水下多节点通信及相对定位关键技术研究与系统实现

作     者：詹悦 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙宗鑫

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082403[工学-水声工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：水声通信 单矢量水听器 矢量定位 信道估计 AUV集群 

摘      要：本文研究了水下多节点通信及相对定位技术，设计了一种适用于水下多节点（如AUV、浮潜标等）集群编队作业的通信定位一体化设备，主要贡献包括:系统采用OFDM技术进行通信，采用单矢量水听器完成主动定位，实现水下信息交互、相互定位及指令传输等功能。 首先，本文对水声信道的特性进行研究，根据实测试验数据中的声线分布建立水声信道模型，验证浅海环境下信道呈现时不变稀疏的特性。本文着重研究水声OFDM通信系统中的信道估计技术，针对信道的簇状稀疏特性研究了基于Chirp-Z变换的正交匹配追踪(OMP)算法来估计信道的路径时延，仿真结果表明:改进算法提高了估计精度，采用低复杂度的快速计算方法实现，可降低系统约30％的运算量，适用于系统实现。 其次，本文利用单矢量水听器完成方位估计，结合应答时延测距方法实现系统定位功能。本文研究了时域、频域平均声强器等窄带信号方位估计算法;研究了直方图及加权直方图等宽带信号方位估计算法。仿真结果表明:频域平均声强器法处理窄带信号，估计性能较高且更加稳定，直方图法可以估计宽带连续谱目标，抗线谱干扰效果较好，而加权直方图法则适用于估计线谱目标，抗宽带相干干扰效果好。根据系统需要，本文在处理器上实现了频域声强器测向算法。 再次，依据技术指标，本文对系统的信号帧结构及参数进行设计，计算了发射端声源级及接收端前放的动态范围。依据参数要求，基于STM32F767数字处理平台完成硬件平台设计及驱动程序的编写，包括A/D采集电路及信号调理（前置放大、功率放大）电路。同时，对编队作业中主从机的软件流程进行编写，包括时序设计、信号处理流程、维持系统正常工作的通信协议及处理器指令。本文重点在该平台完成同步检测、基于Chirp-Z变换的OMP信道估计算法及单矢量水听器定位算法的实现，并采用快速算法进行优化，确保了系统的实时性及准确性。 最后，本文完成了对系统主要功能电路的测试并进行实验室电联调，通过测试系统的通信成功率，来验证通信功能的可行性。此外，通过海试试验，验证了系统的通信及定位中的测向、测距功能正常，表明该系统满足技术指标要求，可以应用于AUV集群编队及蛙人协同作业等水下多节点的场景。