè)距碼3部分組成，選用水下20～30 kHz頻段；數(shù)據(jù)碼為以二進(jìn)制碼流形式的定位導(dǎo)航信息與通信指令；測(cè)距碼也稱偽碼，采用具有良好相關(guān)性的m序列。利用測(cè)距碼調(diào)制數(shù)據(jù)信息，保障后續(xù)能夠解調(diào)出通信數(shù)據(jù)的同時(shí)提供距離估計(jì)參數(shù)。信號(hào)捕獲環(huán)節(jié)由于對(duì)捕獲精度沒有較高要求，因此如何高效快速地完成捕獲是關(guān)鍵，本文采用了基于FFT并行結(jié)構(gòu)的快速捕獲技術(shù)，節(jié)約時(shí)間減小運(yùn)算量。信號(hào)跟蹤是對(duì)信號(hào)多普勒頻率的高精度估計(jì)與補(bǔ)償過程，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且準(zhǔn)確的頻率跟蹤是信號(hào)跟蹤的表現(xiàn)形式，輸出通信數(shù)據(jù)碼與估計(jì)參數(shù)是跟蹤的最終目的。同時(shí)在理論仿真實(shí)驗(yàn)中，跟蹤I路輸出的數(shù)據(jù)碼的準(zhǔn)確性是判定跟蹤是否成功的重要依據(jù)。針對(duì)信號(hào)捕獲與跟蹤算法將在后續(xù)詳細(xì)分析。

2.2 信號(hào)捕獲算法

傳統(tǒng)的捕獲算法為滑動(dòng)相關(guān)算法[14]，將本地偽碼與接收偽碼相對(duì)滑動(dòng)，利用偽碼良好的相關(guān)性鎖定輸出最大值，即為捕獲到的頻率與碼相位值。對(duì)衛(wèi)星信號(hào)而言1周期信號(hào)時(shí)間約1 ms，然而載波頻率25 kHz、帶寬5 kHz的水聲信號(hào)1周期信號(hào)時(shí)間約25.4 ms，這遠(yuǎn)大于無(wú)線電1周期信號(hào)時(shí)間。因此水聲信號(hào)采用滑動(dòng)相關(guān)算法將耗時(shí)更長(zhǎng)、計(jì)算量更大。因此提出基于FFT并行處理結(jié)構(gòu)的快速捕獲算法，捕獲框圖如圖2所示，使用1次FFT和1次快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)即可完成對(duì)某一頻點(diǎn)的碼相位的并行搜索。

圖2 信號(hào)捕獲框圖

通過頻域相乘簡(jiǎn)化計(jì)算的相關(guān)算法，實(shí)質(zhì)是利用測(cè)距碼的相關(guān)性對(duì)多普勒頻率與碼相位的2維搜索算法，經(jīng)最大值門限判決后即可輸出捕獲到的頻率值與碼相位。傳統(tǒng)的捕獲算法所需搜索次數(shù)與捕獲時(shí)間[13]可表示為

從公式來(lái)看，同一條件下基于FFT并行處理結(jié)構(gòu)的快速捕獲算法將捕獲時(shí)間縮小了M(測(cè)距碼長(zhǎng))倍。

2.3 信號(hào)跟蹤算法

捕獲算法僅能提供對(duì)頻率與碼相位的粗略估計(jì)，為保持對(duì)這些估計(jì)值的精確化需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤。信號(hào)跟蹤基于鎖相環(huán)原理，利用鎖相環(huán)中的環(huán)路鑒相器輸出相位誤差，環(huán)路濾波器濾除環(huán)路噪聲，最后通過壓控振蕩器對(duì)信號(hào)的頻率與相位進(jìn)行調(diào)整[15]。

圖3所示為信號(hào)跟蹤框圖，信號(hào)跟蹤主要分為碼跟蹤與載波跟蹤兩部分。

圖3 信號(hào)跟蹤框圖

信號(hào)完成捕獲后可將碼相位誤差控制在1個(gè)碼片范圍內(nèi)，隨著目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)相位誤差可能超出范圍導(dǎo)致信號(hào)丟失。偽碼跟蹤采用延遲鎖相環(huán)(Delay Locked Loop, DLL)，由本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生3路輸出，即滯后碼、即時(shí)碼以及超前碼，與解調(diào)后的信號(hào)做相關(guān)，將產(chǎn)生6路兩兩正交的相關(guān)值IE,QE,IP,QP,IL,QL。將得到的相關(guān)值作為鑒相器的輸入，采用歸一化超前滯后鑒相器，表達(dá)式為

經(jīng)過環(huán)路濾波器將相位誤差反饋給偽碼壓控振蕩器，調(diào)整本地偽碼的碼速率以實(shí)現(xiàn)碼相位的跟蹤。

載波跟蹤環(huán)(Phase Locked Loop, PLL)采用科斯塔斯環(huán)，其鑒相器輸入是本地即時(shí)碼與輸入信號(hào)相關(guān)積分得到的兩個(gè)相互正交的積分結(jié)果IP與QP。采用二象限反正切鑒相器，表達(dá)式為

同樣經(jīng)過環(huán)路濾波器后將頻率誤差反饋至壓控振蕩器，調(diào)整載波頻率[13]。

鎖相環(huán)的階數(shù)決定了環(huán)路動(dòng)態(tài)跟蹤性能，由于高階鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性并結(jié)合水下環(huán)境與動(dòng)態(tài)目標(biāo)背景，本文選取2階DLL與2階PLL跟蹤方案即可完成對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，使得環(huán)路跟蹤具有高效性與靈活性。2階環(huán)路濾波器系數(shù)為

對(duì)于2階鎖相環(huán)而言，阻尼系數(shù)ζ根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值一般設(shè)置為0.707。環(huán)路噪聲帶寬Bn則是直接影響對(duì)應(yīng)的環(huán)路濾波器性能的參數(shù)，它控制著進(jìn)入環(huán)路的噪聲量，帶寬越小環(huán)路濾波效果越好，跟蹤越精確。但環(huán)路帶寬的選擇同時(shí)需要考慮到動(dòng)態(tài)背景引起的信號(hào)載波頻率與相位的大幅度變化，若帶寬過小將無(wú)法完成對(duì)高動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤。對(duì)于水下20～30 kHz頻段而言，衛(wèi)星的載波頻率為1575.42 MHz、偽碼速率高達(dá)1.023 MHz引起的多普勒動(dòng)態(tài)范圍下設(shè)置的環(huán)路參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值已不再適用。因此本文將針對(duì)水下背景，通過大量仿真實(shí)驗(yàn)選取最優(yōu)環(huán)路帶寬參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下連續(xù)波信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤。

2.4 算法誤差分析

信號(hào)捕獲算法是對(duì)接收信號(hào)頻率和相位的粗同步過程，對(duì)捕獲精度沒有較高的要求。根據(jù)捕獲原理相位誤差在半個(gè)碼片之內(nèi)。頻率誤差主要取決于頻率搜索步長(zhǎng)，多普勒估計(jì)誤差為正負(fù)半個(gè)頻率搜索步長(zhǎng)。同時(shí)步長(zhǎng)越大，信號(hào)捕獲精度越差，但步長(zhǎng)過小，運(yùn)算量變大，捕獲時(shí)間變長(zhǎng)。因此頻率搜索步長(zhǎng)的選取需要結(jié)合實(shí)際需求平衡捕獲時(shí)間與捕獲精度。信號(hào)跟蹤算法中鎖相環(huán)的測(cè)量誤差源主要包括熱噪聲等所致的相位抖動(dòng)與動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差。根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，載波環(huán)和碼環(huán)的跟蹤門限分別如式(8)、式(9)所示

測(cè)量誤差均方差門限值越小，環(huán)路輸出的測(cè)量值越精確，但這也降低了環(huán)路對(duì)動(dòng)態(tài)和噪聲的容忍度。針對(duì)信號(hào)跟蹤的誤差分析還需結(jié)合環(huán)路參數(shù)與實(shí)際環(huán)境進(jìn)行仿真分析與驗(yàn)證。

3 算法仿真

3.1 信號(hào)捕獲算法仿真

仿真采用連續(xù)的直擴(kuò)信號(hào)，在兼顧水下傳輸速率與抗噪聲能力的需求下測(cè)距碼使用碼長(zhǎng)為127的m序列，載波頻率為25 kHz，偽隨機(jī)碼速率為5 kHz，采樣頻率400 kHz，信噪比為5 dB。

信號(hào)捕獲時(shí)需保證頻率的搜索范圍內(nèi)包含高動(dòng)態(tài)背景下的最大多普勒頻移值。針對(duì)衛(wèi)星GPS的頻率捕獲，搜索頻偏范圍一般設(shè)置為[–10 kHz,+10 kHz]，頻率搜索步長(zhǎng)為500 Hz，衛(wèi)星捕獲所需時(shí)間約為51 ms[16]。但水下可用頻段限制了水聲信號(hào)傳輸速率的同時(shí)也影響了捕獲所需時(shí)間。潛器回收對(duì)接時(shí)航行速度一般較慢為4～6 kn，潛艇最快航行速度可達(dá)到25 kn[2]。因此水聲環(huán)境中多普勒頻偏搜索范圍為[–250 Hz , +250 Hz]。平衡捕獲時(shí)間與捕獲精度后，采用頻率步長(zhǎng)為20 Hz。當(dāng)初始時(shí)延值為2.5ms，收發(fā)相對(duì)速度為12 m/s時(shí)，理論計(jì)算可知信號(hào)載波偏移200 Hz，碼速率偏移40 Hz，對(duì)1周期25.4 ms信號(hào)進(jìn)行捕獲可得結(jié)果如圖4所示。

圖4 信號(hào)捕獲結(jié)果

仿真實(shí)驗(yàn)中選取最大值為捕獲結(jié)果，因此信號(hào)捕獲頻率為25.21 kHz，真實(shí)頻率為25.2 kHz，則捕獲頻率誤差為10 Hz。捕獲到的碼起始位置即初始時(shí)延值為2.453 ms，理論設(shè)置時(shí)延值為2.5 ms，此時(shí)捕獲時(shí)延誤差為0.047 ms。捕獲本身就是對(duì)信號(hào)參數(shù)的粗估計(jì)，對(duì)精度的要求不高，仿真結(jié)果表明頻率捕獲精度恰好為半個(gè)頻率搜索步長(zhǎng)10 Hz，碼相位捕獲精度在理論值誤差值半個(gè)碼片0.1 ms范圍內(nèi)。在傳統(tǒng)算法基礎(chǔ)上如何節(jié)約捕獲時(shí)間，減小運(yùn)算量是捕獲技術(shù)的優(yōu)化重點(diǎn)。采用FFT并行處理算法可壓縮數(shù)據(jù)捕獲時(shí)長(zhǎng)，將仿真設(shè)置參數(shù)代入式(1)、式(2)可得捕獲所需時(shí)間約為0.66 s，而傳統(tǒng)的捕獲算法則需要83.87 s。從運(yùn)算量上看，時(shí)域算法運(yùn)算需要1 2 7(測(cè)距碼長(zhǎng)) ×2 6(捕獲頻率次數(shù))=3302 次。而并行處理結(jié)構(gòu)下的捕獲算法僅需要運(yùn)算3(FFT變換次數(shù))× 26(捕獲頻率次數(shù))=78次，計(jì)算次數(shù)縮減為時(shí)域算法的2.36%。因此基于FFT并行處理結(jié)構(gòu)的捕獲算法的處理速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的捕獲算法。

3.2 信號(hào)跟蹤算法仿真

仿真采用連續(xù)的直擴(kuò)信號(hào)，測(cè)距碼為碼長(zhǎng)127的m序列，載波頻率為25 kHz，偽隨機(jī)碼速率為5 kHz，采樣頻率400 kHz，信噪比為5 dB?；谛盘?hào)捕獲輸出的載波頻率與碼相位的粗估計(jì)值，利用歸一化超前滯后鑒相算法和延遲鎖相環(huán)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)碼相位的跟蹤，利用二象限反正切鑒相算法和科斯塔斯環(huán)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)載波的跟蹤。針對(duì)環(huán)路帶寬的選擇，需要同時(shí)考慮環(huán)路穩(wěn)態(tài)誤差與目標(biāo)的動(dòng)態(tài)范圍。針對(duì)水下潛器回收時(shí)加速度較小，但航行速度較快的情況提出兩種水下目標(biāo)典型動(dòng)態(tài)模型—?jiǎng)蛩倌Ｐ?多普勒頻率不變)和加速度模型(多普勒頻率變化)，通過大量理論仿真實(shí)驗(yàn)確定環(huán)路帶寬參數(shù)的最佳值，并從數(shù)據(jù)傳輸能力與參數(shù)估計(jì)精度兩個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)跟蹤性能的定量分析。

(1)勻速模型。仿真收發(fā)相對(duì)速度為12 m/s的勻速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，此時(shí)多普勒頻偏為固定值200 Hz。由于信號(hào)捕獲環(huán)節(jié)將載波多普勒頻移的誤差限制在了10 Hz內(nèi)，載波環(huán)路帶寬可選擇較小的值，使得環(huán)路擁有較小的穩(wěn)態(tài)誤差。然而碼速率也會(huì)隨之變化，但捕獲環(huán)節(jié)僅捕獲碼相位初始值，并未對(duì)碼速率偏移值進(jìn)行補(bǔ)償，因此高速環(huán)境下需要設(shè)置相對(duì)較大的碼環(huán)路帶寬以適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍。仿真碼環(huán)路帶寬為14 Hz，載波環(huán)路帶寬為5 Hz和15 Hz兩種情況下的跟蹤結(jié)果。

如圖5、圖6所示為跟蹤輸出結(jié)果，圖5中I路輸出為數(shù)據(jù)碼信息，證明算法能夠做到準(zhǔn)確無(wú)誤地跟蹤。圖6表示跟蹤輸出的連續(xù)測(cè)時(shí)值，當(dāng)數(shù)據(jù)碼中含有發(fā)射時(shí)刻信息時(shí)即可達(dá)到連續(xù)測(cè)距功能。如圖7所示，當(dāng)載波環(huán)路帶寬變化時(shí)，不影響碼環(huán)路跟蹤結(jié)果與信號(hào)解碼，圖7(b)為不同載波環(huán)路帶寬下跟蹤頻率對(duì)比圖。對(duì)于勻速模型，載波跟蹤不需要較大的載波環(huán)路帶寬，載波跟蹤環(huán)路帶寬越大，穩(wěn)態(tài)誤差越大。當(dāng)速度為12 m/s，載波環(huán)路帶寬為5 Hz時(shí)，由式(10)可得在不計(jì)相位抖動(dòng)均方差的情況下，動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差為0°，小于跟蹤門限45°，所以鎖相環(huán)理論上可保持對(duì)信號(hào)的持續(xù)跟蹤，仿真中跟蹤的載波偏移值如圖7(b)所示，理論偏移值為200 Hz，計(jì)算可得仿真中頻率跟蹤均方誤差為0.012 Hz。

圖5 跟蹤I路輸出

圖6 連續(xù)測(cè)時(shí)

圖7 跟蹤的多普勒偏移值

(2)加速度模型。圖8、圖9仿真了收發(fā)相對(duì)速度為0～15 m/s的變化情況，即加速度為固定值0.03 m/s模型。通過大量仿真可得最佳環(huán)路參數(shù)：碼環(huán)路帶寬為3 Hz，載波環(huán)路帶寬為9 Hz。

圖8 跟蹤I路輸出

圖8代表了跟蹤I路輸出結(jié)果，經(jīng)判決后即可獲得數(shù)據(jù)碼信息。圖9所示為信號(hào)跟蹤輸出的連續(xù)測(cè)時(shí)結(jié)果，圖10為信號(hào)跟蹤的碼速率與載波頻率偏移值。由算法誤差分析可得加速度為0.03m/s2模型下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差為0.07 Hz，在不計(jì)相位抖動(dòng)均方差的情況下誤差值小于門限值45°，因此仿真所得穩(wěn)態(tài)誤差值1.01 Hz在跟蹤門限范圍內(nèi)，信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定跟蹤。由此可見在最優(yōu)環(huán)路策略的設(shè)計(jì)下針對(duì)加速度模型依舊能完成準(zhǔn)確無(wú)誤的解碼，但誤差值略大于勻速模型時(shí)的跟蹤結(jié)果。圖11所示為根據(jù)信號(hào)跟蹤所得的速度與實(shí)際速度對(duì)比圖。

圖9 連續(xù)測(cè)時(shí)

圖10 跟蹤的多普勒偏移值

圖11 跟蹤速度與真實(shí)速度對(duì)比圖

由圖11可見信號(hào)跟蹤也實(shí)現(xiàn)了對(duì)相對(duì)速度的測(cè)量。基于跟蹤結(jié)果可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距，圖12所示為不同速度時(shí)信號(hào)跟蹤后的時(shí)延檢測(cè)與正常相關(guān)峰時(shí)延檢測(cè)精度[20]對(duì)比圖。仿真結(jié)果表明，隨著速度的增大，正常相關(guān)峰檢測(cè)時(shí)延誤差呈線性增大，基于信號(hào)跟蹤結(jié)果的參數(shù)估計(jì)誤差隨速度變化緩慢，且在高速模型下，即v=15 m/s時(shí)估計(jì)誤差僅0.025 ms，遠(yuǎn)小于相關(guān)估計(jì)誤差1.425 ms，精度得到極大的提高。因此該算法在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中更能發(fā)揮作用，提高測(cè)距精度。綜上所述信號(hào)跟蹤不僅能夠完成準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)信號(hào)補(bǔ)償后還可以完成更穩(wěn)健的時(shí)延檢測(cè)，為水下測(cè)距提供了高精度保障。

圖12 時(shí)延檢測(cè)精度對(duì)比圖

4 湖上試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2021年6月在吉林省吉林市松花湖區(qū)域進(jìn)行了試驗(yàn)。在岸邊信號(hào)源連接發(fā)射換能器，船上放置接收換能器，連接功率放大器與采集器。收發(fā)換能器入水深度3 m，水平距離約20 m。船圍繞發(fā)射端沿半圓軌跡行駛，而后船掉頭重新沿半圓軌跡行駛。圖13、圖14所示分別為松花湖聲速剖面與信道結(jié)構(gòu)，由此可見湖試環(huán)境為多途環(huán)境，發(fā)射連續(xù)的直擴(kuò)信號(hào)，能夠達(dá)到抗多途效果。此時(shí)測(cè)距碼為碼長(zhǎng)127的m序列，載波頻率為25 kHz，偽隨機(jī)碼速率為5 kHz。接收端采集器采樣率400 kHz，連續(xù)接收50 s信號(hào)。對(duì)接收的前1周期25.4 ms信號(hào)進(jìn)行基于FFT并行處理結(jié)果的快速捕獲，結(jié)果如圖15所示，湖上試驗(yàn)數(shù)據(jù)捕獲的頻率為24.99 kHz，碼起始時(shí)刻為11.1 ms。捕獲所需時(shí)間仍為0.66 s，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)捕獲所需時(shí)間。

圖13 松花湖聲速剖面

圖14 松花湖信道結(jié)構(gòu)

圖15 松花湖數(shù)據(jù)捕獲結(jié)果

基于捕獲的粗估計(jì)值，采用2階DLL與2階PLL的環(huán)路策略，跟蹤信號(hào)2000次，實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境雖比理論仿真環(huán)境更為復(fù)雜，但相對(duì)運(yùn)動(dòng)仍屬于變速運(yùn)動(dòng)模型，因此根據(jù)加速度模型仿真的環(huán)路參數(shù)設(shè)置，碼跟蹤環(huán)路帶寬為3 Hz，載波環(huán)路帶寬為9 Hz。經(jīng)過信號(hào)跟蹤算法后輸出的支路信息如圖16所示。

圖16 松花湖跟蹤I路輸出

經(jīng)驗(yàn)證輸出的I路信息為準(zhǔn)確無(wú)誤的數(shù)據(jù)碼信息，則認(rèn)定信號(hào)跟蹤成功，即完成了對(duì)載波頻率與碼相位的鎖定。跟蹤過程中可得到連續(xù)測(cè)得的時(shí)間值如圖17所示，當(dāng)數(shù)據(jù)碼中包含發(fā)射時(shí)間信息時(shí)，則連續(xù)波在多途環(huán)境下將準(zhǔn)確無(wú)誤地完成了連續(xù)測(cè)距與通信。輸出多普勒跟蹤結(jié)果如圖18所示。

圖17 連續(xù)測(cè)時(shí)

圖18 松花湖數(shù)據(jù)跟蹤結(jié)果

由此可見收發(fā)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)為不規(guī)則的變速運(yùn)動(dòng)。同時(shí)根據(jù)信號(hào)跟蹤中鑒別器輸出相位誤差的原理，可得到碼鑒別器誤差值為0.77 Hz，載波鑒別器輸出誤差值為0.14 Hz。隨著船運(yùn)動(dòng)接收信號(hào)的多普勒實(shí)時(shí)變化，松花湖試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果證明了跟蹤環(huán)路在高動(dòng)態(tài)信號(hào)背景下仍可以快速收斂且具有較小的跟蹤誤差，同時(shí)能夠完成對(duì)聲學(xué)通信信號(hào)的解碼，高幀率的參數(shù)估計(jì)也為水下高精度測(cè)距提供了保障。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)水下潛器回收的實(shí)時(shí)性測(cè)量與指控需求，本文構(gòu)建了水下連續(xù)波信號(hào)體制，為滿足水下高速潛器的快速解算信息的需求，提出了基于FFT并行結(jié)構(gòu)處理的快速捕獲算法，將捕獲時(shí)間由傳統(tǒng)方法的83.87 s縮短至0.66 s，計(jì)算量縮小為時(shí)域算法的2.36%，大大提高了捕獲處理速度。信號(hào)跟蹤算法利用歸一化超前滯后鑒相算法和延遲鎖相環(huán)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)碼相位跟蹤，利用二象限反正切鑒相算法和科斯塔斯環(huán)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)載波跟蹤。經(jīng)過理論仿真確定了適用于水下環(huán)境與動(dòng)態(tài)目標(biāo)環(huán)境的最佳環(huán)路策略，并且信號(hào)跟蹤技術(shù)在勻速模型、加速度模型以及松花湖試驗(yàn)中，均能做到在通信方面準(zhǔn)確無(wú)誤地解碼；在參數(shù)估計(jì)方面，基于跟蹤結(jié)果的時(shí)延估計(jì)精度在不同速度下均優(yōu)于傳統(tǒng)的相關(guān)時(shí)延檢測(cè)精度，且速度越快算法的優(yōu)勢(shì)越明顯。但本文暫未對(duì)加加速度模型進(jìn)行相應(yīng)分析，未來(lái)將繼續(xù)深入研究。綜上所述本文提出的基于水下連續(xù)波體制的捕獲與跟蹤技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)水下高速潛器的實(shí)時(shí)導(dǎo)引與回收過程，為潛器調(diào)控航行參數(shù)提供實(shí)時(shí)信息支撐。