CN103401582B - 一种基于信道匹配的二维水声跳频方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于信道匹配的二维水声跳频方法。用户端采用单个收发合置换能器；应答器采用多元收发合置垂直阵；用户端下行询问信号采用直接扩频信号；应答器上行应答信号采用基于时空跳频的扩频信号；下行询问信号由用户端发射，应答器接收信号后，根据询问信号解出多个信道的冲击响应函数，并生成每条信道预滤波器；时空跳频的扩频信号在信道-频率二维空间中跳频，首先生成基本跳频信号，为每个跳频信号时间片先择相应的信道预滤波器，预滤波后从相应的阵元发射；时空跳频的扩频信号经过不同的信道被自动解码，变为基本跳频信号被用户端接收机接收。本发明提高了跳频编码的正交性；提高了目标的隐蔽性；实现有限带宽内多目标应答的目的。

Description

一种基于信道匹配的二维水声跳频方法

技术领域

本发明涉及的是一种水声通信、定位与导航方法。

背景技术

随着海洋事业和水声技术的迅猛发展以及经济上和科学上的需求，水声通信、定位与导航等关键技术手段被越来越多地应用于各个领域，而水声跳频技术作为水声通信等领域抗多途、易于多址组网以及良好的陷落性能受到更广泛的重视与应用。

水声跳频通信系统，是载波频率按某种跳频图案（跳频通信中载波频率改变的规律）在很宽频带范围内跳变的水声通信系统。与传统的水声通信方式相比，水声跳频通信系统具有抗干扰能力强、易于与窄带通信系统兼容、多址组网能力、抗衰落能力、一定的保密能力等特点。

一方面，由于海洋信道使声信号在传播过程中会受到扩展损失、吸收损失和散射，且随着信号频率的提高损失逐渐增强，所以对于水声系统而言其可用的带宽是及其有限的。而按照以往频分复用的方式，不同的用户都需要单独的频带宽度，限制了用户数量；另一方面，由于水声通信、定位或导航等都希望用户发射与接收到的目标信息具有良好的隐蔽性。

扩频技术具有较好的隐蔽性，且可以在低信噪比下工作，因此码分复用是频分复用较理想的替代技术。但对于码分复用技术，在有限带宽内单用户可利用正交码数量有限，随着用户数的增加，用户之间的正交性下降，会产生严重的干扰。因此在有限带宽内的水声系统中码分复用用户数目也受到限制，仍然不能满足多用户的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能提高跳频编码的正交性，提高水声通信等技术的隐蔽性的基于信道匹配的二维水声跳频方法。

本发明的目的是这样实现的：

用户端采用单个收发合置换能器；应答器采用多元收发合置垂直阵；

用户端下行询问信号采用直接扩频信号，所有用户端使用相同的信号；应答器上行应答信号采用基于时空跳频的扩频信号，每个应答器采用不同编码信号；

所述的下行询问信号由用户端发射，应答器接收信号后，根据询问信号解出多个信道的冲击响应函数，并采用凸优化的方法生成每条信道预滤波器；

所述的时空跳频的扩频信号在信道-频率二维空间中跳频，其生成过程是首先生成基本跳频信号，为每个跳频信号时间片先择相应的信道预滤波器，预滤波后从相应的阵元发射；

所述的时空跳频的扩频信号经过不同的信道被自动解码，变为基本跳频信号被用户端接收机接收。

本发明还可以包括：

1、所述根据询问信号解出多个信道的冲击响应函数进一步包括：设目标在PS点，距目标R处的应答器处的声场用格林函数G_ω(R;z,z_ps)表示，其中|R|为目标与应答器的水平距离；z_ps为目标每一个阵元的深度；z为应答器的深度，ω为声源的角频率，则G_ω(R;z,z_ps)满足声源存在时的亥姆霍兹方程：

${\▿}^2{G}_{\mathrm{\ω}}(R;z,z_{\mathrm{ps}})+k^2\left(z\right)G_{\mathrm{\ω}}(R;z,z_{\mathrm{ps}})=-\mathrm{\δ}(R-r_{\mathrm{ps}})\mathrm{\δ}(z-z_{\mathrm{ps}})$

其中Z取正半轴，k²(z)=ω²/c²(z)，该方程给出了应答器处声场与声源的频域关系，对其进行傅立叶综合，得到应答器处声场的时域表达式：

$P(R,z;t)=\∫G_{\mathrm{\ω}}(R;z,z_{\mathrm{ps}})S\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{d\ω}$

其中，S(ω)是询问信号的傅立叶变换，根据G_ω(R;z,z_ps)得到信道的传输矩阵分别为：

$G_{{\mathrm{\ω}}_1}(R;z,z_{\mathrm{ps}1}),G_{{\mathrm{\ω}}_2}(R;z,z_{\mathrm{ps}2}),G_{{\mathrm{\ω}}_3}(R;z,z_{\mathrm{ps}3}).$

2、所述采用凸优化的方法生成每条信道预滤波器进一步包括：设应答器发射信号向量为S_j(ω)，利用凸优化技术，构建一组信道预滤波器F_j(ω)，使：

$\underset{F}{\min }\left|\right|G_{\mathrm{\ωj}}(R,z,z_{\mathrm{ps}})F_i\left(\mathrm{\ω}\right)S\left(\mathrm{\ω}\right)-S\left(\mathrm{\ω}\right)\left|\right|i=j$

$s.t.{\left|\right|G_{\mathrm{\ωj}}(R,z,z_{\mathrm{ps}})F_i\left(\mathrm{\ω}\right)\left|\right|}^2\≤\mathrm{\ξi}\≠j$

当信号经过信道预滤波器后，经过本信道均方误差最小；当信号通过信道预滤波器后，再经过其他信道，输出能量小于某个门限。

信道频率二维组合跳频技术相对常规跳频技术有以下优势：

（a）增加了信道容量。如图4所示，例子中可用频点由3个增加到了9个，大大增加了可用码数目。如图5，从左到右分别是3个阵元接收一个应答器的应答信号，应答信号由3个码片组成，码片的预滤波器设置的信道分别为3，1，2号信道，对应3，1，2号阵元。

同时应答体制使得需要的正交码数量减少，还是以有3个目标，10个应答器为例，常规方法因为需要分辨是哪个目标发的询问信号，同时要区分是那个应答器应答的信号，因此需要30组正交跳频编码作为应答信号；而本方法由于利用信道自动区分目标，只需要10组正交跳频编码作应答信号。常规方法的3个目标需要3个询问信号，本方法所有目标用相同的询问信号，询问信号的扩频码个数取决于垂直阵的阵元数。

（b）提高了跳频编码的正交性。由于各个应答器的位置不同，它们的信道各不相同，应答信号经过的信道与预滤波器不匹配，输出能量会被削弱（图6-9）。所以各个应答器的跳频编码正交性的要求可以放宽，相同条件下可以容纳更多的应答器。

（c）增强了隐蔽性。敌方收到应答信号，由于所处位置与信道的不同，所收的信号能量被削弱，很难提取出应答信号。

附图说明

图1系统结构示意图

图2是系统信号传输与应答过程实现框图；

图3是根据接收到的多路信号处理结果重新构造的应答信号；

图4组合跳频示意图；

图5a-图5c是应答器根据解算出的水声信道Ⅰ后构造出的一组同频应答信号经过水声信道Ⅱ的传递后，三个换能器接收信号的拷贝相关结果；

图6a-图6c是跳频重构信号经过同一目标A对应的三路不同水声信道后，三个收发合置的换能器接收信号的拷贝相关结果；

图7是同一目标A的三路收发合置换能器接收信号拷贝相关的求和结果；

图8a-图8c是另一目标B接收到该重构信号后，该目标下方的三个收发合置换能器接收信号结果的拷贝相关结果；

图9是目标B的三路收发合置换能器接收信号拷贝相关的求和结果。

具体实施方式

下面举例对本发明最更详细的描述：

（1）定位目标上采用垂直的多元阵，设有n个阵元，以下以3元阵为例。

（2）由于目标上空间和供电较充裕，因此目标的下行询问信号采用低频长直扩序列的扩频信号共3个，3个信号彼此正交。既作为询问信号，也作为信道探测信号。对于不同目标采用相同的询问信号，因此询问信号只要一组就可以。

（3）应答器在接收到询问信号后，对信号进行处理，以获得询问信号的时延信息，以及3个信道的响应函数。

如图2中所示，设目标在PS点，距目标R处的应答器处的声场可用格林函数G_ω(R;z,z_ps)表示，其中|R|为目标与应答器的水平距离；z_ps为目标每一个阵元的深度；z为应答器的深度，ω为声源的角频率。则G_ω(R;z,z_ps)满足声源存在时的亥姆霍兹方程：

${\▿}^2{G}_{\mathrm{\ω}}(R;z,z_{\mathrm{ps}})+k^2\left(z\right)G_{\mathrm{\ω}}(R;z,z_{\mathrm{ps}})=-\mathrm{\δ}(R-r_{\mathrm{ps}})\mathrm{\δ}(z-z_{\mathrm{ps}})---\left(1\right)$

其中Z取正半轴，k²(z)=ω²/c²(z)。该式给出了应答器处声场与声源的频域关系，对其进行傅立叶综合，可以得到应答器处声场的时域表达式：

$P(R,z;t)=\∫G_{\mathrm{\ω}}(R;z,z_{\mathrm{ps}})S\left(\mathrm{\ω}\right)e^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{d\ω}---\left(2\right)$

其中，S(ω)是询问信号的傅立叶变换。根据G_ω(R;z,z_ps)可以得到信道的传输矩阵分别为：

$G_{{\mathrm{\ω}}_1}(R;z,z_{\mathrm{ps}1}),G_{{\mathrm{\ω}}_2}(R;z,z_{\mathrm{ps}2}),G_{{\mathrm{\ω}}_3}(R;z,z_{\mathrm{ps}3})$

（4）应答器得到3个信道的传输函数后，假设应答器发射信号向量为S_j(ω)。利用凸优化技术，构建一组信道预滤波器F_j(ω)，使：

$\underset{F}{\min }\left|\right|G_{\mathrm{\ωj}}(R,z,z_{\mathrm{ps}})F_i\left(\mathrm{\ω}\right)S\left(\mathrm{\ω}\right)-S\left(\mathrm{\ω}\right)\left|\right|i=j$

$s.t.{\left|\right|G_{\mathrm{\ωj}}(R,z,z_{\mathrm{ps}})F_i\left(\mathrm{\ω}\right)\left|\right|}^2\≤\mathrm{\ξi}\≠j$

当信号经过信道预滤波器后，经过本信道均方误差最小；当信号通过信道预滤波器后，再经过其他信道，输出能量小于某个门限。

（6）首先根据事先约定的伪随机序列生成常规跳频信号；再对每个码片选择一个信道，例如选择信道i，频率j，则信号为，其中f_i(t)为信道预滤波器的时域形式；将生成好的码片组合在一起，组成二维组合跳频应答信号并发射。

（7）应答信号在信道中传输，每个码片可以最小误差通过其选定的信道被相应的阵元接收，被其他两个非选定信道削弱。

（8）在接收端有三组接收机对应三个不同的阵元（信道），按照二维组合跳频应答信号的信道次序接收每个码片，将它们拼接成常规跳频信号，并输入匹配滤波器测量时延。

Claims (2)

1.一种基于信道匹配的二维水声跳频方法，其特征是包括如下步骤：

用户端采用单个收发合置换能器；应答器采用多元收发合置垂直阵；

用户端下行询问信号采用直接扩频信号，所有用户端使用相同的信号；应答器上行应答信号采用基于时空跳频的扩频信号，每个应答器采用不同编码信号；

所述的下行询问信号由用户端发射，应答器接收信号后，根据询问信号解出多个信道的冲击响应函数，并采用凸优化的方法生成每条信道预滤波器；

所述的时空跳频的扩频信号在信道-频率二维空间中跳频，其生成过程是首先生成基本跳频信号，为每个跳频信号时间片先择相应的信道预滤波器，预滤波后从相应的阵元发射；

所述的时空跳频的扩频信号经过不同的信道被自动解码，变为基本跳频信号被用户端接收机接收。

2.根据权利要求1所述的一种基于信道匹配的二维水声跳频方法，其特征是所述根据询问信号解出多个信道的冲击响应函数进一步包括：设目标在PS点，距目标R处的应答器处的声场用格林函数G_ω(R；z,z_ps)表示，其中R＝(x,y)，|R|为目标与应答器的水平距离；z_ps为目标每一个阵元的深度；z为应答器的深度，ω为声源的角频率，则G_ω(R；z,z_ps)满足声源存在时的亥姆霍兹方程：

${\▿}^2{G}_{\mathrm{\ω}}(R;z,z_{ps})+k^2\left(z\right)G_{\mathrm{\ω}}(R;z,z_{ps})=-\mathrm{\δ}(R-r_{ps})\mathrm{\δ}(z-z_{ps})$

其中Z取正半轴，k²(z)＝ω²/c²(z)，该方程给出了应答器处声场与声源的频域关系，对其进行傅立叶综合，得到应答器处声场的时域表达式：

P(R,z；t)＝∫G_ω(R；z,z_ps)S(ω)e^-iωtdω

其中，S(ω)是询问信号的傅立叶变换，根据G_ω(R；z,z_ps)得到信道的传输矩阵分别为： $G_{{\mathrm{\ω}}_1}(R;z,z_{\mathrm{ps}1}),G_{{\mathrm{\ω}}_2}(R;z,z_{\mathrm{ps}2}),G_{{\mathrm{\ω}}_3}(R;z,z_{\mathrm{ps}3}).$