在進(jìn)行船舶、潛艇等航器的設(shè)計(jì)工作過(guò)程中，需要對(duì)航模進(jìn)行各種水池試驗(yàn)工作。在試驗(yàn)水池中對(duì)航模進(jìn)行航跡測(cè)量時(shí)，短基線系統(tǒng)在同等精度下相比于超短基線系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜度較低、抗混響和多途能力強(qiáng)，且成本較為低廉，因此得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)在試驗(yàn)水池中布放短基線水聲定位系統(tǒng)，可以很方便地測(cè)量航模在水中航行的軌跡、航跡數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)，通過(guò)融合計(jì)算即可得以驗(yàn)證和優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)。

    在雷達(dá)、無(wú)線電領(lǐng)域，全數(shù)字化接收機(jī)概念的提出受到了普遍的關(guān)注，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，以大規(guī)模可編程邏輯器件（FPGA）為處理核心的軟件雷達(dá)、無(wú)線電系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。FPGA其內(nèi)部資源豐富，可以并行實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)處理算法，其速度和效率在某些方面優(yōu)于一般的專用信號(hào)處理器件。
    本文通過(guò)使用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷鳛楹诵牡亩袒€定位系統(tǒng)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)的接收和處理，有效地降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和成本，從而實(shí)現(xiàn)了一套高精度的短基線水聲定位系統(tǒng)，并成功地應(yīng)用于某研究所的航模試驗(yàn)。
1 同步短基線定位原理
    水聲定位是通過(guò)測(cè)量目標(biāo)聲信號(hào)從發(fā)射到基陣接收所經(jīng)歷的時(shí)延來(lái)測(cè)量聲源到各個(gè)基元的距離，然后通過(guò)平面或者球面相交即可測(cè)量和確定目標(biāo)相對(duì)于基陣的方位。
    根據(jù)目標(biāo)聲信號(hào)的不同，水聲定位系統(tǒng)區(qū)分為目標(biāo)攜帶聲信標(biāo)的主動(dòng)定位測(cè)距和不攜帶聲信標(biāo)的被動(dòng)定位測(cè)距；根據(jù)聲信標(biāo)時(shí)間測(cè)量方式的不同，分為同步定位和異步定位。
    對(duì)于主動(dòng)同步定位系統(tǒng)，通過(guò)在目標(biāo)上安裝高精度的同步時(shí)鐘并與接收機(jī)內(nèi)部同步時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)鐘同步，可以確知目標(biāo)發(fā)射信號(hào)的時(shí)間。在測(cè)量過(guò)程中，經(jīng)接收機(jī)測(cè)出信號(hào)從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時(shí)間并聯(lián)合聲速即可確定目標(biāo)相對(duì)于接收基陣的空間位置。同步方式可以使系統(tǒng)達(dá)到很高的精度，但同步誤差會(huì)隨時(shí)間累積逐漸增大，因此長(zhǎng)時(shí)間定位時(shí)精度不高。隨著高精度恒溫晶振的技術(shù)發(fā)展，在有限時(shí)間內(nèi)的時(shí)鐘誤差較小，完全可以滿足航模試驗(yàn)的要求。
   

    聯(lián)立這兩個(gè)方程，即可得到2、3、4號(hào)基元解算對(duì)應(yīng)的目標(biāo)位置。為了提高測(cè)量精度，將每三個(gè)陣元的合圍區(qū)域定義為一個(gè)象限，當(dāng)目標(biāo)位于兩個(gè)子陣的象限重疊區(qū)域時(shí)，將兩個(gè)子陣的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行判別處理，以提高測(cè)量精度，同時(shí)也有利于減少偶然誤差的影響。
    得到目標(biāo)位置(xs，ys)后，代入式(1)中，即可得到兩個(gè)目標(biāo)深度解，其關(guān)于基元深度z1對(duì)稱。由于基元布放深度比航模要深，此時(shí)選取zs<z1的解即是正確的目標(biāo)深度。
2 短基線定位系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)
    定位系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：(1)信標(biāo)發(fā)射機(jī)；(2)定位接收機(jī)；(3)計(jì)算機(jī)顯控平臺(tái)。其各組成部分的功能如圖2所示。

2.1 信標(biāo)發(fā)射機(jī)原理
    信標(biāo)發(fā)射機(jī)功能組成如下：
    （1）同步鐘：為系統(tǒng)提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，以此產(chǎn)生信標(biāo)信號(hào)。本系統(tǒng)采用南京新聯(lián)電訊生產(chǎn)的高精度恒溫晶體振蕩器，頻率為5 MHz，精度為0.005 ppm，通過(guò)對(duì)晶振頻率微調(diào)校準(zhǔn)，可以滿足4 h累計(jì)時(shí)間誤差不超過(guò)20 ?滋s的精度要求，換算成距離測(cè)量誤差為3 cm。
    （2）信標(biāo)控制器：按照時(shí)間基準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)功率放大器發(fā)送信標(biāo)信號(hào)；根據(jù)同步連線和定位接收機(jī)進(jìn)行時(shí)基同步。
    （3）功率放大器及發(fā)射換能器：功率放大器采用MOSFET驅(qū)動(dòng)的D類(lèi)功率放大器，特點(diǎn)是體積小、發(fā)射功率高。信標(biāo)信號(hào)的基本形式為CW脈沖，頻率為72 kHz，脈沖寬度為0.8 ms；發(fā)射換能器采用球形無(wú)指向性換能器。
2.2 定位接收機(jī)原理
    定位接收機(jī)功能組成如下：
    （1）接收基陣：基元內(nèi)部安裝有收發(fā)合置的前置放大器，用于接收信標(biāo)聲信號(hào)，將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大后傳送至多通道接收機(jī)供后續(xù)處理。
    （2）多通道接收電路：對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行濾波、放大和時(shí)間增益控制處理。設(shè)計(jì)中通過(guò)FPGA控制器控制功率型繼電器選通功率放大器和指定的發(fā)射換能器，分時(shí)完成基陣陣元的校準(zhǔn)測(cè)量。
    （3）信號(hào)處理電路：對(duì)系統(tǒng)的工作進(jìn)行控制管理；完成接收信號(hào)的前置處理，將處理結(jié)果送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)跡解算；根據(jù)計(jì)算機(jī)控制命令完成基陣校準(zhǔn)。信號(hào)處理機(jī)核心部件以大規(guī)模FPGA（型號(hào)為Altera公司的EP3-
C25Q240）作為控制器，可以并行同步完成4個(gè)基元的接收信號(hào)的采集和處理。EP3C25具有比較豐富的資源，包含了約2.5萬(wàn)個(gè)邏輯單元、132個(gè)9 bit硬件乘法器、約61 Kb存儲(chǔ)單元、4個(gè)鎖相環(huán)。
3 時(shí)延測(cè)量原理及仿真分析
3.1 數(shù)字正交接收機(jī)原理和FPGA實(shí)現(xiàn)
    模擬接收機(jī)采用模擬器件完成解調(diào)等工作，為保證正交支路信號(hào)的一致性，需要復(fù)雜的輔助電路, 但仍難以克服像乘法器這類(lèi)器件的非線性。數(shù)字正交接收機(jī)采用高穩(wěn)定度晶體振蕩器，通過(guò)數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生的本地參考載波和數(shù)字量化后的接收信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，然后使用數(shù)字信號(hào)處理算法自適應(yīng)完成信號(hào)檢測(cè)和判決[1]。
    根據(jù)數(shù)字正交接收的原理，本文提出一種改進(jìn)的正交接收機(jī)方法，在高信噪比的條件下可以大大降低程序的復(fù)雜度和運(yùn)算量，減少FPGA資源的消耗。改進(jìn)后的正交接收機(jī)原理框圖如圖3所示。

    對(duì)設(shè)計(jì)中FPGA資源結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析：(1)NCO產(chǎn)生的正交數(shù)字信號(hào)的量化寬度為10 bit，輸入信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換精度12 bit，第一個(gè)乘法器輸出為了避免溢出，輸出結(jié)果為24 bit；(2)將乘法器輸出的結(jié)果去掉低8位后送入雙端口RAM(DPRAM)的輸入端口。這里利用DPRAM構(gòu)成一個(gè)滑動(dòng)窗結(jié)構(gòu)，在每個(gè)采樣周期中利用一個(gè)32 bit具有加減功能的加法器將DPRAM的輸入數(shù)據(jù)相加，然后再減去輸出數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成一個(gè)積分器；(3)將32 bit加法器的輸出結(jié)果去掉低8位后進(jìn)行平方，輸出數(shù)據(jù)為48 bit；(4)對(duì)I、Q兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)相加，構(gòu)成正交接收機(jī)的48 bit的輸出數(shù)據(jù)；(5)一個(gè)狀態(tài)機(jī)，用于數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的時(shí)序控制。
    經(jīng)過(guò)QuartusII編譯分析，這一結(jié)構(gòu)的資源使用情況如表1所示。

    本系統(tǒng)在一片F(xiàn)PGA中，使用4路接收機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的并行處理，有效地降低了系統(tǒng)軟件的復(fù)雜度。
3.2 自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)原理
    在門(mén)限比較判決中，門(mén)限值的設(shè)置依據(jù)有所不同，基本可分為固定門(mén)限值、基于恒虛警率(CFAR)準(zhǔn)則的自適應(yīng)門(mén)限值和最佳門(mén)限值三種。試驗(yàn)水池環(huán)境存在較為復(fù)雜的信道環(huán)境，接收到的信號(hào)由于水面、水底反射的影響以及距離變化的影響，容易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的干涉疊加而使得信標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的斷續(xù)起伏。因此必須采用自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)，以達(dá)到不同的信噪比情況下檢測(cè)系統(tǒng)的虛警概率是恒定的。在CFAR準(zhǔn)則下的門(mén)限值，當(dāng)虛警概率選擇恰當(dāng)時(shí)，其檢測(cè)性能逼近最佳門(mén)限[4-5]。
    由于改進(jìn)后的正交接收機(jī)近似地等價(jià)于平方律包絡(luò)檢波器，因此本文根據(jù)試驗(yàn)條件的具體情況，采用固定門(mén)限加采用基于信號(hào)能量的自適應(yīng)檢測(cè)方法，避免非高斯噪聲對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，減少自適應(yīng)門(mén)限的變化范圍，提高系統(tǒng)的可靠性。
    信號(hào)功率P是N 個(gè)采樣點(diǎn)的平均功率，為便于比較，一般取N和正交接收機(jī)積分長(zhǎng)度M相等。
  
3.3 仿真分析
    本文根據(jù)以上方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。圖5是信噪比20 dB時(shí)多途疊加下的接收信號(hào)的原始波形及正交輸出結(jié)果，以及經(jīng)過(guò)積分的信號(hào)和自適應(yīng)門(mén)限進(jìn)行比較判別的結(jié)果。通過(guò)仿真結(jié)果可見(jiàn)，自適應(yīng)門(mén)限判決可以很好地檢測(cè)到定位脈沖信號(hào)。

4 測(cè)量結(jié)果試驗(yàn)
    試驗(yàn)水池大小為60 m&times;50 m，試驗(yàn)過(guò)程先進(jìn)行基陣自校準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果為：1陣元(0，-14.91)；2陣元(-22.62，
0.01)；3陣元(0，14.91)；4陣元(24.54，0.23)，單位為m，聲速使用烏德公式通過(guò)測(cè)量溫度和布放深度修正為1 465 m/s。
    由于直接測(cè)量校陣結(jié)果和航跡測(cè)量結(jié)果比較困難，為了考核基陣測(cè)量精度和測(cè)跡精度，采用在x＞0、x＜0和x＝0(y＝0)附近區(qū)域，聲源在水平面內(nèi)做半徑為10.8 m的圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)量軌跡圓的直徑和圓度，即可驗(yàn)證定位系統(tǒng)的性能和精度。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
    通過(guò)分析不同位置單位圓航跡測(cè)量結(jié)果，可以驗(yàn)證系統(tǒng)的定位和測(cè)跡精度，測(cè)量精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，同時(shí)也驗(yàn)證了基陣自校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。軌跡圓測(cè)量分析結(jié)果如表2所示。

    在多通道同步數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，通過(guò)合理地使用FPGA處理器可以獲得比使用單個(gè)DSP處理器芯片更好的并行性。
    文中通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)測(cè)量進(jìn)行了驗(yàn)證，本系統(tǒng)使用FPGA作為系統(tǒng)控制器和信號(hào)處理器，在系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集控制、信號(hào)處理和通信傳輸多個(gè)功能，其并行性降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，因此具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。
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