宽带多普勒计程仪速度解模糊方法研究

　　1　引　　言

　　多普勒计程仪利用多普勒频移原理,测量载体相对海底的速度,已广泛应用于多种载体的导航。宽带多普勒计程仪,发射重复二相相位编码信号[1-4],并主要采用复协方差方法进行频移估计[5-8],相对于窄带多普勒计程仪提高了测量精度[9],但是速度测量存在模糊性[10-11],而这种模糊性是由发射信号的特性决定的[1],与信号处理方法无关。速度模糊限制了多普勒计程仪在较高速度载体上的应用。Pinkel等人[11]研究发现,在一定范围内,码元长度越长,速度测量精度越高,相应的模糊速度则越小,因此,解决速度模糊问题变得更加重要。Tigrek等人[12-14]提出通过改变信号形式的方法解决多普勒雷达的测速模糊问题,但是需要改变系统的结构和处理方法,并且通过改变重复二相相位编码信号的形式来解模糊较为复杂,孟飞等人[15]提出采用最小二乘法和不变量嵌入法解决多普勒雷达的测速模糊问题,这2种方法是根据距离与速度的关系得到的,在多普勒计程仪中不适用,而现有的公开文献中尚没有有效的解决多普勒计程仪的速度模糊问题的方法,本文在不改变原有系统结构的基础上对宽带多普勒计程仪的信号处理方法进行改进,提出解决测速模糊的方法并进行试验验证。

　　2　海底回波模型

　　多普勒计程仪发射波束开角为ψ的脉冲信号,声信号照射海底所覆盖的区域,为一椭圆形,其中长轴a≈Zψ/cos2α,短轴为b≈Zψ/cosα,Z为海底深度,如图1所示,波束最先照射到的区域为椭圆左侧,依次向右扩展,直到照射到整个椭圆,时间差为

　　c为声速,一般情况下,ψ=3°~4°。将椭圆区域按照波束照射的时间先后划分为N个区域,标号分别为D1,D2,…,Dn,每块区域同换能器的连线与水平面的夹角为θi,每个划分的区域内包含了大量的散射单元。当N→∞时,D1,D2,…,Dn的厚度极小,因此可认为在此区域的所有散射点与换能器的距离相等,对应于每一个散射单元的回波信号可以表示为:

　　因此叠加噪声后的回波信号的连续表达式为:

　　3　回波相关特性和解模糊方法

　　当2t0+2τ0 海底后的回波,经推导可得回波的自相关函数为

　　由式(5)可知随着n的增大,x1与x2的差越大,并且测量x2的值不存在速度模糊,但是要精确测量x2的值需要非常高的采样率、存储容量以及运算量,显然是不可行的。因此采用测量回波自相关峰的位置来确定速度范围,用复协方差方法精确测量,则既可以不影响测量精度,又能解决速度模糊问题,并且不改变原有的硬件结构;同时,由于白噪声的自相关在零点以外处的值为0,所以白噪声对于x2的测量影响较小。速度的真实值v与采用复协方差方法的实测值vc之间的关系为: