单矢量水听器水下定位通信系统设计与实现

【摘要】：近年来,随着利用海洋和开发海洋的投入不断增大,自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)和无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)引起了越来越多的关注。尤其是AUV间经常采用编队协同方式进行工作,为了编队内的潜航器完成互相定位及信息交互,需设计小型的定位通信一体化声呐,专门用于水下潜航器编队间的位置获取及信息交互。首先,采用单矢量水听器进行主动定位。针对单矢量水听器的特性完成了单矢量水听器的建模,对平均声强器和复声强器的方位估计方法进行推导及分析。进行单矢量水听器方位估计误差的克拉美罗下界的分析,同时对平均声强器和复声强器的方位估计误差进行仿真,仿真结果表明,在低信噪比条件下复声强器会获得比平均声强器更高的方位估计精度。针对单矢量水听器的方位估计方法设计了包括斜距测量和姿态补偿的单矢量水听器的水声定位方法。其次,针对通信系统采用OFDM技术中关键技术的多普勒补偿问题和信道估计问题上提出了基于Chirp-Z变换的多普勒补偿方法和基于Chirp-Z变换的正交匹配追踪(OMP)信道估计方法。仿真结果表明了两种方法相对于传统方式提高了性能且降低了复杂度。同时分析了基于矢量水听器接收OFDM的两种信号联合处理方法,并且通过仿真验证了两种信号处理方式对通信系统性能的增益。然后,根据指标确定了系统各部分的参数。通过获得的参数对系统的硬件部分进行了设计,包括系统的前置放大电路、A/D采集电路、功率放大电路和系统的供电模块等。并在处理器上完成对相应部分的驱动编写,针对系统需要进行实时信号处理的要求采用了DMA的方式进行AD信号的采集和DA信号的发送。完成了对通信定位系统的流程上的软件实现和相应的算法模块实现,算法实现上给出了复声强器、基于Chirp-Z变换的多普勒补偿方式和基于Chirp-Z变换的OMP信道估计方法的具体实现过程,同时对算法在DSP实现进行了相关优化。最后,完成了对硬件系统部分的验证及测试。在信道水池对系统进行功能性测试,水池测试结果表明设备可以完成预设的功能。最后通过外场试验验证了设备的工作距离,保证了使用的相关需求。