系統(tǒng)架構(gòu)概述

水下定位系統(tǒng)根據(jù)陣列定位基線的長度分為三類：長基線、短基線和超短基線定位系統(tǒng)，這三類系統(tǒng)各有利弊。長基線陣列可以獨立于水深實現(xiàn)高精度定位；超短基線定位系統(tǒng)優(yōu)點為短程定位精度高、尺寸小、重量輕、安裝方便，其缺陷之處在于定位精度與斜距有關(guān)，距離越遠定位精度越低。

本系統(tǒng)擬采用長基線實現(xiàn)水下聲源的三維坐標位置追蹤，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如下所示：

本方案選項使用某公司數(shù)據(jù)采集平臺構(gòu)建。配合嵌入式控制器、高速率信號采集模塊采集水聽器信號，GPS模塊實現(xiàn)GPS位置與GPS絕對時鐘同步，實現(xiàn)多個分布式終端之間的時鐘信號同步采集，進而實現(xiàn)多水下三維追蹤運算。

其中，多個Target分布式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲，追蹤運算在上級系統(tǒng)的堅固型服務(wù)器上進行，堅固型計算機與各個終端之間通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

分布式采集基站與處理服務(wù)器陣列分布示意圖

為了提高空間定位精度，各個采集基站分布如上圖所示，組成3*2的陣列冗余采集分布，采集基站之間距離約為150m到200m左右。每個采集基站同步采集三個水聽器信號，每兩個水聽器水深差距約為50m到100m，整體系統(tǒng)成一個3*3*2的三維陣列，從而實現(xiàn)被測對象的三維定位。

TDOA算法原理示意圖

軟件核心部分選用TDOA算法，TDOA定位是一種利用時間差進行定位的方法。通過測量信號到達監(jiān)測站的時間，可以確定信號源的距離。利用信號源到各個監(jiān)測站的距離（以監(jiān)測站為中心，距離為半徑繪制圓或者球），就能確定信號平米或者空間的三維坐標位置。

潛水水聽器的排布注意事項

多個采集站點分布呈現(xiàn)2*3的矩形陣列方式排布于水面，每個采集基站同步采集三個下沉到不同的深度的水聽器信號，系統(tǒng)運行時候共有3*（2*3）=18個通道的水聽器信號被同步采集。

水聽器水下矩陣分布示意圖

由于該系統(tǒng)是通過TDOA算法為基礎(chǔ)來定位水下目標的坐標，該算法的最基礎(chǔ)就是聲源的信號到達不同水聽器的時間是有一些時間差的。為了能夠正確的捕捉到該具有時間差（波形相位差）的信號，就需要確保兩點：

（1）各個基站之間信號采集是要同時開始，且節(jié)拍一致。這一部分通過GPS信號同步可以實現(xiàn)，同步精度可以達到100ns，完全滿足系統(tǒng)要求。

（2）連接各個水聽器到采集板卡的信號線纜長度需要一樣。電信號雖然速率很快，但長距離傳輸還是會引入部分誤差，這一部分很容易被忽略，需要特殊注意。

（a）多通道分布式高速采集同一瞬態(tài)信

（b）不同位置采集結(jié)果放大后對比（短時時延）

某短時時延信號脈沖信號不同高速采集展示

精確定位系統(tǒng)中多徑效應(yīng)干擾及多普勒效應(yīng)分析

1、多徑效應(yīng)原理及影響分析

在基于水聲信號的主動定位系統(tǒng)中，用于定位的聲音頻段一般是幾kHZ到幾十kHZ，由發(fā)射器輸出聲音信號，然后用水聽器陣列來計算聲源的位置。如果不考慮煤質(zhì)邊界影響，水聲信號的傳播條件主要視聲速度場的狀況而定。聲速場的參數(shù)又取決于水體中每一點的溫度、鹽度和壓力值分布情況，同時水體的物理場的時空變化也會導(dǎo)致聲速場的相應(yīng)變化。

聲速與水深典型分布參考曲線

影響聲波傳輸?shù)囊蛩兀劫|(zhì)本身聲散射層、聲速躍變層、含氣泡的表面水層之外，還有其邊界即海面、海底對聲波傳播的影響。在分析水聲信號時，通常視海水聲速場為分層非均勻媒質(zhì)，而分層非均勻媒質(zhì)各層中聲速不等，當(dāng)聲速不同的各層邊界變遷時，聲線軌跡發(fā)生彎曲，即所謂的聲線折射現(xiàn)象。聲線的軌跡向聲速值較小的那一層彎曲。

淺水區(qū)域聲道跨度D、掠射角X與深度Z之間的關(guān)系示意圖

非均勻媒質(zhì)中非均勻性隨著時間和空間起伏變化，輻射聲線彎曲(折射)的性質(zhì)也隨之不斷地發(fā)生變化，小規(guī)模非均勻性和媒質(zhì)的垂直層化都將導(dǎo)致垂直面上產(chǎn)生聲束折射。另外還有海面、海底對聲波信號的反射作用，使得到達接收點的聲線不只一束，而是若干束折射或媒質(zhì)邊界反射的聲線。

因此，可在接收點上觀察到聲線數(shù)量及其入射角大小不斷變化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為信號多徑傳播效應(yīng)，簡稱多徑效應(yīng)。在實際條件下，到達接收點的信號與發(fā)射信號差別很大，而到達接收點上的入射波束數(shù)和波束的時間間隔，即多徑效應(yīng)的強弱，主要取決于聲源和聲接收器的相對位置，以及它們與媒質(zhì)邊界的相對位置。

2、多普勒效應(yīng)估算

多普勒效應(yīng)Doppler effect是為紀念奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。主要內(nèi)容為物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高（藍移blue shift）；在運動的波源后面時，會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，頻率變得較低（紅移red shift）；波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。

多普勒效應(yīng)原理示意圖

在本系統(tǒng)中，被定位單元預(yù)計運動速度在25m/s以內(nèi)，而水聲速度假定為1000m/s，工程上可以認為運動速度“遠小于”水聲傳播的速度，計算時候?qū)⒍嗥绽招?yīng)忽略。

3、猝發(fā)模式白噪聲

多徑效應(yīng)主要引起平滑衰落，其表現(xiàn)形式為隨機時間間隔內(nèi)信號振幅完全消失或急劇降落。信號的相位失真與海洋媒質(zhì)的時空特性有關(guān)， 與振幅變化的關(guān)系卻不明顯。水聲信號的振幅和相位失真還伴隨有頻率失真。其中，相位失真程度將直接影響三維定位的精度。

為了盡量減小多徑效應(yīng)等多種信號干擾情況，發(fā)聲單元信號以猝發(fā)白噪聲方式發(fā)聲為佳，猝發(fā)白噪聲為模式如下圖所示。一般情況下，猝發(fā)周期可以設(shè)置為0.3~1S左右，持續(xù)時間設(shè)置為0.05~0.5S左右，具體周期參數(shù)與發(fā)聲單元特性和項目最終需求為準。

猝發(fā)激勵示意圖

發(fā)聲信號波形示意圖

接收到的信號(處理后)

水聲信號示意圖

分布式采集基站同步原理及精度分析

1、信號同步采集機制介紹

系統(tǒng)同步采集與我們常規(guī)上的同時采集不同，它不僅僅是要同時開始，還需要開始之后，每一個數(shù)據(jù)點都是對齊的。通過共享定時和同步可以實現(xiàn)系統(tǒng)同步，能大大提高測量精度，實現(xiàn)高級觸發(fā)方案，或者將多個設(shè)備同步作為一臺整體設(shè)備運行，適用于需要極高通道數(shù)、或者分布式終端采集的應(yīng)用。

系統(tǒng)采樣同步原理

（1）系統(tǒng)時基對齊

時基就是時間基準的意思，電子線路中主要用來表示數(shù)字電路中的基準時鐘；系統(tǒng)時基決定特定采集或者運算的節(jié)奏。時基信號對齊，可以使得不同的系統(tǒng)終端信號節(jié)拍一致，不會由于運行時間過長而產(chǎn)生累積誤差。

如果兩個系統(tǒng)共享時基，或者時基完全對齊，就可以保證系統(tǒng)運行終端同步穩(wěn)定。

（2）系統(tǒng)共享觸發(fā)

觸發(fā)類似一個通知信號，當(dāng)各個終端接收到觸發(fā)信號之后，就開始采集；只要保證觸發(fā)信號能夠同時到達不同的系統(tǒng)終端，就能保證每個終端的開始是完全對齊的。

觸發(fā)信號一般以物理上升沿電平最為常見、實用；當(dāng)終端接收到觸發(fā)信號之后，就開始在下一個時鐘周期開始的時候，正式采集信號。

只要能夠保證分布式終端共享時基（或者同步時鐘信號），然后再去讓這些終端在某一個時刻開始采集，就能夠保證每個采集得到的點在時間上都是對齊的。這樣的采集過程才是我們所說的同步采集，才能保證系統(tǒng)同步精度和運行的穩(wěn)定性。

常見同步性能指標對比

以上圖中展示了幾種常見的同步方式的同步精度介紹，不同的同步方式，所能達到的精度不同。以同步實現(xiàn)方式而言，大致可以分為兩類：

（1）基于信號的同步

（2）基于時間的同步

2、基于信號的同步機制

基于信號的同步機制中最典型的就是PXI機箱內(nèi)部的同步方式。

PXI機箱定時與同步原理示意圖

3、基于GPS時間的同步：本系統(tǒng)采用基于GPS時鐘的同步方式

GPS同步是以GPS衛(wèi)星系統(tǒng)為絕對時間基準的定時實現(xiàn)方法，它提供一個準確的參考時間，將多個獨立的系統(tǒng)的時間同步在一起。GPS信號實現(xiàn)的同步是基于時間同步的典型代表，除此之外，還有1588等其他更多的同步機制。

（1）GPS同步 – 開始采集

由于每一個系統(tǒng)終端中可以通過GPS讀取到當(dāng)前的絕對時間，因此，可以設(shè)定一個時刻（比如：15:30:15.000開始采集），系統(tǒng)就不斷的去判斷時間是否到了設(shè)定時刻，當(dāng)?shù)竭_時刻之后，就開始采集。

獲取當(dāng)前絕對時刻

（2）GPS同步 – 時鐘同步

每一個終端雖然可以通過GPS絕對時刻值來控制終端觸發(fā)開始，實現(xiàn)同一時刻開始采集，但僅僅這樣還是不夠的。系統(tǒng)同步除了觸發(fā)之外，還需要一個同步時基，保證后續(xù)采集的節(jié)拍一致，不會產(chǎn)生累積誤而同步效果。

因此，每一個終端還需要有一個時鐘對齊功能，不斷將自己的采樣時鐘信號與GPS信號中的時鐘去對齊，從而控制后續(xù)每個終端的節(jié)拍都與GPS信號一致。以NI 9467為例，它則在FPGA中提供了一套對齊機制，保證各個終端后續(xù)采集同步。

采集基站時鐘與GPS對齊

軟件系統(tǒng)工作邏輯定義

依據(jù)需求，定制軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)水下目標的三維軌跡定位。由于分布式采集站點距離較遠，雖然可以建立wifi網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)各個終端之間以及終端與服務(wù)器之間的互通互聯(lián)；但由于信號衰減，wifi網(wǎng)絡(luò)無法實現(xiàn)所有通道數(shù)據(jù)的實時上傳。這種情況下，可以設(shè)計以下離線定位模式，先采集數(shù)據(jù)，然后再離線上傳計算運動軌跡，系統(tǒng)大致運行邏輯如下：

系統(tǒng)軟件工作（離線定位）邏輯定義

如果希望實現(xiàn)實時定位，可以組建有線網(wǎng)絡(luò)，或者設(shè)法增強無線網(wǎng)絡(luò)帶寬即可。有線網(wǎng)絡(luò)的解決方案一般有光纖網(wǎng)絡(luò)可以選擇，除了必要的通信部件之外，在網(wǎng)絡(luò)接口部分需要做相應(yīng)的防護。增加無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的方式是使用定向天線或者增加網(wǎng)絡(luò)中繼、或者增加無線發(fā)射器的功率，具體情況考慮項目實施的各個因素，選擇最優(yōu)方式即可。不過一般情況下，搭建有線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的成本較高。