CN105812298A - 一种基于垂直接收阵复合信道被动时间反转镜的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于垂直接收阵复合信道被动时间反转镜的信号处理方法。发送端在发射信息信号前，先发射探测信号，用于估计信道；接收端将垂直阵的接收信号进行阵列延时求和，得到较高信噪比的探测信号与信息信号；然后对阵输出的探测信号进行拷贝相关，估计出垂直阵复合信道，并对其进行时间反转；最后将阵输出的信息信号与时反后的复合信道卷积，得到最终的信息信号。本发明适用于远程水声通信，通过简单的阵列求和获得空间增益，进而准确估计出复合信道，实现被动时间反转镜，完成信道均衡，解决了现有被动时间反转镜由于各阵元接收信噪比较低而无法实现的问题。且本发明仅需对垂直阵复合信道进行估计，计算与实现更为简单。

Description

一种基于垂直接收阵复合信道被动时间反转镜的信号处理方法

技术领域

本发明属于信号处理领域，尤其涉及一种适用于远程水声通信的基于垂直接收阵复合信道被动时间反转镜的信号处理方法。

背景技术

水声信道是迄今为止难度最大的无线通信信道之一。由于水下声传播速度缓慢、海水对声的吸收和海水介质的复杂、多变性，都会对水声信号产生严重干扰。特别是浅海信道中存在的强多途和大信号起伏等，会导致严重的码间干扰，影响水声通信的质量。

时间反转镜技术可以在没有任何先验知识的情况下减小水声信道多途干扰的影响，实现时间压缩和空间聚焦。因此，时间反转镜在水声通信领域得到广泛研究和应用。传统的主动时间反转镜，信号需要往返发送两次，通信等待时间被延长，降低了通信效率。此外，其阵元收发合置，增加了发射功率及系统复杂性。现有的被动时间反转镜，省去了阵元的收发合置功能，只需要单向传输即可，它通过对每一个阵元的信号进行信道估计，从而实现被动时间反转镜。然而，对于远程水声通信来说，阵元接收信号的信噪比均较低，不能准确估计出各阵元对应的信道冲激响应，导致被动时间反转镜无法实现。

因此，有必要对被动时间反转镜技术进行扩展研究，使其适用于远距离、低信噪比的水声通信，增大水声通信的距离，改善水声通信的质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于远距离低信噪比下水声通信的，基于垂直接收阵复合信道被动时间反转镜的信号处理方法。

一种基于垂直接收阵复合信道被动时间反转镜的信号处理方法，包括以下步骤：

步骤一：发送端采用单换能器声源，发射信息信号s(t)前，先发射探测信号p(t)，用于对水声信道进行估计；

步骤二：信号经过水声信道后，垂直接收阵第i号阵元接收的探测信号p_ri(t)和信息信号s_ri(t)为：

p_ri(t)＝p(t)*h_i(t)+n_pi(t)

s_ri(t)＝s(t)*h_i(t)+n_si(t)

h_i(t)为声源与第i号阵元之间的信道冲击响应函数，n_pi(t)及n_si(t)为海洋环境噪声；

对垂直阵各阵元的接收信号进行简单的阵列延时求和处理，输出得到新的探测信号p_r(t)和信息信号s_r(t)：

$p_r\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{ri}\left(t\right)=p\left(t\right)*h\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{pi}\left(t\right)$

$s_r\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{ri}\left(t\right)=s\left(t\right)*h\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{si}\left(t\right);$

步骤三：通过对探测信号p_r(t)进行拷贝相关，估计出垂直接收阵复合信道h'(t)；

步骤四：对估计的复合信道h'(t)进行时间反转处理，得到时间反转信道h'(-t)；

步骤五：将垂直阵输出的信息信号s_r(t)与时间反转信道h'(-t)做卷积，实现信道均衡，抑制码间干扰，得到最终的信息信号：

$\begin{array}{c}r\left(t\right)=s_r\left(t\right)*h^{\′}(-t)=s\left(t\right)*h\left(t\right)*h^{\′}(-t)+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{si}\left(t\right)*h^{\′}(-t)\\ =s\left(t\right)*\hat{h}\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{si}\left(t\right)*h^{\′}(-t)\end{array}$

其中， $\hat{h}\left(t\right)=h\left(t\right)*h^{\′}(-t).$

有益效果：

本发明适用于远程低信噪比水声通信。本发明通过简单的阵列求和获得垂直阵的空间增益，进而准确估计出复合信道，实现被动时间反转镜，完成信道均衡并抑制码间干扰，解决了传统被动时间反转镜由于各阵元接收信噪比较低而无法实现的问题。且本发明仅需对垂直阵复合信道进行一次估计即可，计算与实现更为简单。

附图说明

图1为本发明的原理流程图；

图2为本发明应用于水声通信的一帧信号结构；

图3为本发明应用于远程Pattern时延差编码水声通信的系统框图；

图4为南海试验时实测的声速剖面图，其中：图4(a)为发射船处的声速剖面图，图4(b)为接收船处的声速剖面图；

图5为水声通信试验布放图；

图6为垂直接收阵复合信道的估计；

图7为解码时同步头的检测结果，其中：图7(a)为没有使用本发明的检测结果，图7(b)为使用本发明后的检测结果；

图8为拷贝相关解码结果，其中：图8(a)为没有使用本发明的解码结果，图8(b)为使用本发明后的解码结果。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的目的在于提供一种适用于远距离低信噪比下水声通信的基于垂直接收阵复合信道被动时间反转镜的信号处理方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)在发送端采用单换能器声源，发射信息信号前，先发射探测信号，用于对水声信道进行估计；

(2)接收端将垂直接收阵各阵元的接收信号进行简单的阵列延时求和，获得阵处理的空间增益，输出得到新的探测信号与信息信号；

(3)由于垂直阵输出的探测信号信噪比得到提高，于是通过原始的探测信号对其进行拷贝相关，可准确估计出垂直接收阵复合信道，此复合信道为虚拟的信道；

(4)对估计的复合信道进行时间反转处理，得到时间反转信道；

(5)将垂直阵输出的信息信号与时间反转信道做卷积，实现信道均衡，抑制码间干扰，得到最终的信息信号。

本发明公开了一种基于垂直接收阵复合信道被动时间反转镜的信号处理方法。发送端在发射信息信号前，先发射探测信号，用于估计信道；接收端将垂直阵的接收信号进行阵列延时求和，得到较高信噪比的探测信号与信息信号；然后对阵输出的探测信号进行拷贝相关，估计出垂直阵复合信道，并对其进行时间反转；最后将阵输出的信息信号与时反后的复合信道卷积，得到最终的信息信号。本发明适用于远程水声通信，通过简单的阵列求和获得空间增益，进而准确估计出复合信道，实现被动时间反转镜，完成信道均衡，解决了现有被动时间反转镜由于各阵元接收信噪比较低而无法实现的问题。且本发明仅需对垂直阵复合信道进行估计，计算与实现更为简单。

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

(1)图1为实现垂直阵复合信道被动时间反转镜的原理流程图。发送端采用单换能器声源，发射信息信号s(t)前，先发射探测信号p(t)，二者之间需插入保护间隔，如图2所示；

(2)信号经过水声信道后，垂直接收阵第i号阵元接收的探测信号p_ri(t)和信息信号s_ri(t)可表示成

p_ri(t)＝p(t)*h_i(t)+n_pi(t)(1)

s_ri(t)＝s(t)*h_i(t)+n_si(t)(2)

式中，h_i(t)为声源与第i号阵元之间的信道冲击响应函数，n_pi(t)及n_si(t)为海洋环境噪声。对垂直阵各阵元的接收信号进行简单的阵列延时求和处理，输出得到新的探测信号p_r(t)和信息信号s_r(t)，可以表示成

$p_r\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{ri}\left(t\right)=p\left(t\right)*h\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{pi}\left(t\right)---\left(3\right)$

$s_r\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{ri}\left(t\right)=s\left(t\right)*h\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{si}\left(t\right)---\left(4\right)$

式中

$h\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\left(t\right)---\left(5\right)$

h(t)称为垂直阵复合信道，将其认为是信号经过的虚拟海洋声信道。与实际的水声信道一样，该复合信道也是一个复杂信道。经过简单的阵处理，输出的探测信号p_r(t)和信息信号s_r(t)的信噪比均得到了提高，这得益于垂直阵带来的空间增益。

(3)由于复合信道h(t)的存在，信号依然受到多途扩展的影响。因此，对探测信号p_r(t)进行拷贝相关处理，得到复合信道冲激响应函数的估计h'(t)。

(4)对复合信道的估计h'(t)进行时间反转处理，得到时间反转信道h'(-t)。

(5)将垂直阵输出的信息信号s_r(t)与时间反转信道h'(-t)做卷积运算，作为最终虚拟接收到的信息信号

$\begin{array}{c}r\left(t\right)=s_r\left(t\right)*h^{\′}(-t)=s\left(t\right)*h\left(t\right)*h^{\′}(-t)+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{si}\left(t\right)*h^{\′}(-t)\\ =s\left(t\right)*\hat{h}\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{si}\left(t\right)*h^{\′}(-t)\end{array}---\left(6\right)$

式中

$\hat{h}\left(t\right)=h\left(t\right)*h^{\′}(-t)---\left(7\right)$

称为虚拟信道，为信息信号经过的最终信道，是复合信道h(t)与其估计h'(t)的互相关函数。当h'(t)趋近于h(t)时，虚拟信道趋近于δ函数，具有高相关峰。因此可以认为信号最终经过的虚拟信道为单途径信道，克服了多途扩展的影响。

综上所述，本发明仅需对垂直接收阵复合信道进行估计，而不需要对每个阵元的信道进行估计，与现有的被动时间反转镜相比，计算更为简单，而且还带来了阵处理的空间增益和时间反转镜的聚焦增益，抑制了多途扩展造成的码间干扰，这对于远距离水声通信来说具有重要的应用价值。

图3为本发明应用于远程Pattern时延差编码水声通信的系统框图，参照改图和实施例，进一步详细描述本发明。

(1)试验船只抵达预定位置后锚泊，分别进行声速剖面的测量，其中两试验船只相距80km。图4为试验时实测的声速剖面图，其中图4(a)为发射点声速分布，图4(b)为接收点声速分布。可以很明显地看出，声速拐点均在40m水深左右。根据测得的声速剖面图，将声源和12元均匀垂直接收阵的声中心均布放在水下40m处，如图5所示。然后通过声源先发射探测信号，再发射Pattern时延差编码的信息信号。

(2)垂直阵接收到经过海洋信道的信号后，进行阵列延时求和处理，输出探测信号p_r(t)和信息信号s_r(t)。

(3)对探测信号p_r(t)进行拷贝相关处理，得到垂直阵复合信道冲激响应函数的估计h'(t)，如图6所示。可以看出，复合信道的多途结构十分复杂，时延扩展也很宽，超过了80ms，会造成严重的码间干扰，这对于水声通信来说是很不利的。

(4)对复合信道的估计h'(t)进行时间反转处理，得到时间反转信道h'(-t)。

(5)将垂直阵输出的信息信号s_r(t)与时间反转信道h'(-t)做卷积运算，作为最终虚拟接收到的信息信号r(t)。

(6)通过拷贝相关对信息信号r(t)进行解码。解码结果如图7和图8所示。图7为同步头的检测输出结果，其中图7(a)为没有使用本发明的检测结果，而图7(b)为使用本发明后的检测结果。显然，未使用本发明时，出现多个伪峰，影响同步头位置的判断，而使用本发明后相关峰明显，可以准确判断同步头的位置。图8为通信解码结果，其中图8(a)为未使用本发明的解码结果，图8(b)为使用本发明后的解码结果。本发明使得各个码元的解码相关峰单一，易于判断，从而降低了通信误码率，改善了通信效果。

在上述远程Pattern时延差编码水声通信试验中，本发明使得通信频带为500-800Hz的80km远程水声通信的低误码通信速率由20bit/s提高到66.7bit/s。

Claims (1)

1.一种基于垂直接收阵复合信道被动时间反转镜的信号处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：发送端采用单换能器声源，发射信息信号s(t)前，先发射探测信号p(t)，用于对水声信道进行估计；

步骤二：信号经过水声信道后，垂直接收阵第i号阵元接收的探测信号p_ri(t)和信息信号s_ri(t)为：

p_ri(t)＝p(t)*h_i(t)+n_pi(t)

s_ri(t)＝s(t)*h_i(t)+n_si(t)

h_i(t)为声源与第i号阵元之间的信道冲击响应函数，n_pi(t)及n_si(t)为海洋环境噪声；

对垂直阵各阵元的接收信号进行简单的阵列延时求和处理，输出得到新的探测信号p_r(t)和信息信号s_r(t)：

$p_r\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{ri}\left(t\right)=p\left(t\right)*h\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{n}_{pi}\left(t\right)$

$s_r\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{s}_{ri}\left(t\right)=s\left(t\right)*h\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{n}_{si}\left(t\right);$

步骤三：通过对探测信号p_r(t)进行拷贝相关，估计出垂直接收阵复合信道h'(t)；

步骤四：对估计的复合信道h'(t)进行时间反转处理，得到时间反转信道h'(-t)；

步骤五：将垂直阵输出的信息信号s_r(t)与时间反转信道h'(-t)做卷积，实现信道均衡，抑制码间干扰，得到最终的信息信号：

$\begin{array}{c}r\left(t\right)=s_r\left(t\right)*h^{\′}\left(-t\right)=s\left(t\right)*h\left(t\right)*h^{\′}\left(-t\right)+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{si}\left(t\right)*h^{\′}\left(-t\right)\\ =s\left(t\right)*\hat{h}\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{n}_{si}\left(t\right)*h^{\′}\left(-t\right)\end{array}$

其中，