一種用于室內(nèi)水下目標(biāo)定位的時延估計方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水下定位導(dǎo)航領(lǐng)域，具體來說，涉及一種用于室內(nèi)水下目標(biāo)定位的時延估計方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在實現(xiàn)自主式水下航行器(AUV)的工程化以及實用化的過程中，水下導(dǎo)航定位技術(shù)的實現(xiàn)是最關(guān)鍵的一步。為了正確的指示AUV在水下的具體位置，水下定位系統(tǒng)必須能夠提供長時間范圍內(nèi)的精確定位?目息，從而進(jìn)一步引導(dǎo)AUV完成各種復(fù)雜任務(wù)，故實現(xiàn)精確定位是一項艱難的任務(wù)。
[0003]目前，已經(jīng)存在的定位系統(tǒng)主要分為超短基線、短基線、長基線三類，用于室內(nèi)中小型的水下定位系統(tǒng)多采用短基線原理，故實現(xiàn)精確定位的必要條件之一就是得到精確的時延估計。時延估計就是利用參數(shù)估計和信號處理的理論和方法，對各應(yīng)答器接收到的超聲波換能器信號的時間和信號產(chǎn)生的時間差值進(jìn)行估計和測定，多采用相關(guān)算法，簡易的相關(guān)算法精度不高，應(yīng)用所謂廣義相關(guān)算法或加權(quán)時延估計等方法計算較復(fù)雜，運算時間長，且適用范圍都有一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是為了解決上述問題，克服現(xiàn)有方法的缺陷，提出了一種用于室內(nèi)水下目標(biāo)定位的時延估計方法及裝置。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種用于室內(nèi)水下目標(biāo)定位的時延估計的裝置，該裝置包括信號產(chǎn)生模塊、信號采集和處理模塊、超聲波換能器和水聽器；
[0006]所述信號產(chǎn)生模塊包括單片機(jī)、功率放大器、DDS (直接數(shù)字式頻率合成器)芯片和阻抗匹配變壓器；
[0007]當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，使用單片機(jī)控制DDS芯片產(chǎn)生供超聲波換能器使用的激勵信號，由于產(chǎn)生的信號微弱，通過功率放大器放大信號，而由于功率放大器輸出阻抗與所連接的超聲波換能器阻抗不匹配，為防止對超聲波換能器工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯影響，故用阻抗匹配變壓器實現(xiàn)阻抗匹配，經(jīng)過計算，阻抗匹配變壓器比例nl:n2 = 1:5 ;
[0008]所述超聲波換能器與水聽器的指向性分別為全向發(fā)射(±2dB)和全向接收(±2dB)，且均具有靈敏度高，額定脈沖工作電壓高，瞬時輸出功率大的特點；
[0009]所述信號采集和處理模塊包括增益可調(diào)放大器、帶通濾波器、數(shù)據(jù)采集卡以及工控PC機(jī)；
[0010]所述增益可調(diào)放大器和帶通濾波器的作用是濾掉水聽器接收信號中的白噪聲，保證數(shù)采卡采集信號的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)采集卡安裝在工控PC機(jī)內(nèi)，采集超聲波換能器發(fā)射信號以及三路水聽器接收信號傳送至工控PC機(jī)，工控PC機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡采集的四路信號進(jìn)行時延估計；
[0011]所述的裝置內(nèi)還包括多個線性電源，分別為:
[0012]+5V線性電源，為水聽器、單片機(jī)、DDS芯片供電；
[0013]±12V線性電源，為增益可調(diào)放大器和帶通濾波器供電；
[0014]±60V的開關(guān)電源，為功率放大器供電。
[0015]作為優(yōu)選，所述超聲波換能器發(fā)射信號頻率為80kHz的超聲波脈沖，脈沖時間為
0.2ms，帶通濾波器的中心頻率為80kHz。
[0016]作為優(yōu)選，所述數(shù)據(jù)采集卡采用外觸發(fā)，即單片機(jī)除用于控制DDS芯片產(chǎn)生激勵信號外，亦在同時產(chǎn)生同步信號，通過TTL電平上升沿0 — 1觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，并在一定時間間隔后通過TTL電平1 — 0下降沿結(jié)束采集。
[0017]—種使用上述裝置的用于室內(nèi)水下目標(biāo)定位的時延估計方法，該時延估計方法包括以下步驟:
[0018]步驟一:對數(shù)據(jù)采集卡采集的各水聽器接收信號數(shù)據(jù)和超聲波換能器原始信號數(shù)據(jù)進(jìn)行去野值和歸一化處理；
[0019]步驟二:將各水聽器信號分別與超聲波換能器原始信號做循環(huán)相關(guān)處理，得到相關(guān)信號;
[0020]步驟三:定義兩個不同寬度的矩形窗口，對歸一化后的信號進(jìn)行加窗處理，其順序為4個寬度較窄的窗口分布在兩側(cè)，寬度較寬的窗口位于中間，從左向右移動窗口，并分別對4個寬度較窄的窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)點進(jìn)行求和，求和后對相鄰兩個窗口內(nèi)的和求比例，若左偵_窗口比例大于1且右側(cè)兩窗口比例小于1，則要求的相關(guān)峰即在寬度較寬的窗口內(nèi)，求窗口內(nèi)所有數(shù)據(jù)點的最大值，其橫坐標(biāo)即為粗峰值位置P1，將此步驟應(yīng)用的方法稱為超前滯后法；
[0021]步驟四:預(yù)先定義一個最大值，并以1/2的最大值為閾值，將歸一化后的信號數(shù)據(jù)點逐一語預(yù)設(shè)的最大值進(jìn)行比較，若大于最大值則替換當(dāng)前最大值，并取新的閾值，若小于當(dāng)前最大值且與最大值之差并未超過閾值，則信號可能處于短暫下降趨勢，繼續(xù)尋找最大值點，若數(shù)據(jù)點值小于當(dāng)前最大值且與最大值之差超過閾值，則認(rèn)為信號最大值即為當(dāng)前最大值，則此時最大值的橫坐標(biāo)即為粗峰值位置P2，將此步驟應(yīng)用的方法稱為閾值法；
[0022]步驟五:若Ρ1 Φ P2，則數(shù)采卡讀入數(shù)據(jù)有誤，重新讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，若PI = P2，兩所求峰值相同時，則以通過超前滯后法和閾值法進(jìn)行計算得到的信號峰值為中心，以7個步長為間隔，左右兩側(cè)各取十個數(shù)據(jù)點，對所求所有數(shù)據(jù)點求包絡(luò)進(jìn)行二次擬合，再求拋物線頂點的橫坐標(biāo)，此橫坐標(biāo)即為最終求得的發(fā)射信號到達(dá)初始位置，將此初始位置與AD采樣周期相乘，即可得到聲信號時延，將此步驟應(yīng)用的方法稱為跟蹤法，再將時延乘以水中聲速，則可得到水聽器與換能器之間的距離，供水下目標(biāo)定位使用。
[0023]下面具體介紹本發(fā)明的工作原理及過程:
[0024]本發(fā)明基于短基線原理，水聽器按上述方法以水域中心為基點，以三角陣的形式固定在水域內(nèi)。需要定位時，超聲波換能器向外發(fā)送80kHz頻率的超聲波脈沖，脈沖持續(xù)時間很短為0.2ms，同時在超聲波換能器發(fā)出超聲波脈沖信號的起始時刻單片機(jī)發(fā)出觸發(fā)信號啟動數(shù)據(jù)采集卡對各水聽器接收到的信號進(jìn)行采樣，采樣持續(xù)的時間大于超聲波脈沖到達(dá)距離最遠(yuǎn)的水聽器所需的傳播時間。數(shù)采卡采集到的信號在采集結(jié)束后傳送至工控PC機(jī)內(nèi)，通過結(jié)合超前滯后法、閾值法、跟蹤法的方法對各水聽器的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到超聲波脈沖到達(dá)各水聽器需要的傳播時間，即時延。根據(jù)超聲波信號到達(dá)各水聽器的傳播時間及水中聲速，既可計算得到目標(biāo)與各水聽器之間的距離。
[0025]本發(fā)明的有益效果:1.超聲波換能器與水聽器均是全向發(fā)射或接收，數(shù)據(jù)采集時為并行采集，外部同步信號觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡統(tǒng)一采集，方便簡單精確。
[0026]2.控制簡單可靠、穩(wěn)定性高。本發(fā)明的時延估計裝置內(nèi)部集成有增益放大器、帶通濾波器等模塊，保證數(shù)據(jù)采集卡采集信號的準(zhǔn)確性。且水聽器、換能器均使用防水電纜與機(jī)箱連接，穩(wěn)定性高，不易受外界影響。
[0027]3.本發(fā)明采用的時延估計方法相對于普遍應(yīng)用的簡單去相關(guān)峰最大值精度更高，有效提高水下目標(biāo)定位精，且比廣義相關(guān)算法等復(fù)雜的求峰值算法更為簡便，計算時間較短。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明中時延估計裝置示意圖。
[0029]圖2是本發(fā)明中時延估計方法中的超前滯后法的示意圖。
[0030]圖3是本發(fā)明中時延估計方法中的跟蹤法的示意圖。
[0031 ] 圖4是本發(fā)明中時延估計方法流程圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0033]如圖1所示，本發(fā)明的一種用于室內(nèi)水下目標(biāo)定位的時延估計的裝置，該裝置包括信號產(chǎn)生模塊5、信號采集和處理模塊6、超聲波換能器1和水聽器2、3、4，超聲波換能器1和水聽器2、3、4，指向性分別為全向發(fā)射(±2dB)和全向接收(±2dB)，且均具有靈敏度高，額定脈沖工作電壓高，瞬時輸出功率大的特點；信號產(chǎn)生模塊5內(nèi)部包括51系列單片機(jī)9，DDS芯片10、功率放大器11、阻抗匹配變壓器12，當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，使用單片機(jī)9控制DDS芯片10產(chǎn)生供超聲波換能器1使用的激勵信號，由于產(chǎn)生的信號微弱，通過功率放大器11放大信號，而由于功率放大器11輸出阻抗與所連接的超聲波換能器1阻抗不匹配，為防止對超聲波換能器1工作狀態(tài)產(chǎn)生明顯影響，故用阻抗匹配變壓器12實現(xiàn)阻抗匹配，經(jīng)過計算，阻抗匹配變壓器12比例nl:n2 = 1:5 ;信號采集和處理模塊6內(nèi)部包括數(shù)據(jù)采集卡7、工控PC機(jī)8、增益可調(diào)放大器13、14、15以及帶通濾波器16、17、18，其中增益可調(diào)放大器13、14、15以及帶通濾波器16