利用调频脉冲的干净部分确定强反射条件下水声信号的到达时间

《Scientific Reports》：Using the clean portion of a CHIRP pulse to determine the time of arrival of a hydroacoustic signal under strong reflection conditions

　　

摘要

确定水声信号的到达时间是使用传播时间测量的定位系统中的基本问题之一，特别是基于到达时间（ToA）和到达时间差（TDOA）的解决方案。在强多径条件下，由于直射信号与反射波重叠，估计精度下降。本研究评估了将分析限制在 CHIRP 脉冲最初、失真最小的部分是否能改善到达时间的确定。实验在实验室游泳池环境中进行，距离为 2 米和 4 米，使用 30–25 kHz 的 CHIRP 信号，持续时间为 1、2、5 和 10 毫秒，并进行 GNSS PPS 同步。分析表明，反射对接收信号结构的影响随脉冲持续时间的增加而增加，对于较长的脉冲，反射波与直射信号之间的重叠变得越来越明显。提出的方法基于使用脉冲的干净部分，大幅提高了到达时间的精度。在典型配置中，平均绝对误差从 20.7 降低到 2.7 \(\mu \)s 和从 175.6 降低到 3.1 \(\mu \)s，同时保持 \(\pm 20\,\mu \)s 容差内的 100% 正确检测。对于 4 米距离和 2 毫秒脉冲，平均绝对误差为 1.7 \(\mu \)s，同样实现了 100% 正确检测。结果证实，使用最初、弱失真的信号片段可以显著增加强反射环境中到达时间估计的稳定性和精度。