基于单仿生声学信标的水下移动目标合作定位关键技术研究

Underwater acoustic positioning technology is the necessary means and the challenging research problem in Marine scientific research and the development of Marine resources. The cooperative positioning technology for underwater multi-targets based on single bionic acoustic beacon has become the popular object in present due to the high flexibility of the positioning performance. In the theoretical analysis, the key problem is the high precision acoustic ranging measurement for multi-target of the single beacon positioning system. The Research objective is to locate the multiple moving targets by single beacon. High precision ranging measurement and multi-target identification will be solved in this study. The study contents include bionic transmitted signal waveform design, high precision signal detection algorithm based on the fractional Fourier transform, and simulation software system development. The study results possess important scientific significance and value.

水下定位技术是海洋科学考察和海洋资源开发等工程的必备手段，是一项非常有挑战性的研究问题。在水下移动设备的定位方式中，基于单信标的多目标合作定位方式以其高度的灵活性成为近期的研究热点。在理论分析方面，单信标定位系统需要解决的关键问题是对于多目标的高精度水声测距问题。本研究以基于单信标的水下多个移动目标定位为目的，拟引入仿生信号，对合作定位中的高精度测距与多目标识别两个关键问题展开研究，研究内容包括具有多目标合作定位能力的仿生发射信号波形设计、基于分数阶傅里叶变换（FRFT）的高精度同步信号检测算法研究和仿真软件系统开发三个方面。该研究需求明确，具有重要的科学意义和应用价值。

本项目根据目前水下定位信号的特点，提出了一种双线性调频（Linear Frequency Modulation, LFM）信号作为定位发射信号的单载波码分多址（CDMA）设计方案；基于分数阶傅立叶变换（Fractional Fourier Transform, FRFT）对chirp类信号良好的处理特性，提出了基于FRFT的定位信号捕获算法；以Gold码作为扩频序列码，设计了一套SC-DS-CDMA水声通信系统；结合实测数据与单信标定位算法，使用 MFC框架调用MATLAB程序编写了仿真软件。仿真及实验结果证明，基于FRFT的捕获算法简单有效，能量在“最佳”阶数时聚焦，可直接确定多径数，完成定位信号的检测和信道估计；当接收端使用相应的扩频序列区分多用户时，所提出的SC-DS-CDMA系统具有良好的误码率性能，所设计的软件能良好的完成基于信道估计的单信标水声定位显示。