大多普勒条件下合作声信标信号处理算法研究与工程实现
摘要
水下高速运动目标测量系统通常将合作声信标安装于目标上，在其航行时，声信
标会按照特定信号体制发射信号，配合其他测量单元完成目标航行轨迹的测量任务。
对于合作声信标信号的检测，工程上往往采用具有良好稳健性以及稳定信噪比增益的
拷贝相关法，但对于高速运动目标而言，多普勒效应十分严重，直接采用拷贝相关算
法不仅会导致信号处理增益下降影响信号检测，同时相关峰位置偏移还会导致时延估
计有偏，从而影响后续的目标定位精度。
针对以上拷贝相关算法存在的问题，本文进行了大多普勒条件下合作声信标信号
处理核心算法的研究，并利用DSP软件进行工程实现，通过实验室和湖试试验对本系
统DSP软件的性能进行了测试。
针对水下运动目标多普勒问题，构建了多普勒模型，研究了基于多通道拷贝相关
和基于双脉冲时延差的多普勒估计技术，重点研究了基于窄带脉冲频率的多普勒估计
技术，包括基于FFT插值的频率估计算法和基于相位差校正的频率估计算法，具体分
析了算法的原理，并进行了性能仿真验证。
针对多普勒环境下脉冲信号的检测以及时延估计问题，本文研究了拷贝相关算法
的原理并进行了性能仿真，分析了多普勒对拷贝相关信号检测以及时延估计性能的影
响。对此，本文提出了一种基于多普勒修正的信号检测与时延估计算法，首先对声信
标信号体制进行了设计，然后给出了该算法的具体实现流程，并进行了性能仿真验证，
讨论了信噪比以及多途效应对该算法多普勒估计性能的影响，对比分析了多普勒修正
前后信号检测与时延估计的性能。仿真结果表明本文提出的修正算法可以有效提高多
普勒环境下信号检测以及时延估计算法的性能。
在理论分析的基础上，将本文设计的算法在DSP信号处理软件上进行工程实现。
该信号处理软件是基于TL-5728开发板进行的，主要包括核间通信、控制指令和信号
处理三个功能模块，可以实现与水下数据采集舱、显控平台间的数据交互，能够实时
处理接收信号并执行显控下达的指令，并将信号处理结果与指令执行情况上传。
最后经过实验室联调和湖上试验测试，验证了本文设计的实时信号处理软件可以
实现大多普勒条件下对合作声信标信号的稳健检测和精确时延估计，具有工程上的实
用性。
哈尔滨工程大学硕士学位论文
关键词：频率估计；信号检测；时延估计；多普勒修正；TL-5728
大多普勒条件下合作声信标信号处理算法研究与工程实现
ABSTRACT
Theunderwaterhigh-speedmovingtargetmeasurementsystemusuallyinstallsthe
cooperativeacousticbeacononthetarget.Whenthetargetissailing,thecooperativeacoustic
beacontransmitsthesignalsaccordingtothespecificsignalsystem,andaccomplishesthe
measurementtaskofthetarget’strajectorywithothermeasuringunits.Forthedetectionof
cooperativeacousticbeaconsignals,thecopycorrelationmethodwithgoodrobustnessand
stablesignal-to-noiseratiogainisoftenusedinengineering.However,forhigh-speedmoving
targets,Dopplereffectisveryserious.Theadoptionofcopycorrelationalgorithmwillnotonly
leadtothedecreaseofsignalprocessinggainandaffectsignald