适应于声相关海流剖面仪的单脉冲发射信号设计

　　1 引 言

　　声相关海流剖面仪(ACCP) 能够测得相对海底的绝对速度, 测速精度与声多普勒计程仪(ADL) 相当[1], 成为计程仪测速研究的一个重要方向。声相关海流剖面仪可以通过发射单脉冲或双脉冲的方式,对不同位置水听器接收海底混响回波信号进行时间相关或空间相关处理, 得到速度估计值。采用单脉冲发射时, 脉冲宽度受声波双程传播时间的限制, 同时为了能在脉冲内进行相关, 要求时延值小于脉冲宽度, 因而在低速测量时, 要求接收水听器的间隔很小, 甚至小于接收水听器最小间隔的限制; 当采用双脉冲发射时, 一方面脉冲宽度不能太宽, 限制了声纳的作用距离, 另一方面双脉冲在测量流速时会引起流体介质层间的干扰[2]。美国 RDI 公司在采用单脉冲体制基础上, 脉内进行相位编码, 产生自相关函数具有双相关峰特性的伪随机编码, 将单脉冲与双脉冲发射体制的优点结合在一起[3]。

　　但是, RDI 公司在寻找满足上述要求的伪随机编码的过程中, 采用类似穷举法的方式寻优, 计算量非常大。本文采用截短的 Gold 序列平衡码作为组成相应长码的子码, 并在此基础上提出了子码优选的原则, 大大减小了运算量, 同时由于 Gold 序列具有良好的互相关特性, 在满足双峰特性的前提下, 进一步压低了旁瓣。

　　1 单脉冲与双脉冲发射体制比较

　　声相关计程仪测速根据波形不变性原理, 可以采用双脉冲发射体制, 即在间隔很短的时间内连续发射两个脉冲, 如下图 1(a)所示:

　　图 1(b) 为当脉内采用伪随机编码时, 相应的自相关函数。当载体运动过程中, 发射换能器垂直向下发射间隔为 T 的两个单脉冲时, 如果在此时间间隔内载体运动的距离正好是两个接收水听器阵元距离 d 的一半时, 那么前向水听器阵元接收的第一个脉冲的回波与后向水听器阵元接收的第二个脉冲的回波将高度相关, 因而可以求得载体的运动速度为:

　　v=d/2T (1)

　　速度的估计可通过最大似然法或最小二乘法实现[4]。一方面, 为了保证两个脉冲回波信号不产生相互干扰, 要求两脉冲发射的间距 T 大于等于脉冲宽度;另一方面, 当阵元间距 d 固定时, 即通过时间相关进行测速时, 两脉冲发射的间距 T 受船速的限制不可能很大。上述两方面的矛盾, 导致脉冲宽度不可能很大, 因而也就限制了声纳进行深海测速时的作用距离。

　　单脉冲比双脉冲发射体制可以持续更长的时间,系统的作用距离就会更远。在我所承担的项目中, 同样采用单脉冲发射体制, 脉内进行相位编码, 不但可以有效地抑制随机噪声的影响, 而且编码信号的自相关函数具有两个时间延迟为 T 的相关峰值, 这既可以与双脉冲发射体制相对应, 满足了波形不变性原理测速的要求, 同时, 两相关峰的延迟时间小于等于脉冲宽度, 这又区别于双脉冲发射体制。