一種用于室內水下目標定位的時延估計方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及水下定位導航領域，具體來說，涉及一種用于室內水下目標定位的時延估計方法及裝置。
【背景技術】
[0002]在實現自主式水下航行器(AUV)的工程化以及實用化的過程中，水下導航定位技術的實現是最關鍵的一步。為了正確的指示AUV在水下的具體位置，水下定位系統必須能夠提供長時間范圍內的精確定位?目息，從而進一步引導AUV完成各種復雜任務，故實現精確定位是一項艱難的任務。
[0003]目前，已經存在的定位系統主要分為超短基線、短基線、長基線三類，用于室內中小型的水下定位系統多采用短基線原理，故實現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估計和信號處理的理論和方法，對各應答器接收到的超聲波換能器信號的時間和信號產生的時間差值進行估計和測定，多采用相關算法，簡易的相關算法精度不高，應用所謂廣義相關算法或加權時延估計等方法計算較復雜，運算時間長，且適用范圍都有一定的局限性。

【發明內容】

[0004]本發明目的是為了解決上述問題，克服現有方法的缺陷，提出了一種用于室內水下目標定位的時延估計方法及裝置。
[0005]本發明采用的技術方案為:一種用于室內水下目標定位的時延估計的裝置，該裝置包括信號產生模塊、信號采集和處理模塊、超聲波換能器和水聽器；
[0006]所述信號產生模塊包括單片機、功率放大器、DDS (直接數字式頻率合成器)芯片和阻抗匹配變壓器；
[0007]當系統處于工作狀態，使用單片機控制DDS芯片產生供超聲波換能器使用的激勵信號，由于產生的信號微弱，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產生明顯影響，故用阻抗匹配變壓器實現阻抗匹配，經過計算，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放大器、帶通濾波器、數據采集卡以及工控PC機；
[0010]所述增益可調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，保證數采卡采集信號的準確性，數據采集卡安裝在工控PC機內，采集超聲波換能器發射信號以及三路水聽器接收信號傳送至工控PC機，工控PC機通過數據采集卡采集的四路信號進行時延估計；
[0011]所述的裝置內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、DDS芯片供電；
[0013]±12V線性電源，為增益可調放大器和帶通濾波器供電；
[0014]±60V的開關電源，為功率放大器供電。
[0015]作為優選，所述超聲波換能器發射信號頻率為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]作為優選，所述數據采集卡采用外觸發，即單片機除用于控制DDS芯片產生激勵信號外，亦在同時產生同步信號，通過TTL電平上升沿0 — 1觸發數據采集卡采集數據，并在一定時間間隔后通過TTL電平1 — 0下降沿結束采集。
[0017]—種使用上述裝置的用于室內水下目標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:對數據采集卡采集的各水聽器接收信號數據和超聲波換能器原始信號數據進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相關處理，得到相關信號;
[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行加窗處理，其順序為4個寬度較窄的窗口分布在兩側，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的數據點進行求和，求和后對相鄰兩個窗口內的和求比例，若左偵_窗口比例大于1且右側兩窗口比例小于1，則要求的相關峰即在寬度較寬的窗口內，求窗口內所有數據點的最大值，其橫坐標即為粗峰值位置P1，將此步驟應用的方法稱為超前滯后法；
[0021]步驟四:預先定義一個最大值，并以1/2的最大值為閾值，將歸一化后的信號數據點逐一語預設的最大值進行比較，若大于最大值則替換當前最大值，并取新的閾值，若小于當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，繼續尋找最大值點，若數據點值小于當前最大值且與最大值之差超過閾值，則認為信號最大值即為當前最大值，則此時最大值的橫坐標即為粗峰值位置P2，將此步驟應用的方法稱為閾值法；
[0022]步驟五:若Ρ1 Φ P2，則數采卡讀入數據有誤，重新讀取數據進行計算，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，左右兩側各取十個數據點，對所求所有數據點求包絡進行二次擬合，再求拋物線頂點的橫坐標，此橫坐標即為最終求得的發射信號到達初始位置，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，供水下目標定位使用。
[0023]下面具體介紹本發明的工作原理及過程:
[0024]本發明基于短基線原理，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。需要定位時，超聲波換能器向外發送80kHz頻率的超聲波脈沖，脈沖持續時間很短為0.2ms，同時在超聲波換能器發出超聲波脈沖信號的起始時刻單片機發出觸發信號啟動數據采集卡對各水聽器接收到的信號進行采樣，采樣持續的時間大于超聲波脈沖到達距離最遠的水聽器所需的傳播時間。數采卡采集到的信號在采集結束后傳送至工控PC機內，通過結合超前滯后法、閾值法、跟蹤法的方法對各水聽器的采樣數據進行分析，得到超聲波脈沖到達各水聽器需要的傳播時間，即時延。根據超聲波信號到達各水聽器的傳播時間及水中聲速，既可計算得到目標與各水聽器之間的距離。
[0025]本發明的有益效果:1.超聲波換能器與水聽器均是全向發射或接收，數據采集時為并行采集，外部同步信號觸發數據采集卡統一采集，方便簡單精確。
[0026]2.控制簡單可靠、穩定性高。本發明的時延估計裝置內部集成有增益放大器、帶通濾波器等模塊，保證數據采集卡采集信號的準確性。且水聽器、換能器均使用防水電纜與機箱連接，穩定性高，不易受外界影響。
[0027]3.本發明采用的時延估計方法相對于普遍應用的簡單去相關峰最大值精度更高，有效提高水下目標定位精，且比廣義相關算法等復雜的求峰值算法更為簡便，計算時間較短。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明中時延估計裝置示意圖。
[0029]圖2是本發明中時延估計方法中的超前滯后法的示意圖。
[0030]圖3是本發明中時延估計方法中的跟蹤法的示意圖。
[0031 ] 圖4是本發明中時延估計方法流程圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的說明。
[0033]如圖1所示，本發明的一種用于室內水下目標定位的時延估計的裝置，該裝置包括信號產生模塊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；信號產生模塊5內部包括51系列單片機9，DDS芯片10、功率放大器11、阻抗匹配變壓器12，當系統處于工作狀態，使用單片機9控制DDS芯片10產生供超聲波換能器1使用的激勵信號，由于產生的信號微弱，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工作狀態產生明顯影響，故用阻抗匹配變壓器12實現阻抗匹配，經過計算，阻抗匹配變壓器12比例nl:n2 = 1:5 ;信號采集和處理模塊6內部包括數據采集卡7、工控PC機8、增益可調放大器13、14、15以及帶通濾波器16、17、18，其中增益可調放大器13、14、15以及帶通濾波器16