水下便携式应答定位系统设计与实现_董伟佳.pdf

引 言超短基线定位设备作为一种水下定位的重要技术装备，具有尺寸小、安装与布放方便、维护简单以及使用灵活等优点1，被广泛应用于军事领域与民用领域，可以实现水下航行器定位、水下排爆与救援等2。超短基线定位系统主要通过换能器基阵测量声波信号在水中传播的时延或相位信息，从而定位水下目标。按照工作方式的不同，超短基线定位系统可分为同步式和应答式3两种。同步式超短定位系统在工作前需要进行时间同步操作，具有数据更新快、测量精度高等优点，但需要同步操作和长时间同步保持，存在使用复杂且硬件要求较高的缺点。应答式超短定位系统无须同步操作，利用询问与应答之间的往返声信号进行定位跟踪，具有灵活性高、使用便捷等优点，但存在定位更新速率慢、软件算法相对复杂等缺点。目前，国内外学者已对水下超短基线定位系统进行了大量研究。由于国外水声定位技术研究起步较早，已推出了一系列商用或军用的水声定位与通信系列产品，如美国雷神公司（Raytheon Company）、挪威康斯伯格海事公司（Kongsberg Maritime AS）以及英国 Sonardyne 公司等发布的产品，它们代表了当今世界水声定位技术的最先进水平。相较于国外，国内在水声定位领域的研究起步较晚，与国外存在一定的技术差距。近年来，随着2023年第47卷第4期28水 声 工 程水 声 工 程nderwater Acoustic EngineeringU军事和民用海洋工程技术的不断扩展，国内水声定位的相关设计和技术研究发展迅猛，越来越多的高校与科研单位参与相关技术的研究4，如中国科学院声学所、哈尔滨工程大学、厦门大学、中国船舶重工集团有限公司七一五研究所、西北工业大学以及中国电子科技集团公司第三研究所等。目前，国内水下定位技术研究能够为国防和民事应用提供较好的技术保障，但相关产品存在定位精度相对较低、定位距离短以及功耗较大等不足，还需进一步提高水声定位产品的性能。此外，国内水声定位相关技术产品因技术封锁或涉及敏感技术而无法满足国内对高性能水声定位的需求，尤其是在水下蛙人训练等应用中较为薄弱，尚未出现具备小型化、便携式水下高精度定位功能的超短定位系统工程应用。为此，文章从实际应用需求出发，开展基于三元阵的超短基线定位技术研究，并以模块化、小型化的设计方法实现一种水下基于应答的便携式超短基线定位系统，有效满足蛙人水下训练时的便携定位需求。1 系统总体设计1.1 系统组成与功能本文设计的水下便携式应答定位系统主要包括便携定位端和应答器两部分。便携定位端佩戴在水下蛙人腕部，主要发送定位询问信号，通过计算信号传输的时延与相位信息来确定应答器的目标方位信息。应答器作为应答定位系统的水下应答节点，主要完成长时间的定位询问信号值守监测，并完成定位应答信号的反馈。1.2 系统工作原理本文应答定位系统采用应答工作方式，即便携定位端与应答器配合使用，通过应答方式确定应答器的水下相对位置。应答定位系统原理如图 1所示。应答定位系统主要采用时间片轮询方式，通过便携定位端与应答器之间的相互应答，实现两者之间的相对定位功能。首先，通过操作便携端来触发系统按照设定的时间顺序、预订的信号形式向应答器发送定位询问信号，发送完毕后等待反馈的应答信号。其次，应答器在检测到定位询问信号后立即识别其来源，待识别后发送对应的定位应答信号。最后，便携定位端通过对定位应答信号的相位差测量来确定应答器的相对方位，通过应答时间差测量来确定相对距离。同时，便携定位端本地存储并反馈应答器的相对距离与方位等信息至上位机。实际应用中，可根据蛙人编队和执行任务情况，合理配置水下便携定位端与水下应答器数量。1.3 系统定位原理应答定位系统主要包括两部分，即测距和测向。其中，测距是通过测量定位应答信号往复到达时间差来实现5，测向则是通过测量阵元之间接收声信号的时延差来实现6。应答定位系统定位原理如图 2 所示。T(x,y,z)XTYZRro应答器图 2 应答定位系统定位原理假设应答器位于 T(x,y,z)，其在 XOY 平面的投影为 T(x,y,z)。便携定位端的基阵中心为坐标系原点，其余 2 个阵元分别位于 X 轴和 Y 轴上。应答器的径矢OT?与 X 轴、Y 轴的夹角分别为 和，则OT?的方向余弦分别为coscos12costantancosxR=（1）2221122coscos12costantancosxRyR=（2）式中：R 为应答器斜距。队员1队员 n水下便携定位端1水下便携定位端n水下应答器定位询问信号定位询问信号定位应答信号定位应答信号图 1 水下便携式应答定位系统工作原理2023年第47卷第4期29Underwater Acoustic EngineerinG水 声 工 程水 声 工 程R 的计算公式为2221122coscos12costantancosxRyRRxyzc t=+=（3）式中：c 为声波在水中的传播速度，t 为信号从便携定位端声源发送到基阵接收的传播时间。假设径矢OT?与 X 轴的水平夹角为，T 的水平斜距为 r，则其计算公式为1122coscos12costantancosxRyRRxyzc tyx=（4）22rxy=+（5）22zRr=（6）根据式（1）式（6），只需测得 R，的值即可确定应答器在 T 处的坐标7。由于接收阵元间距很小，声信号可近似为平面波。假设 X，Y 轴上两相邻接阵元间的距离为 d，接收信号的时延差为 x，则 x 的值为xyzRrc Rxd=（7）同理，y 的值为yzRrc RxdcRyd=（8）因此，实际应用中只需测得 x，y，c 以及 t的值，就可以确定应答器的实际位置。2 定位系统硬件设计综合考虑应用功能与工作流程等因素，应答定位系统的便携端和应答器采用一致的硬件架构。硬件系统主要由模拟接收模块、数字信号处理模块、功放模块、电源模块以及外围电路等部分构成，如图 3 所示。模拟接收模块主要完成接收信号的多级放大和滤波处理，输出一定幅度和信噪比的信号，以便进行模数转换。数字信号处理模块作为核心运算处理单元，一方面负责定位信号的调制、解调及编解码等工作，另一方面负责系统的待机值守与控制功能。功放模块完成与换能器的阻抗匹配，负责信号的发射。电源模块主要完成多路电源转换。2.1 模拟接收模块模拟接收模块主要完成换能器输出信号的预处理与采集，如信号的前级放大、带通滤波、后级放大以及模拟/数字（Analog/Digital，A/D）采集等。模拟接收模块的硬件架构如图 4 所示。2.1.1 前级放大与后级放大由于换能器输出的信号幅值一般为 mV 级或V 级，在进行 A/D 量化采集前需要进行一定的放大，将弱信号放大至接近 A/D 的最佳量程范围，防止信号幅值过小造成采样精度损失。为了满足系统设计指标要求，模拟接收模块设置了前级放大和定位换能器阵数字信号处理模块数据存储模块电源模块电池信号采集模块发射换能器水下定位便携端/应答器SDIOA/DUSARTUSART上位机RS-485接口模块功放模块图 3 应答定位系统硬件组成框图8阶带通滤波电路信号输出前级增益放大电路后级增益放大电路信号输入A/D采集电路换能器数字信号处理模块图 4 模拟接收模块硬件架构2023年第47卷第4期30水 声 工 程水 声 工 程nderwater Acoustic EngineeringU后级放大，总放大增益为 60 dB。其中，前级放大增益为 40 dB，后级放大增益为 20 dB。前级和后级放大电路均采用同相比例放大器。采用美国 ADI 公司的集成运算放大器 AD8429完成信号前级放大电路和后级放大电路的设计。AD8429 放大电路如图 6 所示。2.1.2 带通滤波受系统电噪声、水下环境噪声等影响，模拟接收模块必须对信号进行滤波处理，滤除信号带宽之外的噪声或其他频段的信号，进而提高系统输出信噪比。由于集成滤波器具有设计简便、调试容易的特点，本系统采用集成滤波芯片 LTC1562，通过组合级联构造 8 阶 Butterworth 带通滤波器。采用Filter CAD 软件计算带通滤波器外围元件参数值。8 阶 Butterworth 带通滤波器电路如图 6 所示。2.1.3 A/D 采集模拟接收模块采用 TI 公司的高性能模数转换器 CS5343，能够提供 2 路 24 位通道，每个声道采样率最高可达 108 kHz，支持左对齐串行数据格式和集成电路内置音频总线（Integrated Interchip Sound，I2S）接口。基于 CS5343 的 A/D 采集电路如图 7 所示。2.2 数字信号处理模块本文提出一种基于高级精简指令集机器（Advanced RISC Machine，ARM）、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）以及现场可编程图 5 AD8429 放大电路图 6 8 阶 Butterworth 带通滤波器电路2023年第47卷第4期31Underwater Acoustic EngineerinG水 声 工 程水 声 工 程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）架构的数字信号处理模块硬件设计方案。以 DSP 作为主处理器、ARM 作为逻辑控制器、FPGA 作为信号采集器，配合其他功能模块实现水下定位与应答硬件平台。数字信号处理模块硬件组成框图如图 8 所示。在数字处理模块硬件设计中，FPGA 与 DSP，ARM 之间分别通过 EMIF 接口和 SPI 接口进行数据与指令的传输。DSP与ARM之间设计有I2C接口，可实现数据交互。此外，FPGA 与模拟接收模块之间通过 I2S 接口进行数据传输。ARM 与功放模块、上位机之间分别设计有数字/模拟（Digital/Analog，D/A）接口与 RS-485 接口，可实现模拟信号发送与通信数据交互。2.3 功放模块功放模块负责将定位询问或定位应答信号发射出去，主要包括功放电路和匹配电路。为了简化设计，选用 TI 公司的 D 类功率放大器 TPA3221 作为功率放大电路的核心芯片。基于 TPA3221 的功放模块电路如图 9 所示。2.4 电源模块电源模块主要完成 24 V 电池组电压的转换，根据外设电源需求输出不同电压。电源模块电源转换示意如图 10 所示。除功放模块的 24 V 直接供电外，系统各模块还需要提供+5 V、-5 V 以及+3.3 V 电压。在电源系统的设计中，24 V 输入电压直接供给功率放大模块。为满足大压差、高效率、低噪声以及大电流的供电要求，系统一级电源转换模块采用直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）电 源 芯片，系统二级电源转换模块采用低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）电源芯片。一级电源转换模块采用 TI 公司的 LMR33620电源芯片，完成 24 V 至 12 V 的第一级电压转换。二级电源转换模块通过电源芯片 LM1117 完成 12 V至 3.3 V 电压的转换，通过 LDO 电源芯片 LTC3260产生 5 V 电压供模拟接收模块使用。3 定位系统软件设计水下应答定位系统软件采用模块化的软件设AGNDAGNDAGNDC28C29C32C33VCC 3.35971234ADSDOUT2ADSCLKADLRCK2ADMCLKADSDOUT2ADSCLKADLRCK2ADMCLKFILTGNDVQSDOUTSCLKLRCKMCLKR2710 kCS5343VAAINLAINR68C30C31C26C5181F1F1F0.1F0.1F0.1F图 7 CS5343 采集电路模拟接收模块ARMFPGA数字信号处理模块SPIEMIF上位机RS-485接口模块DSPI2CI2S功放模块D/A图 8 数字信号处理模块硬件组成框图2023年第47卷第4期32水 声 工 程水 声 工 程nderwater Acoustic EngineeringU计方法，主要包括便携定位端软件和应答器软件。3.1 便携定位端软件便携定位端软件主要完成定位解算、显示与反馈功能，如根据外部操作或通信指令完成定位询问信号响应、解算定位应答信号检测与定位结果、实时显示定位结果。便携定位端软件工作流程如图 11 所示。设备上电后，系统加载程序并初始化系统配置，主要包括 A/D 模块、串口以及其他功能模块的运行参数配置，同时便携定位端显示控制单元显示初始状态信息。设备正常工作后，系统实时监测外部按钮的定位触发信号。当按钮按下后，系统通过中断有效检测按钮定位触发信号，并启动定位询问C17C21C29C27C330 100 C35C37R9R3R14R20R23R24R21R17R13R16R18R19R22C28C22C231F1F1F1F47 k75 k47 k47 k47 k10 k1F1F470F0.1F0.1F470F470F0.033F0.033F0.033F0.033F0.68F0.033F0.68FC18C19U2C24C32C30C34C20L2T1L3C26图 9 功放模块电路原理二级电源转换模块A/D采集电路3.3V前级、后级放大电路滤波电路数字信号处理模块功放模块+5V3.3V5V24V24V一级电源转换模块-5V外设模块+5V电源模块+5V模拟接收模块图 10 电源模块电源转换示意图开始系统初始化定位解算定位询问信号发送定位询问是否定位应答信号有效退出结束是否超时定位信息显示是否否是是定位应答信号检测定位信息存储与回传否图 11 便携定位端软件工作流程2023年第47卷第4期33Underwater Acoustic EngineerinG水 声 工 程水 声 工 程信号发射流程。定位询问信号发送完毕后，系统启动定位应答信号实时检测，开启定时器计时处理流程。定位应答信号检测主要对 A/D 采样的数据进行信号相关处理得到信号相关峰，并依据设置门限判决定位应答信号是否到达。如果有效检测到定位应答信号，则根据模型解算出应答器的方位信息，通过定时器精确计时获取信号双程时间来解算距离信息；如果未有效检测到定位应答信号，则继续检测。此外，为了防止系统无法有效检测定位应答信号或时间过长超出系统工作范围，系统同时启动超时处理程序。3.2 应答器软件应答器软件主要任务是实现应答功能，主要包括定位询问信号检测与定位应答信号响应。应答器软件工作流程如图 12 所示。应答器设备正常工作后，系统开启定位询问信号实时检测处理流程。当有效检测到定位询问信号后，系统根据定位询问信号的类型（分组编码、ID 号），发送对应的定位应答信号，从而完成整个应答过程。当定位应答任务发送完成后，系统再次对定位询问信号进行实时监测，等待下一次询问信号的到来。开始系统初始化定位应答信号生产定位应答信号有效退出结束定位应答信号发送是否否是定位询问信号检测图 12 应答器端软件工作流程4 试验验证为了验证水下便携式应答定位系统的整体性能，在消声水池分别对系统的定位功能和应答率开展了一系列试验。试验环境与水下便携式应答定位系统设备实物如图 13 所示。（a）消声水池（b）水下便携式应答定位系统图 13 试验环境与水下便携式应答定位设备4.1 应答率测试将便携定位端、应答器置于消声水池 1 m 深处并固定。上位机通过 RS-485 接口向便携定位端定时发送定位查询指令，便携定位端向应答器周期性发射定位询问信号，并实时检测应答器反馈的定位应答信号。通过便携定位端与应答器之间的询问与应答过程，完成定位应答率测试。试验共进行100 次，测试结果如表 1 所示。由表 1 可知，便携定位端和应答器均存在漏检情况，不存在误检情况。应答器检测准确率为97%，便携定位端检测准确率为 88.6%，试验结果满足检测概率大于 80%的设计指标要求。4.2 定位功能测试将便携定位端固定在消声水池的一侧并置于水下 1 m 深处，围绕便携定位端在距离 2 m 处按预定的 4 个测试位置和同样深度固定应答器。在预定的测试点上，通过上位机发送定位查询指令，同时记录该测量点的定位数据。在每个测试点上进行 10 次试验，测试结果如图 14 所示。由图 14 可知，在 4 个不同测试点上，应答定位系统均能有效解算出应答器的距离和方位信（下转第 37 页）2023年第47卷第4期37Underwater Acoustic EngineerinG水 声 工 程水 声 工 程确的定位和导航，可以确保这些结构物的正确布置和稳定运行。同时，水声定位系统还可以用于监测结构物的运动、倾斜、沉降等变化，检测潜在的损坏或故障。水声定位系统在水下考古和文化遗产保护中也发挥着重要作用。通过水声成像和定位系统，可以发现和记录水下的考古遗址、沉船等文物，保护海洋中的文化遗产。水声定位还可以帮助确定这些遗址的精确位置和分布，以便进行进一步的研究和保护。5 结 语水声定位系统在海洋工程中的应用具有重要的意义，通过准确的定位和导航，为海洋油气开采、海底矿产资源开采以及深海空间站等领域的应用提供了关键支持。同时，随着系统的不断发展，水声定位趋向于体制宽带化、功能集成化、操作便捷化以及系统组合化，为海洋工程提供了更加高效、可靠的解决方案。然而，水声定位系统的应用仍然存在一些挑战，如信号传播衰减、多路径干扰以及数据处理复杂性等，未来需要进一步深入研究，从而推动水声定位系统在海洋工程中的高效应用。参考文献：1郑翠娥.超短基线定位技术在水下潜器对接中的应用研究 D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.2孙大军，郑翠娥，钱洪宝，等.水声定位系统在海洋工程中的应用 J.声学技术，2012，31（2）：125-132.3张虹斌，周忠海，刘军礼，等.水声定位系统的研制及在海洋勘探中的应用 J.中国水运，2012，12（12）：211-212.4韩云峰.大规模水下传感器网络节点精确定位技术研究 D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2016.5马深.水声定位系统在海洋工程中运用探究 J.数字化用户，2021，27（12）：3-4.编辑：郭芳园表 1 信号检测准确率统计结果设备定位询问信号成功检测次数/次定位应答信号成功检测次数/次漏检次数/次误检次数/次检测准确率/%便携定位端8611088.6应答器973097.0息，且最大距离误差在 1.9 m，最大角度误差在9.3，满足设计指标要求。试验结果表明，水下便携式应答定位系统能够有效定位应答器距离和方位信息，可实现水下应答定位功能。测试点 1测试点 3测试点 2测试点 443210403020100距离角度0.65.50.99.31.61.32.75.8距离/m角度/（）图 14 定位距离与角度统计结果5 结 语文章设计并实现了一种基于应答原理的水下超短基线定位系统，通过合理的系统架构、工作流程以及硬件方案等设计，实现了水下应答定位功能，具有使用灵活、工作简单等特点。试验结果表明，所设计的应答定位系统运行效果良好，各项功能均满足指标设计要求，能够满足水下便携应答定位的要求，具有一定的工程应用价值。参考文献：1李想，张殿伦，孙大军，等.高精度超短基线定位系统的实现 J.计算机工程与应用，2007，43（24）：176-178.2孔繁慧.超短基线水声定位系统中的关键技术研究 D.北京：中国科学院大学，2011.3张庆国，匡彪，要庆生，等.船载水声定位系统自动校准技术研究 J.声学技术，2018，37（6）：535-539.4张庆国，李兴武，沈雁，等.水下便携式可应答同步编码声源系统研究 J.海洋技术学报，2020，39（3）：30-36.5李文虎.超短基线定位系统水声应答器的设计与实现 D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.6丁贤君.超短基线定位系统多目标定位技术研究 D.武汉：武汉理工大学，2020.7郑翠娥.超短基线定位技术在水下潜器对接中的应用研究 D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.编辑：郭芳园（上接第 33 页）