郭亞靜 李寧 姚金杰 王黎明

摘 要：針對淺海海域的水聲環(huán)境復雜多變，由水聽器直接觀測的信號常常被一些噪聲覆蓋的情況，提出一種基于包絡相關的水下動態(tài)節(jié)點測距方法，并實現(xiàn)對水下動態(tài)節(jié)點進行精確的距離測量。根據(jù)測距信號在淺海水域信道傳播的特性，對接收到的信號進行巴特沃斯粗濾波、小波變換細去噪、包絡相關的方法處理，有效保留信號的邊沿、突變的信息，去除噪聲的影響，通過將兩通道的信號進行包絡相關取得精確的時延差，并依據(jù)距離公式對節(jié)點間的距離進行精確測量。水域實驗結果表明，通過比較節(jié)點間距離的誤差，算法測距精度達到13 cm以內。

關鍵詞：淺海水域；水下節(jié)點；包絡相關；精確測距

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2016）09-0096-05

0 引 言

水下動態(tài)目標測距廣泛應用在海洋試驗、海洋勘探和海洋軍事等領域，由于實際的水聲環(huán)境復雜多變，由水聽器直接觀測的信號常常被一些噪聲污染，而無法對水下節(jié)點進行精確測距。節(jié)點定位信號常采用小波變換的方法處理，是為了對信號進行野值剔除和保留邊沿信息[1]。對于節(jié)點間的距離定位，文獻[2]將偽隨機二進制序列作為超聲擴頻測距的方法，提出一種基于FFT的偽隨機包絡相關快速時延估計的算法。文獻[3]闡述了對于無線傳感器網絡定位采用一種距離相關蒙特卡洛定位算法，通過利用節(jié)點的RSSI測距性能最小化未知節(jié)點所在的估計區(qū)域，提高對移動節(jié)點定位的精度。文獻[4]中提到我國第一套水下高精度定位導航系統(tǒng)，在水深為45 m處，定位精度達到了30 cm；國外超短基線定位系統(tǒng)在最大作用距離8 000 m時，定位精度為作用距離的0.5%～1.0%[5]。

淺海海域的聲線傳播由于海底、海面的反射和全反射作用，使得海中任何一點接收到的聲信號都是許多傳播途徑的疊加；而廣義互相關時延估計的抗噪聲性能有限，需要噪聲的先驗值[6]。因此根據(jù)本文系統(tǒng)中的淺海海域環(huán)境以及小范圍的測距，對信號采用粗濾波、細去噪的預處理方法，再對信號進行包絡相關，通過計算系統(tǒng)中節(jié)點間的時延差，依據(jù)距離公式來精確測量節(jié)點間的距離差。

4 結束語

針對本系統(tǒng)中聲定位信號特點，采用巴特沃斯粗濾波、小波變換細去噪、包絡相關的方法對信號取得距離差，同時與信號用廣義相關進行距離定位的方法進行比較，結果表明，本文提出的包絡相關距離測量方法誤差精度可達到13 cm以內，該算法可廣泛應用于目標定位、傳感器網絡監(jiān)視等領域，具有十分重要的應用價值。

參考文獻

[1] 沈亞東，張玉濤，程淑萍. 小波變換在水聲定位數(shù)據(jù)后置

處理中的應用[J]. 聲學技術，2011，30（2）：193-196.

[2] 程曉暢，蘇紹景，王躍科，等. 偽隨機碼超聲擴頻測距系統(tǒng)設計與算法[J]. 測試技術學報，2007，21（1）：79-83.

[3] 彭保，顧學邁，丁博. 動態(tài)傳感器網絡中距離相關的蒙特卡洛定位算法[J]. 科學技術與工程，2008，8（18）：5300-5303.

[4] 畢京學，郭英，甄杰，等. 水下無線傳感器網絡定位技術研究進展[J]. 導航定位學報，2014，2（1）：41-45.

[5] TAN H P， DIAMANT R， SEAH W K G， et al. A survey of techniques and challenges in underwater localization[J]. Ocean Engineering，2011（38）：1663-1676.

[6] 盛成明. 基于廣義互相關法的水下被動測距時延估計技術[J]. 艦船電子工程，2011，31（5）：149-152.

[7] PEZESHKI A， AZIMI-SADJADI M R， SCHARF L L. Undersea target classification using canonical correlation analysis[J]. IEEE Estimation Method of General Cross Journal of Oceanic Engineering，2007，32（4）：948-955.

[8] 楊海，李凱，閆鑫. 水下傳感器網絡節(jié)點定位信號檢測的設計[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（60：79-81.

[9] WU Z H， LI X. An improved underwater acoustic network localization algorithm[J]. China Communications，2015，12（3）：77-83.

[10] CHENG X Z， SHU H N， LIANG Q L， et al. Silent positioning in underwater acoustic sensor networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology，2008，57（3）：1755-1766.

[11] TOMIC M， SERSIC D. Point-wise adaptive wavelet transform for signal denoising[J]. Informatica，2013，24（4）：637-656.

[12] 易云清，徐漢林，沈陽. 時差定位模型與定位精度分析[J].電子信息對抗技術，2010，25（3）：16-20.

[13] 沈鋒，蓋猛，賀瑞. 一種基于小波變換的偽碼跟蹤環(huán)路多徑抑制方法[J]. 宇航學報，2012，33（11）：1667-1673.

[14] VENKITARAMAN A， SEELAMANTULA C S. Fractional Hilbert transform extensions and associated analytic signal construction[J]. Signal Processing，2014（94）：359-372.

[15] ZHANG Q， ZHANG C J， LIU M Q. Local node selection for target tracking based on underwater wireless sensor networks[J]. International Journal of Systems Science，2015，46（16）：2918-2927.

（編輯：李妮）