CN102255671A - 一种单矢量传感器水声多址通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种单矢量传感器水声多址通信方法。发射端：为不同的用户指定不同的伪随机序列；不同的用户利用指定的伪随机序列对信息进行直扩、调制处理，经过功率放大后通过发射换能器发送出去；接收端：利用单矢量水听器接收用户的通信信号，接收机模拟前置放大将信号放大并由AD转换为数字信号；检测同步信号，利用同步信号中的伪随机序列对不同目标的方位进行估计；利用估计出来的目标方位构建组合振速，利用声压和组合振速构建矢量组合；对矢量组合进行解扩、解调、解码。本发明利用单矢量水听器进行用户方位的估计，利用估计的方位合成了振速组合，利用合成的振速组合与声压进行矢量组合来获得空间增益，实现了较为有效的水声多址通信。

Description

一种单矢量传感器水声多址通信方法

技术领域

本发明涉及的是一种水声通信方法，具体地说是一种水声多址通信方法。

背景技术

矢量传感器可以同步共点地获得声场的标量和矢量信息，增加了信息种类和数量，也拓展了后置信号处理空间，并且单矢量水听器就可以获得标量水听器阵才能测量到的目标方位信息，具有良好的空间指向性，可以抑制各向同性噪声以及不同方位的多址干扰。

扩频通信可通过码分复用来实现多用户组网通信，同时，它还具有一系列优点：扩频通信可获得扩频增益，抗干扰能力强，可胜任远程水声通信；由于通信信号的频谱被扩展，可认为是一种频率分集，所以多途衰落会大大减小；扩频码自相关特性优良，当多途时延超过一个码片宽度时，则与原码相关性急剧下降而可视为噪声处理，因而对多途效应不敏感。这些优势可为实现水声网络化通信提供有利条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够获得更高的处理增益、提高通信质量的单矢量传感器水声多址通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

发射端：

(1)为不同的用户指定不同的伪随机序列；

(2)不同的用户利用指定的伪随机序列对信息进行直扩、调制处理，经过功率放大后通过发射换能器发送出去；

接收端：

(3)利用单矢量水听器接收用户的通信信号，接收机模拟前置放大将信号放大并由AD转换为数字信号；

(4)检测同步信号，利用同步信号中的伪随机序列对不同目标的方位进行估计；

(5)利用估计出来的目标方位构建组合振速，利用声压和组合振速构建矢量组合；

(6)对矢量组合进行解扩、解调、解码。

本发明在水声通信中将矢量传感器扩频通信进行结合，利用单矢量水听器进行用户方位的估计，利用估计的方位合成了振速组合，利用合成的振速组合与声压进行矢量组合来获得空间增益，实现了一种较为有效的水声多址通信。

本发明的优点：基于单矢量水听器的方位估计利用扩频通信中伪随机码的相关特性可同时测得多个用户的方位，从而可利用声压和振速的不同组合形成不同的波束指向，获得更高的处理增益以提高通信质量。

附图说明

图1为有源平均声强器结构图；

图2为水声多址通信系统接收机框图；

图3为试验水域声速分布图；

图4为多用户方位估计结果表。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

1、发射端：

(1)为不同的用户指定不同的伪随机序列；

(2)不同的用户利用指定的伪随机序列对信息进行直扩、调制处理，经过功率放大后通过发射换能器发送出去。

2、接收端：

(1)利用单矢量水听器接收用户的通信信号，接收机模拟前置放大将信号放大并由AD转换为数字信号；

(2)检测同步信号，利用同步信号中的伪随机序列对不同目标的方位进行估计；

(3)利用估计出来的目标方位构建组合振速，利用声压和组合振速构建矢量组合；

(4)对矢量组合进行解扩、解调、解码。

下面首先对单矢量水听器方位估计方法进行说明：

如附图1所示：设目标i的真实方位为θ_i，则目标的估计方位为

v_x、v_y为矢量水听器接收到的两路振速信号，两个振速通道信号分别与参考信号

作拷贝相关得到对应的输出

拷贝相关器的输出经过峰值选择器后得到有源平均声强器的输出

式中：A_s为信号拷贝相关峰最大值，

为干扰小量。将式(1)与式(2)相除，得到：

每个用户指定一个伪随机码PN_i，设用户i发出的通信信号为

该信号经过信道

的传输在单矢量水听器处被接收，输出模型为：

式中：k为总的用户数，符号“∴”表示卷积，θ_i为用户i的真实方位，每式的最后一项为噪声干扰项。

如附图2所示：对于用户i，利用单矢量水听器进行方位估计得到了用户i的方位估计

利用方位估计

构建组合振速v_ci，形式如下：

利用声压、振速的适当组合可以形成不同的波束指向，例如选取的线性组合方式调整传感器的指向性，获得更高的处理增益以提高通信质量。

3、湖试验证：

为验证本发明的有效性，进行了湖试验证：试验水域水深约50米，水域纵向长开阔，横向相对狭窄，试验当天阴天，3-4级西南风，浪高约0.3米，发射换能器固定深度为4米，这个试验水域声速分布如附图3所示，声速呈负梯度声速分布，负声速梯度的量级较大。

由于试验条件限制，无法实现多个目标同时发送数据，试验接收船在湖中心锚定不动，更换发射船方位以获取不同方位信源信息。发射船在三个不同点位模拟3个不同用户发送数据，将接收到的数据叠加以验证三用户通信，同步码为10阶Gold码，长度为0.5s，同步码与信息码间隔为1s，信息码为7阶Gold码。

用户1距离接收船400m，接收单矢量水听器吊放深度为12m；用户2距离接收船2000m，接收单矢量水听器吊放深度为4m；用户3距离接收船1000m，接收单矢量水听器吊放深度为12m。

利用估计出来用户的方位信息合成组合振速v_c，并利用组合提高信噪比来进行解码，该组合可以获得比以单通道解码更高的信噪比来提高解码准确度，降低误码率。三用户叠加后解码如图4所示，其中BER₁为直接以声压p进行解码得到的各用户误码率；BER₂为以p+2vc进行解码得到的各用户误码率。

从图4可以看出以矢量组合进行解码的效果要好于直接以声压进行解码，从而验证了本发明所提出的算法的优越性。

Claims (2)

1.一种单矢量传感器水声多址通信方法，其特征是：

发射端：

(1)为不同的用户指定不同的伪随机序列；

(2)不同的用户利用指定的伪随机序列对信息进行直扩、调制处理，经过功率放大后通过发射换能器发送出去；

接收端：

(3)利用单矢量水听器接收用户的通信信号，接收机模拟前置放大将信号放大并由AD转换为数字信号；

(4)检测同步信号，利用同步信号中的伪随机序列对不同目标的方位进行估计；

(5)利用估计出来的目标方位构建组合振速，利用声压和组合振速构建矢量组合；

(6)对矢量组合进行解扩、解调、解码。

2.根据权利要求1所述的单矢量传感器水声多址通信方法，其特征是所述对不同目标的方位进行估计的方法为：

目标i的真实方位为θ_i，则目标的估计方位为

v_x、v_y为矢量水听器接收到的两路振速信号，两个振速通道信号分别与参考信号PN_i(t)作拷贝相关得到对应的输出

拷贝相关器的输出经过峰值选择器后得到有源平均声强器的输出

${\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{xi}}=\max \left[\stackrel{\‾}{{\mathrm{PN}}_i\left(t\right)v_x(t-\mathrm{\τ})}\right]=\max \left[C_{v_{\mathrm{xi}}}\left(\mathrm{\τ}\right)\right]=A_s\cos {\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\Δ}}_x---\left(1\right)$

${\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{yi}}=\max \left[\stackrel{\‾}{{\mathrm{PN}}_i\left(t\right)v_y(t-\mathrm{\τ})}\right]=\max \left[C_{v_{\mathrm{yi}}}\left(\mathrm{\τ}\right)\right]=A_s\cos {\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\Δ}}_y---\left(2\right)$

式中：A_s为信号拷贝相关峰最大值，Δ_x、Δ_y为干扰小量；将式(1)与式(2)相除，得到：

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i=\arctan \frac{\stackrel{\‾}{I_{\mathrm{yi}}}}{\stackrel{\‾}{I_{\mathrm{xi}}}};---\left(3\right)$

每个用户指定一个伪随机码PN_t，用户i发出的通信信号为s_i(t)，该信号经过信道h_i(t)的传输在单矢量水听器处被接收，输出模型为：

$p=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i\left(t\right)\⊗h_i\left(t\right)+n_p\left(t\right)$

$v_x=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i\left(t\right)\⊗h_i\left(t\right)\cos {\mathrm{\θ}}_i+n_{v_x}\left(t\right)---\left(4\right)$

$v_y=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i\left(t\right)\⊗h_i\left(t\right)\sin {\mathrm{\θ}}_i+n_{v_y}\left(t\right)$

式中：k为总的用户数，符号

表示卷积，θ_i用户i的真实方位，每式的最后一项为噪声干扰项；

对于用户i，利用单矢量水听器进行方位估计得到了用户i的方位估计

利用方位估计构建组合振速v_ci，形式如下：

$v_{\mathrm{ci}}\left(t\right)=v_x\left(t\right)\cos \widehat{{\mathrm{\θ}}_i}+v_y\left(t\right)\sin \widehat{{\mathrm{\θ}}_i}---\left(5\right).$

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