0 引　言

水下多目标集群是未来水上应用的重要方向，各国积极开展水中集群各方面技术研究，拓展应用手段，开展其装备、技术的研究，其中水中多目标定位技术是支撑水中多目标集群开展各种应用的基础，其研究具有相当重要意义^[1]。

哈尔滨工程大学在水声多目标定位方面开展了诸多研究，针对目标精确跟踪和定位多个水下目标的运动轨迹研究了多种方法及实用化设备^[2]。其中无线电水声浮标阵多目标跟踪定位系统，利用信标发射5种频率pinger信号跟踪水下5个目标，该系统对目标跟踪数量和作用距离区域范围有严格限制；另外，西北工业大学利用联合参数估计的方法进行了多目标的定位跟踪研究探索，并开展了其相关技术的水池试验^[3]。

中船760所基于海洋型号装备测试实际需求，在水声测距定位技术方面开展了多年研究，从起步初期的基于模拟电路的测距定位系统，到基于现代信号处理、嵌入式系统集成技术的多通道数测距定位系统，已极大提高了水声技术数字化水平，形成了对单目标、多目标实时测距定位实用化产品，服务于多个领域^{[4 - 5]}。

2006年，欧盟的德国、法国、意大利等国家联合开展了水下集群单元协同导航定位研究，通过立项试验于2009年完成了多目标定位的相关试验验证^[6]。

美国的麻省理工学院海洋实验室、伍兹霍尔海洋研究所等联合开展的ASON1、ASON2等项目，利用较成熟的多目标定位技术为其开展各项海洋科学考察试验提供有力支撑^[7]。

本文提出一种基于FPGA嵌入式系统多通道并行信号处理的方法，从功能分析、定位原理、水声信号处理方法、试验验证开展了研究，系统最终实现了实时定位跟踪不小于10个水下目标的功能，满足了定位精度不小于4‰的技术指标。

1 多目标定位系统功能及组成

水下多目标定位系统主要功能是对海上无人集群各单元的定位跟踪，满足无人集群对各单元协同机动、智能组网等方面的要求。系统利用浮标等水中组件对水下多目标测距、测深来进行定位。系统工作如图1所示。

多目标定位系统主要由分布式浮标系统、岸基显控中心和宽带同步定位信标组成。其中，浮标能够实现水声测距、测深、无线通信等功能；岸基显控中心能够实现对浮标的参数设定、测深控制和数据传输等功能；宽带同步定位信标能够为整个系统提供精确的授时时间。整个系统可视为一个无线-有线-水声的混合网络，其中浮标测量单元、岸基中心、BDS定位和授时系统等均可视为网络上的一个节点。

2 多目标定位原理

目标单元的定位是在时钟同步状态下，利用球面交汇模型，根据信标定位信号的传播时间，唯一确定目标声源的位置，同时可求得目标速度在基元径向上的投影，从而确定目标的航速、航向。其同步定位方法，利用3个阵元确定目标的位置、速度信息，并且可通过第4个阵元的测量信息对计算结果进行进一步修正。

本文中使用单频CW脉冲信号作为定位信标的发射信号形式，在设计中由于要考虑到区分开同一集群内多个目标（10个）的位置，拟采用在频域区分各定位信标的方法。信标发射信号设计的频率范围为11～20 kHz，每个信标对应的发射频率各不相同，从而达到利用接收到定位信号的频率特征，区分不同的定位信标，标定各被测目标，实现多个目标同步跟踪^[8]。另外，目标发射信号体制采用双脉冲信号体制，双脉冲信号的频率相同，双脉冲信号之间的间隔调制为目标深度，即获得了目标深度信息。设定系统的工作频段，则10个目标信号频点和测深脉冲调制时间范围分配结果如表1所示。

2.1 定位原理

系统浮标按长基线水声定位方法布置，系统其基本工作原理如图2所示。

利用球面交汇模型，在时钟同步状态下，可确定声源目标位置。浮标基阵阵元B₁ B₂ B₃ B₄直接得到合作目标发出的同步测距脉冲，计算水下目标至各阵元之间的声传播估计时间t_i，其中S位于以B_i为球心，ct_i为半径的球面上，即3个球面的交汇点。定位方程如下：

$ {(x}_{ {i}} {-x)}^{ {2}} {+(y}_{ {i}} {-y)}^{ {2}} {+z}^{ {2}} {=(ct}_{ {i}} {)}^{ {2}}。$

(1)

式中：i=1，2，3，4为阵元个数；c为水声速度；(x，y，z)为被测目标位置；(x_i，y_i，z_i)为接收阵元的位置，即分布式浮标的位置，由北斗定位系统实时测量^[9]。

阵元布置在同一水平面上，即z_i=0。N=3，4元阵中3个水面浮标即可实现定位，N>3，可以得到多组解，为了提高定位精度可采用算术平均或最小二乘法处理。

深度信息即目标深度通过目标上的深度传感器测量获得，再利用水声信号发送给各个接收单元。

2.2 误差分析

在实际水声定位过程中由于存在各种噪声以及测量设备精确度的限制，所以存在着一定的误差。误差可分为阵型误差、测时误差、声速误差3种。

1）阵型误差，由于在基阵基元位置也是实时变化的，并且自身定位具有一定误差。所以，阵元位置通过实时同步测量获得，保证利用其阵型参数瞬时时刻误差足够小，即可有效控制。

2）测时误差，测时误差来源于时钟误差及测量声源信号到达接收水听器的时延差。时钟误差是由于双方时钟对时的不精确和积累的晶振飘移引起的，减小时钟误差应选用较高精度的守时设备和避免长时间的守时。信标中使用铷原子钟作为高精度的守时器件，其精度极高，可忽略不计。而每个浮标和岸基都是使用BDS作为授时器件，其授时精度小于0.1 us，且无累计误差，测时误差可有效控制。

3）声速误差，由于测量时水域的水文条件并不是固定不变，其温度、盐度等随时间、深度也是动态变化的，所以在进行利用声速测距时，其计算声速值的经验公式可通过实时带入现场测量的水文条件参数获得，以此有效控制其误差。

2.3 目标测速

本文提出的方法还需要对目标进行实时测速，而测速与定位互相关联但又不同。设计中目标安装同步定位信标，利用浮标基阵测得目标时延信息完成对目标的定位，测速利用其目标速度投影和单位时间内在各个测量基元径向上的位移等价关系，结合信号传播时延差、位置，经计算得到目标的运动速度。测量方法原理如图3所示，其中B₁、B₂、B₃、B₄为浮标测量单元。

水中的某一目标在一个同步周期内运动过程中，与测量单元存在相对运动，按周期得到对应定位信息，经过分析即可得到对应关系如下：设发射信号前后2次到达接收机的时延差与系统同步周期时延差为t，系统同步周期为T₀，$ \Delta ri $为一个周期内目标在浮标基元径向上的移动距离，$ vi $为目标的运动速度。

$ c\Delta t = {{T_0}}v\cos \theta = T_0vi = \Delta ri。$

(2)

可知，一个周期内的目标相对与各个浮标单元的径向速度$ vi $，目标的速度即可由各个基元联合计算得到^[10]。

3 水声信号处理方法 3.1 Notch滤波器

Notch滤波器即自适应陷波滤波器是一种中心频率可调的窄带滤波器，它同固定参数滤波器相比具有以下优点。一是适用于非平稳过程。二是具有无须输入过程特性的先验信息而能将其自身调整到最佳权的特点，即对输入信号的变化具有某种跟踪趋向。最终通过调整其自身，不管输入信号的特性如何变化都能使输出的均方误差最小。Notch滤波器的原理如图4所示^[11]。

3.2 瞬时频率方差检测器（VIFD）

瞬时频率方差检测器在工程上应用效果较好，其具有运算量小、性能稳健，非常适用于线性调频和非线性调频等多种信号的特点^[12]。

多通道自适应Notch滤波器达到平衡后，其输出等于滤掉噪声后的输入信号，即$ y(k) = x(k) $，从而得到：

$ {w_{Si}}(k) = - A\sin ({\phi _i}(k))，$

(3)

$ {w_{Ci}}(k) = A\cos ({\phi _i}(k))。$

(4)

由上可得到每路信号的相位：

$ {\phi _i}(k) = - \tan{^{ - 1}}[{w_{Si}}(k)/{w_{Ci}}(k)] ,\;i = 1,2,3,4,5。$

(5)

相邻采样间隔内的相位差为：

$ \begin{split} &\Delta {f_i}(k) = \frac{1}{{2{\text π} \tau }}\left[{\varphi _i}(k) - {\varphi _i}(k - 1)\right]= \\ &\;\;\frac{1}{{2{\text π} \tau }}\left[\tan{^{ - 1}}\frac{{{w_{Si}}(k)}}{{{w_{Ci}}(k)}} - \tan{^{ - 1}}\frac{{{w_{Si}}(k - 1)}}{{{w_{Ci}}(k - 1)}}\right] = \\ &\;\;\frac{1}{{2{\text π} \tau }}\left[\tan{^{ - 1}}\frac{{{w_{Si}}(k) \cdot {w_{Ci}}(k - 1) - {w_{Si}}(k - 1) \cdot {w_{Ci}}(k)}}{{{w_{Si}}(k) \cdot {w_{Si}}(k - 1) + {w_{Ci}}(k) \cdot {w_{Ci}}(k - 1)}}\right] 。\end{split}$

(6)

通过每一路信号中相邻采样间隔的权值得到此通道的瞬时频率，从而计算瞬时频率均值与方差：

$ \overline {\Delta \,f(k)} = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = a}^N {\Delta \,f(k + i)}，$

(7)

$ D[\Delta \,f(k)] = \frac{1}{N}{\sum\limits_{i = a}^N {\Delta \,{f^2}(k + i) - \overline {(\Delta \,f(k)} )} ^2}。$

(8)

在本系统的10路测距通道系统中，其中一路较强信号频率可能会串漏到邻近的频率通道中，成为那一通道的干扰尖脉冲。利用传统的能量检测器加鉴宽器的检测方法很容易将串漏信息判定为真测距信号，即将错误的时延值认定为这个通道的信号时延值，导致系统测距定位错误。瞬时频率方差检测器利用其自身特点可以发挥抵抗通道串扰的功能，因为串漏的信号虽然与本通道的信号有可能具有相近的幅度和脉宽，但由于串漏信号串漏过来的是边带频谱，其瞬时频率方差比主带频谱大很多，而本通道噪声的尖脉冲干扰也具有较大的瞬时频率方差，因此利用VIFD检测器和能量检测器构成的联合检测器，能够抵抗相邻通道的脉冲串扰，降低定位虚警率^[13]。

4 试验验证

系统于2023年10月份在水布垭试验站进行了湖上试验，对系统功能、技术指标进行了全面验证。

试验现场水文及背景噪声条件如图5和图6所示，满足试验条件。

1）水文曲线

2）背景噪声

3）目标发射的信标信号

目标发射脉宽为3 ms的CW脉冲信标信号，其中目标1发射频率为11 kHz，目标2发射频率为12 kHz，目标3发射频率为13 kHz，目标4发射频率为14 kHz，目标5发射频率为15 kHz，目标6发射频率为16 kHz，目标7发射频率为17 kHz，目标8发射频率为18 kHz，目标9发射频率为19 kHz，目标10发射频率为20 kHz。信号时频图如图7所示。

4）目标静态工作时自检

目标信标沿船舷静态布放固定，发射信标信号，接收系统接收定位信号并解算，得到时延信号，通过静态布放的固定距离得到时延标准值，以此检验时延信号的准确性。其中目标时延值示例如图8所示。

表2为各个通道60 s的时延均值，通过BDS定位归算过来的标准值，以及计算出来的时延偏差，形成对比。由其结果可知，在湖试条件下，系统估计的时延偏差不大于40 us，即距离上不大于0.06 m，全满足系统应用要求。

5）多目标实时定位结果

航行体携带信标水下航行，模拟水下目标集群机动，航行体架设BDS定位天线，利用北斗系统定位，以此校核水下多目标定位系统性能指标。依BDS定位、水声定位比较结果可知，最大定位误差如下表所示不大于1.3 m，即远小于0.4%Range（Range=4 km），水下多目标定位精度满足应用中的定位要求。定位结果比对如图9所示。

5 结　语

本文针对水下集群多目标实时定位跟踪开展了多项技术设计，首先在目标上加装不同频率信标，并采用了信号发射延时法，可较大程度上规避信号混叠，降低参数估计难度，提高检测概率；其次，接收阵元采用基于FPGA嵌入式系统的多通道自适应滤波器，可实时并行检测多频点信号，并且具有较强扩展性；另外系统浮标上还加装了无线电通信定位模块，通过实时监测、修正阵型参数，进一步提高了系统定位精度。经试验验证，该系统可实现多目标实时定位跟踪，且定位精度高。水下集群多目标定位系统还具有体积、功耗小、数字化基础度高的特点，方便布设，可应用诸多领域。