深海声探测中伪随机编码信号的仿真研究

郭璇，郭英歌，王润田



深海声探测中伪随机编码信号的仿真研究

郭璇1,2，郭英歌1，王润田1

(1. 中国科学院声学研究所东海研究站，上海 201815；2.中国科学院大学，北京 100049)

目前国际上正在使用多脉冲(MultiPing)探测方式来解决深海探测中探测效率不高的问题，但可能存在回波识别和波达时间定位的问题，提出了利用伪随机编码信号的解决方法。以6 000 m深海海底探测为研究对象，设计发射不同编码信号，对其回波识别和定位进行了仿真和比较，同时对不同编码类型的回波识别性能随噪声变化情况进行了讨论。Walsh码拥有更加出色的回波识别性能，但在波达时间定位方面易出现误差，同时随着噪声的增强，回波识别性能明显下降；m序列拥有出色的波达时间定位性能，但回波识别性能不如Walsh码；Gold码在回波识别性能和波达时间定位性能方面有着较好的平衡表现。

伪随机序列；编码信号；深海探测；回波识别；波达时间定位

0 引言

传统单波束声呐以单次收发为探测周期，通过避免回波信号的交叉而得到与发射信号的对应关系[1]。在深海海域，从海面对海底进行探测时，单波束探测周期往往达到几秒的时长。若以相同时间内的探测次数来描述探测效率，则其相比浅海明显降低。同时，伴随船体的行进，相同水平距离内的探测点个数明显减少，以致测线上的水平分辨率降低。

目前，国际上能够实现6 000 m及以上水深的声学探测设备大多应用MultiPing技术来改善这一问题[2]。即在深海探测过程中，以较短时间间隔(小于信号双程传播时间)连续发射声信号，保证同一时间内海洋信道中存在多列声信号共同传播，并以约等于发射间隔的时间采集回波信号。如美国Benthos公司生产的ChirpⅢ设备[3]、SyQuest公司生产的Bathy2010TMCHIRP设备[4]等。但这种方法主要存在以下两点缺陷：①不能明确回波信号的与发射信号的一一对应关系，回波信号顺序因海底地形起伏而改变，不同于发射顺序，或回波信号漏采集时将会出现数据无效的后果。②因回波信号存储长度的限制，往往去除了部分水体数据，以致系统无法确认回波信号的发射时间，需通过海底跟踪或人工预设来完善数据，容易产生误差。

针对以上问题，本文提出了基于伪随机编码信号的MultiPing技术，即以互不相同的伪随机序列编码声信号进行较为连续的探测。通过将发射信号与各列回波分别进行相关运算，根据伪随机编码良好的互相关特性，利用与之对应回波处的高相关峰值和其他回波处的低相关峰值的差异，即可实现回波的识别，获取与发射信号的一一对应关系。同时，只要采集到经过编码的回波信号，利用编码良好的自相关特性即可实现波达时间定位。

实际应用中，对伪随机编码信号的选择需考虑三点因素：①回波识别性能；②波达时间定位性能；③固定长度下可用的编码数量。回波识别性能以发射信号分别与各列回波信号相关运算得到的最大峰值与次大峰值差异的大小来衡量；时间定位性能以发射信号与对应回波信号相关主峰的尖锐程度和旁瓣高低来衡量。

本文在理论层面对三种编码的相关特性进行了比较，对深海条件下三种伪随机编码信号的回波识别和定位分别进行了仿真分析。

1 编码特性比较

m序列、Gold码、Walsh码是三种具有代表性的伪随机编码，是0和1构成的二值序列。其生成已有十分成熟的方式，文中不做过多赘述。因编码序列具有周期性，而发射信号长度有限，本文应用只取其一个周期来产生对应的编码信号。

好的回波识别性能要求编码具有足够低的互相关峰值，互相关峰值愈小，识别性能愈佳；精准的波达时间定位要求编码具有尖锐的自相关峰和较低的旁瓣。同时，固定长度下需存在足够多的编码数量以满足实际应用的需求。

根据文献[5-7]，从自相关、互相关、编码数量三方面对单周期编码序列进行比较，结果如下表1所示。

表1 不同编码信号的性能比较

2 深海应用中三种编码信号性能的仿真分析

基于MATLAB建立6 000 m深海仿真系统。向海底发射伪随机编码信号，假设各列信号传播路径相同，海水声速起伏引起的相对差异为零，并设置等声速环境，声速为1 500 m·s-1。

2.1 回波识别性能

为描述回波识别性能，定义参数辨识因子为：多列回波信号通过相关滤波器后，最大相关峰值与次大相关峰值之差。

图1 编码信号生成

图2 信号传播示意图

图3 m序列的回波信号

图4 m序列信号回波识别效果图

图5 Gold码信号回波识别效果图

图6 Walsh码回波识别效果图

当海洋环境噪声具有较大波动时，回波识别性能随噪声的变化情况则是一项必须考虑的内容。

由图7可以看出同一信噪比下辨识因子的大小：Walsh码>Gold码>m序列。随着噪声的增大，辨识因子减小的速度：Walsh码>m序列≈Gold码，m序列和Gold码回波识别性能受噪声影响较小，且这两类编码变化的趋势几乎没有差别，而Walsh码回波识别性能受噪声影响下降明显。

图7 不同编码类型辨识因子随信噪比的变化曲线

2.2 时间定位性能

从图8中可以看出，m序列编码信号进行波达时间定位时，在理论波达时间8.2 s处，相关峰值尖锐，旁瓣低至-10 dB，可以获得较为精准的时间定位。

图8 m序列时间定位效果图

图9 Gold码时间定位效果图

图10 Walsh码时间定位效果图

从图9中可以看出，Gold码编码信号进行波达时间定位时，在理论波达时间8.2 s处，相关峰值同样尖锐，旁瓣虽然比m序列略高，在-7 dB左右，但对实际影响不大，亦可获得较为精准的时间定位。

从图10中可以看出，Walsh码编码信号进行波达时间定位时，在理论波达时间8.2 s处，相关包络下降十分缓慢，旁瓣很高，易受到干扰而引起偏差，相对前两类编码表现不佳。

3 总结

本文利用通信中码分多址的思想，提出在时间上较为连续地发射伪随机编码信号，并通过其优良的相关特性实现回波识别和波达时间定位的方法。

对三种伪随机编码信号在自相关定位、互相关回波识别和编码数量三方面进行比较，得到以下结论：

(1) m序列编码信号自相关定位性能最佳，互相关回波识别性能较好，但存在数量较少的问题。

(2) Gold码编码信号自相关定位和互相关回波识别均有较好的平衡表现，数量也较多。

(3) Walsh码互相关回波识别性能最佳，但自相关包络下降缓慢，易出现定位偏差。

因此，在实际应用中，若更加注重获得好的回波识别性能，在波达时间定位精度上可做适当让步，则可优先考虑使用Walsh码；若更加注重获得精准的波达时间定位，接收端噪声类似白噪声，则可优先考虑使用m序列和Gold码。另外需要注意的是，在环境噪声变化比较大的情况下，Walsh码回波识别性能虽然比m序列和Gold码较好，但其随噪声的增强下降明显，应考虑其对系统中其他相关因素的影响。

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HU Changshun. System simulation design of single beam echo sounder[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2012.

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[3] Benthos Corporation. CAP-6600ChirpⅢ acoustic profiling system manual[OL]. 1996. http://www.benthos.com.

[4] SyQwest Incorporation. Bathy 2010TMCHIRP sub bottom profiler and bathymetric echo sounder[OL]. 2011. http://www. syqwestinc. com.

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Simulation of pseudo-random coded signals for the acoustic detection in deep-sea

GUO Xuan1,2,GUO Ying-ge1, WANG Run-tian1

(1. Shanghai Acoustics Laboratory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201815, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

At present, the MultiPing detection method is being used to solve the problem of low detection efficiency in deep sea exploration, but there may be some problems in echo recognition and TOA (time-of-arrival) location. In the paper a solution using pseudo-random coded signals is proposed. Taking 6000 m deep sea bottom detection as the study object, different coded signals are designed and transmitted, and their echo recognition and location are simulated and compared. At the same time, the variations of echo recognition performance of different coding types with noise are discussed. The study shows that the Walsh code has better performance of echo recognition, but errors are easy to occur in TOA location, and the performance of the echo recognition is obviously decreased with the increase of noise. The m sequence has excellent performance of TOA location,, but the performance of echo recognition is not as good as that of Walsh code. The Gold code has a good balance between echo recognition performance and TOA location performance.

pseudo-random sequence; coded signal; deep sea exploration; echo recognition; TOA (time-of-arrival) location

TB56

A

1000-3630(2019)-01-0046-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.007

2018-02-06;

2018-03-28

中国科学院声学研究所率先计划项目(SXJH201610)、上海市科委科研计划项目(16DZ1205300)。

郭璇(1993－), 女, 山西运城人, 硕士, 研究方向为声学信号处理。

郭璇,E-mail: guoxuan167@163.com