在進(jìn)行船舶,、潛艇等航器的設(shè)計(jì)工作過程中，需要對航模進(jìn)行各種水池試驗(yàn)工作,。在試驗(yàn)水池中對航模進(jìn)行航跡測量時(shí),，短基線系統(tǒng)在同等精度下相比于超短基線系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜度較低、抗混響和多途能力強(qiáng),，且成本較為低廉,，因此得到了廣泛的應(yīng)用。通過在試驗(yàn)水池中布放短基線水聲定位系統(tǒng),，可以很方便地測量航模在水中航行的軌跡,、航跡數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)，通過融合計(jì)算即可得以驗(yàn)證和優(yōu)化船舶設(shè)計(jì),。

    在雷達(dá),、無線電領(lǐng)域，全數(shù)字化接收機(jī)概念的提出受到了普遍的關(guān)注,，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,，以大規(guī)模可編程邏輯器件（FPGA）為處理核心的軟件雷達(dá),、無線電系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用,。FPGA其內(nèi)部資源豐富，可以并行實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號處理算法,，其速度和效率在某些方面優(yōu)于一般的專用信號處理器件,。
    本文通過使用大規(guī)模可編程邏輯器件作為核心的短基線定位系統(tǒng)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)多通道信號的接收和處理,，有效地降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和成本,，從而實(shí)現(xiàn)了一套高精度的短基線水聲定位系統(tǒng)，并成功地應(yīng)用于某研究所的航模試驗(yàn),。
1 同步短基線定位原理
    水聲定位是通過測量目標(biāo)聲信號從發(fā)射到基陣接收所經(jīng)歷的時(shí)延來測量聲源到各個(gè)基元的距離,，然后通過平面或者球面相交即可測量和確定目標(biāo)相對于基陣的方位。
    根據(jù)目標(biāo)聲信號的不同,，水聲定位系統(tǒng)區(qū)分為目標(biāo)攜帶聲信標(biāo)的主動定位測距和不攜帶聲信標(biāo)的被動定位測距,；根據(jù)聲信標(biāo)時(shí)間測量方式的不同，分為同步定位和異步定位,。
    對于主動同步定位系統(tǒng),，通過在目標(biāo)上安裝高精度的同步時(shí)鐘并與接收機(jī)內(nèi)部同步時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘同步，可以確知目標(biāo)發(fā)射信號的時(shí)間,。在測量過程中,，經(jīng)接收機(jī)測出信號從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時(shí)間并聯(lián)合聲速即可確定目標(biāo)相對于接收基陣的空間位置,。同步方式可以使系統(tǒng)達(dá)到很高的精度，但同步誤差會隨時(shí)間累積逐漸增大,，因此長時(shí)間定位時(shí)精度不高,。隨著高精度恒溫晶振的技術(shù)發(fā)展，在有限時(shí)間內(nèi)的時(shí)鐘誤差較小,，完全可以滿足航模試驗(yàn)的要求,。
   

    聯(lián)立這兩個(gè)方程，即可得到2,、3,、4號基元解算對應(yīng)的目標(biāo)位置,。為了提高測量精度,，將每三個(gè)陣元的合圍區(qū)域定義為一個(gè)象限，當(dāng)目標(biāo)位于兩個(gè)子陣的象限重疊區(qū)域時(shí),，將兩個(gè)子陣的測量結(jié)果進(jìn)行判別處理,，以提高測量精度，同時(shí)也有利于減少偶然誤差的影響,。
    得到目標(biāo)位置(xs,，ys)后，代入式(1)中,，即可得到兩個(gè)目標(biāo)深度解,，其關(guān)于基元深度z1對稱。由于基元布放深度比航模要深,，此時(shí)選取zs<z1的解即是正確的目標(biāo)深度,。
2 短基線定位系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)
    定位系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：(1)信標(biāo)發(fā)射機(jī)；(2)定位接收機(jī),；(3)計(jì)算機(jī)顯控平臺,。其各組成部分的功能如圖2所示。

2.1 信標(biāo)發(fā)射機(jī)原理
    信標(biāo)發(fā)射機(jī)功能組成如下：
    （1）同步鐘：為系統(tǒng)提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn),，以此產(chǎn)生信標(biāo)信號,。本系統(tǒng)采用南京新聯(lián)電訊生產(chǎn)的高精度恒溫晶體振蕩器，頻率為5 MHz,，精度為0.005 ppm,，通過對晶振頻率微調(diào)校準(zhǔn)，可以滿足4 h累計(jì)時(shí)間誤差不超過20 ?滋s的精度要求,，換算成距離測量誤差為3 cm,。
    （2）信標(biāo)控制器：按照時(shí)間基準(zhǔn)驅(qū)動功率放大器發(fā)送信標(biāo)信號；根據(jù)同步連線和定位接收機(jī)進(jìn)行時(shí)基同步,。
    （3）功率放大器及發(fā)射換能器：功率放大器采用MOSFET驅(qū)動的D類功率放大器,，特點(diǎn)是體積小,、發(fā)射功率高。信標(biāo)信號的基本形式為CW脈沖,，頻率為72 kHz,，脈沖寬度為0.8 ms；發(fā)射換能器采用球形無指向性換能器,。
2.2 定位接收機(jī)原理
    定位接收機(jī)功能組成如下：
    （1）接收基陣：基元內(nèi)部安裝有收發(fā)合置的前置放大器,，用于接收信標(biāo)聲信號，將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號并放大后傳送至多通道接收機(jī)供后續(xù)處理,。
    （2）多通道接收電路：對接收信號進(jìn)行濾波,、放大和時(shí)間增益控制處理。設(shè)計(jì)中通過FPGA控制器控制功率型繼電器選通功率放大器和指定的發(fā)射換能器,，分時(shí)完成基陣陣元的校準(zhǔn)測量,。
    （3）信號處理電路：對系統(tǒng)的工作進(jìn)行控制管理；完成接收信號的前置處理,，將處理結(jié)果送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行測跡解算,；根據(jù)計(jì)算機(jī)控制命令完成基陣校準(zhǔn)。信號處理機(jī)核心部件以大規(guī)模FPGA（型號為Altera公司的EP3-
C25Q240）作為控制器,，可以并行同步完成4個(gè)基元的接收信號的采集和處理,。EP3C25具有比較豐富的資源，包含了約2.5萬個(gè)邏輯單元,、132個(gè)9 bit硬件乘法器,、約61 Kb存儲單元、4個(gè)鎖相環(huán),。
3 時(shí)延測量原理及仿真分析
3.1 數(shù)字正交接收機(jī)原理和FPGA實(shí)現(xiàn)
    模擬接收機(jī)采用模擬器件完成解調(diào)等工作,，為保證正交支路信號的一致性，需要復(fù)雜的輔助電路, 但仍難以克服像乘法器這類器件的非線性,。數(shù)字正交接收機(jī)采用高穩(wěn)定度晶體振蕩器,，通過數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生的本地參考載波和數(shù)字量化后的接收信號進(jìn)行相干解調(diào)，然后使用數(shù)字信號處理算法自適應(yīng)完成信號檢測和判決[1],。
    根據(jù)數(shù)字正交接收的原理,，本文提出一種改進(jìn)的正交接收機(jī)方法，在高信噪比的條件下可以大大降低程序的復(fù)雜度和運(yùn)算量,，減少FPGA資源的消耗,。改進(jìn)后的正交接收機(jī)原理框圖如圖3所示。

    對設(shè)計(jì)中FPGA資源結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：(1)NCO產(chǎn)生的正交數(shù)字信號的量化寬度為10 bit,，輸入信號A/D轉(zhuǎn)換精度12 bit,，第一個(gè)乘法器輸出為了避免溢出，輸出結(jié)果為24 bit,；(2)將乘法器輸出的結(jié)果去掉低8位后送入雙端口RAM(DPRAM)的輸入端口,。這里利用DPRAM構(gòu)成一個(gè)滑動窗結(jié)構(gòu),，在每個(gè)采樣周期中利用一個(gè)32 bit具有加減功能的加法器將DPRAM的輸入數(shù)據(jù)相加，然后再減去輸出數(shù)據(jù),，從而構(gòu)成一個(gè)積分器,；(3)將32 bit加法器的輸出結(jié)果去掉低8位后進(jìn)行平方，輸出數(shù)據(jù)為48 bit,；(4)對I,、Q兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)相加，構(gòu)成正交接收機(jī)的48 bit的輸出數(shù)據(jù),；(5)一個(gè)狀態(tài)機(jī),，用于數(shù)據(jù)處理過程中的時(shí)序控制。
    經(jīng)過QuartusII編譯分析,，這一結(jié)構(gòu)的資源使用情況如表1所示,。

    本系統(tǒng)在一片F(xiàn)PGA中，使用4路接收機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的并行處理,，有效地降低了系統(tǒng)軟件的復(fù)雜度,。
3.2 自適應(yīng)門限檢測原理
    在門限比較判決中,，門限值的設(shè)置依據(jù)有所不同,，基本可分為固定門限值、基于恒虛警率(CFAR)準(zhǔn)則的自適應(yīng)門限值和最佳門限值三種,。試驗(yàn)水池環(huán)境存在較為復(fù)雜的信道環(huán)境,，接收到的信號由于水面、水底反射的影響以及距離變化的影響,，容易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的干涉疊加而使得信標(biāo)信號產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的斷續(xù)起伏,。因此必須采用自適應(yīng)門限檢測，以達(dá)到不同的信噪比情況下檢測系統(tǒng)的虛警概率是恒定的,。在CFAR準(zhǔn)則下的門限值,，當(dāng)虛警概率選擇恰當(dāng)時(shí)，其檢測性能逼近最佳門限[4-5],。
    由于改進(jìn)后的正交接收機(jī)近似地等價(jià)于平方律包絡(luò)檢波器,，因此本文根據(jù)試驗(yàn)條件的具體情況，采用固定門限加采用基于信號能量的自適應(yīng)檢測方法,，避免非高斯噪聲對檢測結(jié)果的影響,，減少自適應(yīng)門限的變化范圍，提高系統(tǒng)的可靠性,。
    信號功率P是N 個(gè)采樣點(diǎn)的平均功率,，為便于比較，一般取N和正交接收機(jī)積分長度M相等,。
  
3.3 仿真分析
    本文根據(jù)以上方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,。圖5是信噪比20 dB時(shí)多途疊加下的接收信號的原始波形及正交輸出結(jié)果,，以及經(jīng)過積分的信號和自適應(yīng)門限進(jìn)行比較判別的結(jié)果。通過仿真結(jié)果可見,，自適應(yīng)門限判決可以很好地檢測到定位脈沖信號,。

4 測量結(jié)果試驗(yàn)
    試驗(yàn)水池大小為60 m&times;50 m，試驗(yàn)過程先進(jìn)行基陣自校準(zhǔn),，測量結(jié)果為：1陣元(0,，-14.91)；2陣元(-22.62,，
0.01),；3陣元(0，14.91),；4陣元(24.54,，0.23)，單位為m,，聲速使用烏德公式通過測量溫度和布放深度修正為1 465 m/s,。
    由于直接測量校陣結(jié)果和航跡測量結(jié)果比較困難，為了考核基陣測量精度和測跡精度,，采用在x＞0,、x＜0和x＝0(y＝0)附近區(qū)域，聲源在水平面內(nèi)做半徑為10.8 m的圓周運(yùn)動,，通過測量軌跡圓的直徑和圓度,，即可驗(yàn)證定位系統(tǒng)的性能和精度。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,。
    通過分析不同位置單位圓航跡測量結(jié)果,，可以驗(yàn)證系統(tǒng)的定位和測跡精度，測量精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,，同時(shí)也驗(yàn)證了基陣自校準(zhǔn)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性,。軌跡圓測量分析結(jié)果如表2所示。

    在多通道同步數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中,，通過合理地使用FPGA處理器可以獲得比使用單個(gè)DSP處理器芯片更好的并行性,。
    文中通過仿真分析和試驗(yàn)測量進(jìn)行了驗(yàn)證，本系統(tǒng)使用FPGA作為系統(tǒng)控制器和信號處理器,，在系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集控制,、信號處理和通信傳輸多個(gè)功能，其并行性降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度,，因此具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性,。
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