基于Compact RIO的声信号处理模块在超短基线定位中的应用∗

于 平 郭燕子

（91388部队 湛江 524022）

1 引言

超短基线（USBL）定位系统通过测量信号到达接收单元各通道之间的相位差来估算目标方位，再通过测量目标到接收阵之间的斜距来实现定位，而斜距的测量靠测定信号在目标和接收阵之间的传播时延来实现。USBL系统一般在高输入信噪比条件下工作，通带内的输入信噪比通常要大于15dB，由于噪声的干扰，信号的相位会产生起伏，同时也存在时延测量的误差，从而直接影响定位精度［8～11］。

本文提出一种基于Compact RIO嵌入式系统的声信号处理模块，用以实施信号采样、存储及处理各种不同类型的模拟信号，通过结合Compact RIO高速数据处理能力和LabVIEW图形化开发环境，实现实时水声信号采集、处理，并应用于超短基线定位系统中。水下定位试验验证了模块的可行性和实用性，定位精度满足系统设计要求。

2 浮标式超短基线定位

浮标式超短基线组合定位系统采用常规的超短基线定位方法对水下目标进行定位［8～11］，时差或时延采用最大似然估计。

系统包括四元超短基线水听器阵、模拟接收机、Compact RIO信号处理器、同步时钟接口以及终端处理机等。方位姿态信号与GPS信号经串口连同接收水声信号传送到Compact RIO进行解算。如图1所示，浮体在海面上漂浮，星站式GPS的天线等效中心安装在浮体中位于圆形结合面的中央，天线要高出海洋的水平面。高精度的航向姿态传感器，能给出浮体及短基线中心精确的航向角、纵倾角和横摇角。浮体的延长杆底部安装一个超短基线阵，对目标声源进行声学定位。

3 基于Compact RIO的声信号处理模块设计［1～7］

采用拥有可编程自动化控制器RT和FPGA的Compact RIO设计数字信号处理机。数字信号处理机硬件平台可以对4个通道进行数据采集，同时和2个标准串口连接，完成信号处理器与终端处理器、差分GPS、方位姿态仪的数据通信。水声信号经过模拟接收电路后，Compact RIO对四路水声信号作相关处理得到时延值，结合同步周期内采集到的方位姿态仪和差分GPS的数据进行定位修正处理，解算出目标声源的位置坐标。

3.1 信号采集

信号采集直接决定对水声信号分析的准确度，在整个系统中占有很重要的地位。根据乃奎斯特定理，最低采样频率大于信号频率的2倍，选择采样频率一般设置为输入信号最高频率的7～10倍，在此情况下，就可以正确地还原波形，得到理想的波形。

3.2 IIR滤波器

数字滤波器是通过一定运算关系滤除输入信号的某些频率成分或改变某些频率成分的相对比例的器件。

根据系统要求只需调整式（1）中的ak和bk即可符合滤波器的技术指标。程序框图如图2。

3.3 信号包络提取

通常用希尔伯特幅值解调法来提取信号的包络，其原理图如图3所示，信号包络提取程序如图4。

如x（t）为原始信号，y（t）为滤波后的信号，则y（t）的 Hilbert变换为

3.4 RT处理器

RT是实时处理器，主要完成从FPGA中取出数据，测出相关时延，同时读取GPS和姿态仪数据，结合超短基线数据对吊放声源进行定位，同时将定位结果传送到终端处理机，如图5所示。对GPS数据读取是一样的。

4 水下试验

进行了浮标式短基线定位系统对吊放目标声源的水中定位试验。目标声源吊放深度为40m，在顶部装有GPS，提供一个参考位置，由于是在湖中试验，忽略水流影响，近似认为GPS位置即为吊放声源位置。我们在水平面内距浮标式短基线定位分系统距离分别为5m、12.5m和18.7m的三个位置进行了试验，如图6。

表1 标准误差图

以吊放式声源顶部的GPS位置为原点，利用中分纬度法，给出在一段观察时间内，实测值和参考值在平面坐标中的位置关系，定位结果发现，在A、B、C三个测量点的测量值和参考值基本上是重合的，说明系统的测量结果是可靠的。在三个位置时X方向（正北方向）和Y方向（正东方向）的测量值的标准差如表1所示。

5 结语

本文利用虚拟仪器技术，结合NI公司的Com⁃pact RIO编程控制器及主控计算机，实现了一套集数据采集、存储、显示和信号实时处理于一身的超短基线数据处理综合系统。系统可以独立完成水声阵列信号的采集和大运算量的实时信号处理，本系统开发周期短、效率高，其可靠性、稳定性、测试精度等方面性能优越，并具备良好的扩展性和可维护性，有着广泛的应用前景。

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