Gold宽带编码在水声定位信号中的应用研究∗

2021-05-25

舰船电子工程 2021年4期

（中国人民解放军91388部队湛江 524022）

1 引言

水声定位在海洋开发和海洋勘探等领域发挥着极其重要的作用，长基线水声定位由于其基线长，测量区域大，测量精度高［1］，在水下UUV等运动目标航迹测量中发挥了很大的作用，在以往的长基线水声定位中使用的合作信标信号大部分是CW窄脉冲信号，主要由于其信号简单、且时延分辨率高，易于实现，但由于其脉宽窄，声传播距离近，信号抗干扰及隐蔽性较弱，从而影响整个系统的测量范围及应用场景。鉴于宽带编码信号具有可靠性高、抗干扰能力强，隐蔽性好等特点，本文探讨将Gold宽带编码信号应用到定位系统中，使系统在浅海、多径和强干扰环境下实现远距离、高精度定位。

2 长基线水声定位原理

长基线水声定位系统是经典系统，在海上进行水下运动目标定位测量时，一般在海面或海底布放3枚以上测量阵元，阵元间隔3km～5km，构成测量阵，阵元自身的位置由其内部的GPS定位系统给出，目标安装有合作声信标，阵元水听器接收目标合作声信标按一定间隔发射的脉冲信号，从而进行时延估计［2］。测量系统根据信标发射信号的时刻是否同步选择球面交汇法或双曲面交汇法进行目标位置结算，这就是长基线水声定位系统的基本原理［3～5］。

3 Gold序列的产生原理

Gold码是伪随机码的一种，由R·Gold提出，可基于m序列产生［6］。

Gold序列是为了解决m序列个数不多且m序列之间的互相关函数值不理想而提出的，它是用一对周期和速率均相同的m序列优选对模2加后得到的［7～8］。每改变两个m序列相对位移就可得到一个新的Gold序列，当相对位移2n-1位时，就可得到一族2n-1个Gold序列，再加上两个m序列，共有2n+1个Gold序列码。其发生器结构框图如图1所示。

图1 Gold序列发生器

Gold序列地址数远远大于m序列地址数，不同的序列码载频相同的频率、带宽、脉宽的信号，从而获得不同的目标数［9～11］。Gold序列是常用的一种准正交序列，其相关函数的旁瓣低，序列间近似正交［12］。

图2为Gold信号模糊度函数，具有图钉函数特征，相关峰值在时间域具有很好的分辨性能。基于Gold编码信号良好自相关性及互相关性，且其数量要大于伪随机序列，实际使用过程中，可根据不同的运动目标，只需要采用不同的扩频Gold码即可实现相同频率、带宽、脉宽信号的多个不同目标的跟踪测量，在多目标跟踪测量中具有很好的效果。

图2 为Gold信号模糊度函数

4 Gold码扩频信号的检测仿真

为了检验Gold编码信号在长基线水声定位中作为目标信号的检测精度及测时精度，对不同脉宽和阶数Gold信号采用相关检测，参数设置如下：

1）载波频率：10kHz；

2）采样率：40kHz；

3）带宽：1.67kHz；

4）信号宽度：37.8ms（6阶）、76.2ms（7阶）、153ms（8阶）、306.6ms（9阶）、613.8ms（10阶）。

图3、图4为不同脉宽Gold信号在不同信噪比下的检测概率及检测精度。从图中可以看出，采用相关处理的Gold信号（大时间带宽信号）可检测性随脉宽及信噪比的增加而明显增强，脉宽增加一倍时，检测能力提高3dB，与宽带信号的相关处理增益理论值10logBT相符，相同脉宽Gold信号的检测精度随信噪比增大而提高，当信噪比增大到一定程度时，相关峰最大值检测标准差降低至几乎为0，具体情况如表1所示。

图3 Gold信号检测概率

图4 Gold信号测时精度

表1 不同脉宽gold信号相关检测情况

5 CW、Gold编码隐蔽性分析

就信号检测来讲，CW信号主要用能量检测，Gold编码信号可以用相关检测。考虑使用过程中的隐蔽性，发射信号的能量在时域和频域上不能明显高于环境噪声。下面对CW信号和Gold编码信号进行时频分析，假设接收端的信噪比为-3dB，信号时长500ms，载频为10kHz，采样频率为40kHz。图5、图6给出它们的LOAF图。

从图5、图6的对比可以发现，扩频信号的LOAF图较CW的要模糊，对于被动声纳来说，难以进行有效的时频域检测和估计。从以上对比中可以初步判定，扩频信号的可侦测性能要优于CW信号，因此在考虑隐蔽条件下的使用Gold编码信号更合适。

图5 CW信号的LOAF图

图6 伪随机码扩频信号的LOAF图

6 海上试验验证

在南海某海域进行了验证试验，声源船距接收阵元约9.9km，声源深度约30m，接收阵元深度约60m，声源发送载频为16kHz的Gold编码信号，带宽为2kHz，脉宽1023ms，接收阵元根据接收GOLD编码信号，信号发射与接收处理周期5s。信号处理采用匹配滤波相关峰处理，获得传播时延值。其结果如图7所示，从图中可以观察到接收信号较明显。

图7 探头接收Gold信号时域波形

对接收信号进行模糊度分析，并画出接收直达波的三维模糊图，分别为信号时延偏移为0时的模糊图截面和频率偏移为0时的模糊图截面，如图8所示。从模糊图截面中找到-3dB幅度值对应的时延差、频率差，即为接收信号的时延、频率分辨率，从图中可知其时延分辨率为0.6ms，频移分辨率为0.89Hz，由此可知，采用Gold编码信号，有很好的时延分辨率和频移分辨率。将滤波后的信号与本地参考的解析信号进行匹配滤波如图9所示，相关峰比较明显。

图8 接收GOLD编码时延和信号频移分辨率曲线

图9 探头接收最远GOLD编码信号匹配滤波结果

取前峰的时间为1.457827s，考虑距离模糊情况，此时接收信号是跨周期的，应加上信号接收处理周期5s，减去接收基阵0.03s的固有时延，实际信号传播时间为6.427827s，声速按照实际的1534.5m/s进行计算，得到的距离约为9.847km，考虑到海流对阵元位置造成的偏移，可认为与实际距离基本相近。

Gold编码信号由于其辐射能量较高，相关处理增益也高，可有效增加信号的传输距离。但其对频率较为敏感，在进行相关峰处理时，可使用频率查找方式，寻找幅度最高的相关峰为最佳时延检测结果。