１～４］ ， 其只需要一个信标安放 到了越来越多的关 注 ［
１ 引言
水下导航是 使 水 下 航 行 体 或 人 员 获 得 自 身 的 绝对坐标或相 对 某 一 参 考 物 的 相 对 坐 标 。 水 下 导 航一直是水下航行体研究中一项关键技术 。 随着海洋开发和海洋科考的不断深入 ， 在很多 场合都需要给 各 式 各 样 的 水 下 航 行 体 或 人 员 提 供 其自身的导航信息 ， 这对水下导航系统提出了越来 越多的要求 ： 低成本 、 使用和布放方便 、 任意数目用 户接入导航等 。 目 前 主 要 是 通 过 多 基 线 进 行 水 下 导航 ， 但多基线需要布放至少三个信标 ， 成本高 、 回 收布放复杂 。 在这种情形下 ， 基于单信标的水下导航系统受
４ ２ １
李晖宙等 ： 多普勒声学全向信标信号源设计
总第 ２ ４ ８期
作业人员 ） 提供其方位信息 。 由于多普勒 声 学 全 向 信 标 需 要 产 生 多 个 非 线 性调频信号 ， 本文主要研究多普勒声学全向信标的 信号源设计问题 。
其中 ： ） （ ｔ －Ｒ ｒ ｃ ｏ ｓ ω ） （ ） ＋ ｓ ｔ ＝ｃ ５ ｏ ｓ ２ π ｆ Ｒ（ Ｒ ｔ Ｃ 表 示 两 者 的 幅 度 比 值。 在 接 收 ｍ 为一 常 数 ，
３ 基于 Ａ Ｄ ９ ９ ５ ４ 的信号源设计
圆周 Ｄ ＶＯ Ｒ 中其圆心位置产生的是调幅信号 ， 上的信号通过 空 间 合 成 技 术 ， 形 成 副 载 波 信 号， 在 接收端首先进行调幅解调 ， 提取参考相位信号和 可 变相位信号 ， 比较两者相位获得方位角 。 １ 信号设计要求 ３． 为了 与 Ｄ 多普勒声 ＶＯ Ｒ 信 号 形 式 比 较 性 能， 学全向信 标 也 需 要 产 生 三 个 信 号 ， 一个位于圆心 处， 另外两个位 于 一 条 直 径 的 两 端 ， 圆心处发射参 考相位信号 ， 位于直径两端的信号发射可变相位信 号 。 参考相位信 号 一 般 为 正 弦 调 频 信 号 或 调 幅 正 弦调频信号 。 直 径 两 端 的 信 号 发 射 信 号 为 不 同 频 率的单频连续波 ， 其由于圆周运动的多普勒而成为 正弦调频信号 。 当 参 考 相 位 信 号 为 调 幅 正 弦 调 频 信号时 ， 称之为 ＡＭ 模 式 ， 当参考相位信号为正弦 调频信号时 ， 称之为 ＦＭ 模式 。 其各自的信号形式 如下所示 ： ）ＡＭ 模式 １ 在 ＡＭ 模式时 ， 由于信号在检波时完成解调和 频谱搬移 ， 因此 ， 此时圆心处换能器和圆周上换能 器频率间隔可以缩小 ， 圆心处发射信号形式为 ） （ ） ｓ ｔ ｃ ｔ＋ ｔ） ｔ ＝（ １ Ｆ ＦＤｓ ＋ｍ ｏ ｓ ２ ２ ｉ ｎ ２ ｏ ｓ ２ ｃ π π π π ｆ ｆ ｓ（ ｅ Ｒ ｒ ｒ ０ ｆ
［ ５～６］ ， 提出 一 种 新 的 单 信 标 水 下 导 航 信标 （ ＶＯ Ｒ） Ｄ
系统 ， 我们称之为多普勒声学全向信标（ ｏ ｌ ｅ ｒ Ｄ ｐ ｐ ， ， 它能 在 Ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ Ｏｍ ｎ ｉ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｂ ｅ ａ ｃ ｏ ｎ Ｄ ＡＯ Ｂ） 一个区域内为任意数目的用户 （ 包括水下航行体和
［ （
） ２ ）］ （
） （ ｔ －Ｒ ｒ ｃ ｏ ｓ １ｄ － ω ） ＋ ｔ ２ ＝ π ｆ ｆ（ ｖ ｔ Ｃ （ ） （ ） ｓ ｔ ｉ ｎ－ ＝ｆ ３ ω ｖ １＋ Ｃ 可以发现 ， 当一个发射单频信号的声源作圆周
［
］
运动时 ， 会因为 多 普 勒 效 应 形 成 一 个 调 频 信 号 ， 且 其调制信号的 初 相 与 接 收 点 的 方 位 有 关 。 这 个 调 。 在接收端 ， 频信号称之为 “ 可变相位信号 ” 对这个 信号进行相位检波 ， 即可获得一个调制频率为旋转 频率 、 初相为方位角的正弦调制信号 。 此时 ， 再在圆周的圆心处放置另外一个发射点 源， 全向辐射另 一 个 调 频 信 号 ， 这个调频信号称之 ， 其信号可表示为 为“ 参考相位信号 ” ） （ ｒ ｃ ｔ ｏ ｓ ω ） （ ） ＋ ｓ ｔ ＝ｃ ４ ｏ ｓ ２ π ｆ Ｒ Ｒ ｔ ｓ（ Ｃ 其中 ｆ Ｒ 为参考相位信 号 的 载 频 。 参 考 相 位 信 号 调 制信号的初相为 ０。
在母船或海底 即 可 实 现 一 个 区 域 的 导 航 。 显 而 易 见， 基于单信标 的 导 航 系 统 具 有 经 济 性 好 、 使用方 便的优点 。 特别是在发展海洋经济的过程中 ， 越来 越多的海洋经 济 开 发 ， 水 中 的 传 感 器、 执行器也越 来越多 ， 对水下 导 航 系 统 的 目 标 承 载 能 力 、 使用方 便性要求也越来越高 ， 这使得单信标系统具有越来 越广泛的应用前景 。 本文借鉴无 线 电 导 航 中 的 多 普 勒 甚 高 频 全 向
总第 ２ ４ ８期 ２ ０ １ ５ 年第 ２ 期
舰 船 电 子 工 程 Ｓ ｈ ｉ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｐ ｇ ｇ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ５Ｎ ｏ ． ２ １ ４ １
多普勒声学全向信标信号源设计
李晖宙 张 森 唐 波
） （ 海军工程大学电子工程学院 武汉 ４ ３ ０ ０ ３ ３
Ｌ Ｉ Ｈ ｕ ｉ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｓ ｅ ｎ Ｔ ＡＮＧ Ｂ ｏ ＺＨＡＮＧ ，Ｗｕ ） ，Ｎ （ ｈ ａ ｎ ３ ０ ０ ３ ３ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ａ ｖ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ４ ｇ ｇ ｙ ｇ ｇ ｇ （ ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｄ ｏ ｌ ｅ ｒ ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ｏ ｍ ｎ ｉ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｂ ｅ ａ ｃ ｏ ｎ Ｄ ＡＯ Ｂ） ａ ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｔ ｈ ｎ ｏ ｎ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｆ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ａ ｄ ｌ Ｗ － －ｐ － ｑ ｐ ｐ ｑ ｙ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ（ ＦＭ） ｓ ｉ ｎ ａ ｌ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｅ ｄ ｔ ｏ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｓ ｅ ｖ ｅ ｒ ａ ｌ ｓ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ＦＭ ｓ ｉ ｎ ａ ｌ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｌ ｅ ｏ ｆ Ｄ ＡＯ Ｂ ｇ ｇ ｙ ｇ ｇ ｙ ｇ ｐ ｐ ｔ ｈ ｅ Ｒ ＡＭ ｍ ｏ ｄ ｅ ｏ ｆ Ａ Ｄ ９ ９ ５ ４， ｓ ｅ ｖ ｅ ｒ ａ ｌ ｓ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｓ ｉ ｎ ｅ ｓ ｉ ｎ ａ ｌ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｓ ｉ ｎ ａ ｌ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｒ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ．Ｕ ｓ ｉ ｎ ｙ ｇ ｑ ｇ ｇ ｐ ｇ ａ ｒ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ａ ｒ ｔ ｏ ｆ ｈ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｉ ｓ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｅ ｄ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ ｐ ｐ ｐ ｇ ｇ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｋ ｅ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ ． ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ｂ ｙ ｙ ，Ａ Ｋ ｅ Ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｏ ｌ ｅ ｒ ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ｏ ｍ ｎ ｉ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｂ ｅ ａ ｃ ｏ ｎ Ｄ ９ ９ ５ ４， ｎ ｏ ｎ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｆ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ｄ ｌ ｄ － － ｐ ｐ ｑ ｙ ｙ Ｃ ｌ ａ ｓ ｓ Ｎ ｕ ｍ ｂ ｅ ｒ Ｂ ５ ６ Ｔ
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产生多路同步非线性调 摘 要 针对多普勒声学全向信标信号产生的需求 ， 设计了一个多 通 道 的 非 线 性 调 频 信 号 源 ， 频 。 阐述了多普勒声学全向信标的原理 ， 并以此提 出 信 号 源 设 计 的 需 求 。 采 用 Ａ 产生了多路同 Ｄ ９ ９ ５ ４特有的 Ｒ ＡＭ 模 式 ， 步正弦调频信号发生器 ， 给出了部分硬件和软 件 设 计 说 明 。 经 过 湖 上 试 验 证 明 ， 所 设 计 的 信 号 源 达 到 了 系 统 要 求， 性能良 好。 关键词 多普勒声学全向信标 ；Ａ Ｄ ９ ９ ５ ４；非线性调频 ： ／ 中图分类号 Ｔ Ｂ ５ ６ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ １ ６ ７ ２ ７ ３ ０． ２ ０ １ ５． ０ ２． ０ ３ ７ ９ － ｊ
［ （
）］
２ 多普勒声学全向信标原理
设一个点源在一个圆周上 ， 并以角速度 ω 顺时 钟围绕圆周圆心 Ｏ 作 圆 周 运 动 。 图 １ 为 系 统 坐 标 定义图 。
端， 将可变相位信号和参考相位信号分别通过中心 频率为 ｆ 然后分别进行相位 ｖ 和ｆ Ｒ 的 带 通 滤 波 器， 检波 ， 测量两个调制信号的相位差即为接收单元所 处的方位角 。 因此 ， 采 用 多 普 勒 声 学 全 向 信 标， 只需要一个 信标即可为任 意 数 目 的 接 收 端 提 供 其 自 身 相 对 于 参考点的方位 信 息 ， 若 增 加 测 距 设 备， 即可使接收 端获得其自身的相对位置 。 可以看出 ， 多普勒声学全向信标需要产生正弦 调频信号 ， 按 照 这 种 要 求， 本文采用 Ａ Ｄ ９ ９ ５ ４实现 正弦调频信号 生 成 。 下 面 介 绍 多 普 勒 声 学 全 向 信
图 １ 多普勒声学全向信标坐标定义