CN102025423A - 一种适合移动平台的被动时反水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合移动平台的被动时反水声通信方法，收发双方至少有一方运动，相同的信息帧在不同的位置点重复发射，并保证不同位置点的信道传递函数之间具有较低的相关性。收端对接收信号进行帧同步、时反卷积和多普勒修正等预处理，然后将不同相对位置处收到的多个预处理信号合并，再经符号同步、扩频序列相关等运算，恢复出发射信息。本发明有益的效果：利用位置变化引起水声信道的水平相关性减弱，为时反处理提供空间分集效果，降低了时反通信系统的配置，最低配置只需收发端各一个实物阵元，与此同时，相同的信息帧在不同的时刻点重复发射，也获得了时间分集效果，从而显著提高水声通信系统在复杂环境中的可靠性。

Description

一种适合移动平台的被动时反水声通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，主要是一种适合移动平台的被动时反水声通信方法。

背景技术

在水声信道中，由于受界面(海底、海面)反射的影响，信道多途扩展十分严重，尤其是在浅海，多途扩展有时可能达到上百毫秒，多途扩展产生的码间干扰是水声通信的主要障碍之一。

时间反转(简称时反)处理技术是近年来发展的一种克服水声通信中多途引起码间干扰的有效手段。根据硬件配置和数据流方向的不同，时间反转技术可分为主动时反技术和被动时反技术两大类。主动时反技术需要一个发射声源和一条收发合置的多元阵，多元阵收到声源发射的信号后时间反转重发出去，声场可在声源位置聚焦，信号在往返传输过程实现了声信道传递函数的自相关，相关峰可视为“单峰的”，其主峰幅度明显高于旁瓣，这相当于信道多途扩展被压缩。被动时反处理与主动时反处理的原理相同，它利用接收到的探针信号构造一前置预处理器，修正后续有用信号，以克服多途引起的码间干扰。主动时反为双向传输，阵元需要收发合置，增加了通信等待时间和系统复杂性，而被动时反是单向传输，阵元只需接收功能，减少了系统复杂性。

为了提高被动时反通信系统在复杂信道中的稳健性，一般需要增加接收阵的孔径，接收阵元数量越多，抑制码间干扰的效果越好，但是阵处理的结构复杂性高，难以满足一些结构紧凑的应用场合，例如自主式水下航行器等小尺寸移动平台。

经过检索与本发明相关的文献包括：

Paul Hursky，Michael B.Porter and Martin Siderius，“Point-to-point underwateracoustic communications using spread-spectrum passive phase conjugation”，Journalof Acoustical society of America，120(1)，2006(以下称文献1)。

T.C.Yanga，Wen-Bin Yang，“Performation analysis of direct-sequencespread-spectrum underwater acoustic communications with low signal-to-noise-ratioinput signals”，Journal of Acoustical society of America，123(2)，2008(以下称文献2)。

殷敬伟，王逸林等，“一种移动水声通信方法”，中国专利公开号CN 101534156A，2009.09(以下称发明1)。

文献1和文献2研究基于单水听器的被动时反扩频通信方法，发明1提出基于单水听器的被动时反处理的水下空分多址方案，然而理论和实验已经证明，在复杂的水声多途信道下，仅用单个水听器进行被动时反处理，通信质量受信道环境的影响较大，往往难以获得稳定的低误码性能。

发明内容

本发明的目的正是要克服上述技术的不足，而提供一种可减少接收阵元数量且保证通信质量的适合移动平台的被动时反水声通信方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种适合移动平台的被动时反水声通信方法，移动水声通信系统采用被动时反处理方法，收发双方至少有一方运动，利用位置变化引起水声信道的水平相关性减弱，相同的信息帧在不同的位置点重复发射，收端将不同位置、不同时刻收到的信号合并，从而获得空间和时间分集效果。包括如下步骤：

(1)收发双方至少有一方运动，相同的信息帧在运动过程中不同的位置点重复发射，并保证不同位置点的信道传递函数之间具有较低的相关性；

(2)发端在每帧起始时刻先发射一探针信号，并将探针信号作为一滤波器的传递函数，后续的扩频信号经过滤波器之后，发射送入水声信道；

(3)收端首先捕获探针信号，然后将收到探针信号的时间反转与后续到达的扩频信号做卷积运算，再对卷积输出后的信号进行多普勒测量和修正，完成每帧信号的预处理；

(4)收端将不同位置上收到的多个相同信息帧(预处理后的)合并成一路信号，再进行符号同步、扩频序列相关运算，最后恢复出编码信息。

所述探针信号的带宽应当包含其后的扩频信号，扩频信号是发射信号的主体部分，携带了需要传送的信息，扩频信号采用任意形式的相位调制扩频信号。

所述的多普勒测量和修正为：在每一帧数据的前后都插入探针信号，设相邻两个探针信号的时间间隔为T_tp，接收端通过测量两个探针信号的拷贝相关输出的两次峰值的时间间隔，得到伸缩后的接收帧长度T_rp，计算出一帧信号多普勒伸缩率

再对帧内信息信号进行插值重采样。

本发明有益的效果是：

(1)通信双方在运动过程中，利用水声信道在不同水平位置的弱相关性，为时反处理提供较好的空间分集效果，与此同时，相同的信息帧在不同的时刻点重复发射，可以获得时间分集增益，提高接收成功率。

(2)与传统的多元阵时反通信方法相比较，本发明的优点在于所需的系统复杂度低，最低配置只需收发端各一个实物阵元，就可以获得空间分集效果，增强了水声通信系统在复杂多途信道中的可靠性，因而本发明非常适合安装空间有限的小尺寸移动平台。

(3)在进行被动时反处理时，发端先用探针信号构造一发射滤波器，滤波器的传递函数就是探针信号，扩频信号在通过换能器发射之前先经过该滤波器，这样做可以降低发射信号的峰平比。

附图说明

图1是水声通信方法的原理框图；

图2是计算机模拟的信道冲激响应图，收发水平距离分别是2000m、2250m、2500m。

图3是信道冲激响应之间的互相关系数。

图4是接收到的探针信号自相关函数的和，虚拟阵阵元个数J分别是1、3、6。

图5是一个接收符号内的4组相关结果示意图，其中图(a)～(b)的虚拟阵阵元个数J分别是1、3、6。

图6是误码率与虚拟阵阵元个数之间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

1.发射信号生成方法

本发明的水声通信系统的发射信号包括探针信号和经过预处理的扩频信号两部分。探针信号有两个作用，其一，使通信系统在接收端能够找到每帧信号的起始位置，并且通过测量前后两个探针信号的到达时刻，确定帧内信号的多普勒扩展(压缩)量。在本技术领域，线性调频信号或双曲调频信号是常用的同步信号形式。其二，接收端保存收到的探针信号，将其与后续到达的信息信号做互相关处理。扩频信号是发射信号的主体部分，它携带了需要传送的信息，所述的扩频信号可以是任意形式的扩频信号，扩频序列可以是m序列，gold序列或kasami序列等具有良好自相关和互相关特性的伪随机序列。图1(a)是发射端处理流程图，每个扩频符号由同步辅助序列和信息序列叠加组成，其中同步辅助序列用于接收端符号同步，为了提高通信速率，可以采用多码并发的方式，即每个扩频符号可以包含多条信息序列。

2.原理分析

为了便于表述，我们将通信平台运动轨迹上的第j个发射点(或接收点)看做一条虚拟水平阵上的第j个阵元，由于收发是相对的，所述的虚拟水平阵可以是发射阵，也可以是接收阵。假设探针信号采用线性调频信号p(t)，扩频信号为m(t)，运动轨迹上第j点与接收水听器之间的信道响应为G(t，r_j)，接收到的探针信号p_r(t)和信息信号m_r(t)可分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_r\left(t\right)=p\left(t\right)\⊗G(t,r_j)\\ m_r\left(t\right)=p\left(t\right)\⊗m\left(t\right)\⊗G(t,r_j)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中

表示卷积运算，用p_r(t)的时间反转p_r(-t)与m_r(t)做卷积运算，完成被动时反处理，得到：

${\tilde{m}}_j\left(t\right)=m\left(t\right)\⊗[p\left(t\right)\⊗p(-t)]\⊗G(t,r_j)\⊗G(-t,r_j)---\left(2\right)$

在收发相对运动过程中，发射端重复发射信息信号m(t)，接收端将多个相加，得到：

$\tilde{m}\left(t\right)=m\left(t\right)\⊗[p\left(t\right)\⊗p(-t)]\⊗\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}G(t,r_j)\⊗G(-t,r_j)---\left(3\right)$

定义声信道响应的自相关函数的和为Q(t)，即

$Q\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}G(t,r_j)\⊗G(-t,r_j)---\left(4\right)$

由于信号的自相关函数呈现“单峰”，当空间上有多个不相关或弱相关信道的自相关函数相干叠加时，Q(t)的主瓣会增强，旁瓣会明显降低。定义接收到的探针信号的自相关函数为H^eq(t)，即

$H^{\mathrm{eq}}\left(t\right)=p\left(t\right)\⊗p(-t)\⊗Q\left(t\right)---\left(5\right)$

(5)式的频域形式为，

H^eq(ω)＝|P(ω)|²Q(ω)(6)

(3)式的频域形式可以写成：

$\tilde{M}\left(\mathrm{\ω}\right)=M\left(\mathrm{\ω}\right)H^{\mathrm{eq}}\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(7\right)$

H^eq(ω)可以看成是时反处理之后等效信道的传递函数，如果探针信号频谱包含信息符号频谱，并且H^eq(ω)在信息符号M(ω)频带内平坦，那么

中的信号分量将与M(ω)近似。

3.多普勒修正

由于需要收发端至少有一端运动，接收信号必然受到多普勒影响。因此，在将各虚拟阵的阵元信号合并之前应先消除多普勒的影响。多普勒对宽带信号的影响在时域上表现为对信号长度的改变，如果能估计出多普勒伸缩率，则可以通过插值重采样的方法对接收信号进行反方向的时间压缩或伸展来加以修正。具体的方法如下：

在每一帧数据的前后都插入探针信号，设相邻两个探针信号的时间间隔为T_tp，接收端通过测量两个探针信号的拷贝相关输出的两次峰值的时间间隔，得到伸缩后的接收帧长度T_rp，计算出一帧信号多普勒伸缩率

再对帧内信息信号进行插值重采样即可降低或消除多普勒。

4.符号跟踪与解码

接收端用拷贝相关法首先捕捉到每帧探针信号的到达时刻，由探针信号相关峰位置向后计算出第1个扩频码元符号的起始时刻。由于水声信道不断变化，为了不丢失同步，每个发送符号内含有一条同步序列，供接收方跟踪信道的变化。一旦同步序列被捕获，就可以解算信息，信息解算按扩频序列长度为单位逐步进行，通过与参考序列集合进行相关，判断每个分组内相关峰出现的位置，并根据映射关系恢复编码信息。

5具体的水声通信计算实例

本发明提供的水声通信方法已经在计算机和海上试验中得到验证，下面给出一个具体的计算实例来说明本发明的有效性。

探针信号设计为带宽2k～4kHz、脉宽80ms的线性调频信号，选取码长为127的gold序列作为扩频序列，取其中的1条作为同步序列，其余128条平均分为4组，每组32条，扩频信号中心频率3kHz，码片速率1.6kchip/s，通信速率250bit/s。

在实测的某海洋信道声速剖面下，利用简正波声传播理论模型对水声信道建模，得到收、发位于不同水平距离位置下的信道响应函数G(t，r_j)。图2是海深60m，声源和接收水听器距离海面25m，收发水平距离分别为2000m、2250m、2500m点的信道冲激响应图，可以看到，该信道具有复杂的多途结构，多途扩展可达100ms以上。

图3是水平距离2000m到3000m之间各点信道冲激响应之间的互相关系数，可以看出，在这1000m距离内信道的最大互相关系数衰落约有7-8dB，此时将多个弱相关的信道合并就获得时反处理所需的空间分集增益。

图4给出了接收到的探针信号自相关函数的和(公式(5)的H^eq(t))，也就是时反处理之后等效信道的传递函数。其中，虚拟水平阵阵元间距取100m，可以看出，随着虚拟阵阵元(J值)的增加，H^eq(t)的主瓣增强，旁瓣削弱，其效果是使信道多途扩展被压缩，可起到抑制码间干扰的作用。

接收端将不同距离点的接收信号进行被动时反处理和多普勒修正之后合成一路信号，然后经过符号同步、信息序列相关等运算，最后送入解码器，就可从峰值位置恢复出信息。图5是一个信息符号内的四组相关结果(图1(b)中a点的波形)，可以看出，随着虚拟阵阵元数(J值)的增加，相关峰变得尖锐，旁瓣被压低，被动时反处理方法抑制码间干扰的效果显现出来。

图6是误码率与虚拟阵阵元个数之间的关系，可以看出，随着虚拟阵阵元数的增加(阵元间距取100m)，误码率显著下降，在该计算实例中，当阵元个数增加到6个时，误码率已降至0。在实际应用中，可以根据通信质量和通信速率的要求灵活选择虚拟阵阵元个数。

综上，本发明利用水声信道的特点，为可移动水声通信平台提供了一种可靠的通信方法，它通过在运动轨迹上的不同位置发射信息，利用位置变化引起信道的水平相关性减弱，为时反处理提供了较好的空间分集效果，而相同的信息帧在不同的时刻点重复发射，也获得了时间分集效果。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种适合移动平台的被动时反水声通信方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)收发双方至少有一方运动，相同的信息帧在运动过程中不同的位置点重复发射，并保证不同位置点的信道传递函数之间具有较低的相关性；

(2)发端在每帧起始时刻先发射一探针信号，并将探针信号作为一滤波器的传递函数，后续的扩频信号经过滤波器之后，发射送入水声信道；

(3)收端首先捕获探针信号，然后将收到探针信号的时间反转与后续到达的扩频信号做卷积运算，再对卷积输出后的信号进行多普勒测量和修正，完成每帧信号的预处理；

(4)收端将不同位置上收到的多个相同信息帧合并成一路信号，再进行符号同步、扩频序列相关运算，最后恢复出编码信息。

2.根据权利要求1所述的适合移动平台的被动时反水声通信方法，其特征是：探针信号的带宽应当包含其后的扩频信号，扩频信号是发射信号的主体部分，携带了需要传送的信息，扩频信号采用任意形式的相位调制扩频信号。

3.根据权利要求1所述的适合移动平台的被动时反水声通信方法，其特征是：所述的多普勒测量和修正为：在每一帧数据的前后都插入探针信号，设相邻两个探针信号的时间间隔为T_tp，接收端通过测量两个探针信号的拷贝相关输出的两次峰值的时间间隔，得到伸缩后的接收帧长度T_rp，计算出一帧信号多普勒伸缩率

再对帧内信息信号进行插值重采样。

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