CN105974364B - 水下通信定位识别一体化波形优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水下通信定位识别一体化波形优化方法，面向水下网络态势感知与态势信息交互能力的提升需求，通过分析水声通信信号波形参数与水声定位测距精度、网内成员识别概率间的关系，提出水下通信定位识别一体化波形优化设计方法和准则，给出水声通信信号参数对定位、识别性能的约束关系，通过优化设计的方法实现水下一体化波形。本发明可有效扩展现有通信波形功能，达到了在实现数据传输的同时实现了距离——距离定位和网内成员识别功能的效果，为提升水下多节点网络化协同能力提供重要基础，为水下网络化信息系统的研制提供技术支撑。

Description

水下通信定位识别一体化波形优化方法
技术领域
本发明属于水下网络信息系统应用技术领域。
背景技术
由于电磁波在水中传播时衰减严重，而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，海洋中的探测、通信、定位、导航和识别主要是利用声波实现的。因此，对水下通信定位识别一体化波形优化的研究主要集中在对水声通信、定位、识别的研究之上。
水声通信技术经历了从模拟通信阶段到数字通信的发展过程，主要分为采用非相干调制和相干调制两大类。非相干调制方式在抗强多途干扰、大信号起伏和低信噪比上具有明显的优势，但带宽利用率较低。相干调制方式的传输速率更高，但存在计算复杂度高的问题。
水下目标定位的主要手段是依赖于几何原理的水声学定位方法。按照接收基阵的尺寸或应答器基阵的基线长度来分类，水声定位技术可分为长基线、短基线和超短基线三种。长基线和短基线系统多采用距离——距离系统，而超短基线系统多采用距离——方位系统。按照工作方式水声定位技术可分为同步式水声定位系统和异步式水声定位系统，分别采用球面(或双曲面)交汇的方法得到目标在信号发射时刻的相对或绝对坐标。
网内成员识别是水下网络信息系统中需要解决的重要问题之一，主要分为协同识别和非协同识别两种。“协同”识别中目标的属性信息是采用事先约定的方式进行交换的。“非协同”方式中识别方不需要被识别目标的配合，通过主动或被动方式获取目标的物理特征和辐射信号后，对数据进行特征提取、分类和特征匹配实现对目标属性的判别。所以协同识别方式信息获取速度快、实时性强、识别率高、容易建立安全和保密的信息交换方式。
目前，水下通信、定位、识别技术多是从单一技术的研究为主，缺少对集水声通信、定位和识别功能于一体的多功能系统的研究。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于水声传输波形的多功能优化设计流程和方法，在波形设计时综合考虑定位和识别功能的实现，通过一套传输波形实现水下网络节点间的通信、定位和识别三种功能，可解决水下节点间的信息分发和态势形成与共享等网络化协同问题，有效支撑水下网络态势的形成以及态势信息的分发与共享。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤1，根据系统指定的水下节点距离r，通过声传播损失曲线TL＝20 lg r+α×r，其中，吸收系数在不大于30kHz的频率范围内任意选择一水声传输波形数据信号的中心频率f记作f0，执行步骤2；
步骤2，根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率f0，通过噪声级计算公式NL＝NL(f0)+10lg(Δf)和海洋环境噪声谱级曲线，在不大于30kHz的频率范围内任意选择一水声传输波形数据信号的带宽Δf记作Δf1，执行步骤3；
步骤3，根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率f0和带宽Δf1，以及系统指定的发射声源级SL、水下节点距离r和声纳指向性指数DI，通过被动声纳方程SL-TL-(NL-DI)＝DT计算得到传输波形数据信号检测阈DT，执行步骤4；
步骤4，根据得到的水声传输波形数据信号检测阈DT，以及不同调制和编码方式的水声传输波形误码率曲线，任意选择一种水声传输波形数据信号调制方式和编码方式，若在接收信噪比等于检测阈时满足系统指定的误码率指标，执行步骤5；若在接收信噪比等于检测阈时无满足系统指定的误码率指标的调制和编码方式，返回步骤1，减小传输波形信号的中心频率f0、带宽Δf1，或重新选择调制和编码方式，执行步骤1～4，直至满足系统指定的误码率指标；
步骤5，根据系统指定的定位工作方式，在时域上数据信号前加一扩频同步信号；在不大于30kHz的频率范围内任意选择一同步信号频带范围Δf2，执行步骤6。
步骤6，根据得到的水声传输波形的同步信号频带范围Δf2，计算系统定位的最小分辨距离Δd，若满足系统定位的距离分辨率指标，执行步骤7；若不满足系统定位的距离分辨率指标，返回步骤5，增大传输波形同步信号的频带范围Δf2，执行步骤5～6，直至满足系统定位的距离分辨率指标；
步骤7，根据得到的水声传输波形同步信号频带范围Δf2，在满足水下节点距离r的条件下，任意选择一水声传输波形同步信号的时间长度T1，执行步骤8；
步骤8，根据得到的水声传输波形同步信号时长T1，计算通信定位识别一体化波形的网内成员识别概率R；若满足系统识别功能指标，执行步骤9；若不满足系统识别功能指标，返回步骤7，增大同步信号时间长度T1，执行步骤7～8，直至满足系统识别功能指标；
步骤9，根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率、带宽、调制方式和编码方式，以及同步信号时长T1，计算得到通信定位识别一体化波形的数据传输速率。
本发明的有益效果是：可有效扩展现有通信波形功能，达到了在实现数据传输的同时实现了步骤6的距离——距离定位和步骤9的网内成员识别功能的效果，为水下网络化信息系统的研制提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明水下通信定位识别一体化波形优化方法工作流程图。
图2为本发明水下节点距离r＝5km条件下的声传播损失曲线图。
图3为本发明未编码(5，31)循环移位扩频BPSK调制误码率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明面向水下网络态势感知与态势信息交互能力的提升需求，通过分析水声通信信号波形参数与水声定位测距精度、网内成员识别概率间的关系，提出水下通信定位识别一体化波形优化设计方法和准则，给出水声通信信号参数对定位、识别性能的约束关系，通过优化设计的方法实现水下一体化波形，为提升水下多节点网络化协同能力提供重要基础。
本发明提供一种水下通信定位识别一体化波形优化设计流程与方法，主要包括以下步骤：
1.根据系统指定的水下节点距离r，通过声传播损失曲线TL＝20 lg r+α×r，其中，吸收系数f为水声传输波形数据信号的中心频率，在不大于30kHz的频率范围内任意选择一水声传输波形数据信号的中心频率f记作f0，执行步骤2；
2.根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率f0，通过噪声级计算公式NL＝NL(f0)+10lg(Δf)和海洋环境噪声谱级曲线，在不大于30kHz的频率范围内任意选择一水声传输波形数据信号的带宽Δf记作Δf1，执行步骤3；
3.根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率f0和带宽Δf1，以及系统指定的发射声源级SL、水下节点距离r和声纳指向性指数DI，通过被动声纳方程SL-TL-(NL-DI)＝DT计算得到传输波形数据信号检测阈DT，执行步骤4；
4.根据得到的水声传输波形数据信号检测阈DT，以及不同调制和编码方式的水声传输波形误码率曲线，任意选择一种水声传输波形数据信号调制方式和编码方式，若在接收信噪比等于检测阈时满足系统指定的误码率指标，执行步骤5；若在接收信噪比等于检测阈时无满足系统指定的误码率指标的调制和编码方式，返回步骤1，减小传输波形信号的中心频率f0、带宽Δf1，或重新选择调制和编码方式，执行步骤1～4，直至满足系统指定的误码率指标；
5.根据系统指定的定位工作方式，在时域上数据信号前加一扩频同步信号；在不大于30kHz的频率范围内任意选择一同步信号频带范围Δf2，执行步骤6。
6.根据得到的水声传输波形的同步信号频带范围Δf2，计算系统定位的最小分辨距离Δd，若满足系统定位的距离分辨率指标，执行步骤7；若不满足系统定位的距离分辨率指标，返回步骤5，增大传输波形同步信号的频带范围Δf2，执行步骤5～6，直至满足系统定位的距离分辨率指标；
7.根据得到的水声传输波形同步信号频带范围Δf2，在满足水下节点距离r的条件下，任意选择一水声传输波形同步信号的时间长度T1，执行步骤8；
8.根据得到的水声传输波形同步信号时长T1，计算通信定位识别一体化波形的网内成员识别概率R；若满足系统识别功能指标，执行步骤9；若不满足系统识别功能指标，返回步骤7，增大同步信号时间长度T1，执行步骤7～8，直至满足系统识别功能指标；
9.根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率、带宽、调制方式和编码方式，以及同步信号时长T1，计算得到通信定位识别一体化波形的数据传输速率。
本发明实施例的步骤如下：
1.根据系统指定水下节点距离r＝5km，通过图2所示的声传播损失曲线，选择水声传输波形数据信号的中心频率f0＝10kHz。
2.根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率f0＝8kHz，通过噪声级计算公式和Knudson提出的海洋环境噪声谱级曲线，选择水声传输波形数据信号的带宽Δf1＝4kHz。
3.根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率f0＝10kHz和带宽Δf1＝4kHz，以及系统指定的发射声源级SL＝158dB、水下节点距离r＝5km和声纳指向性指数DI＝0，通过被动声纳方程计算得到传输波形数据信号检测阈DT＝-7dB。
4.根据得到的水声传输波形数据信号检测阈DT，通过图3所示的误码率曲线，选择水声传输波形数据信号采用未编码的(5，31)循环移位扩频BPSK调制方式，在-7dB时不满足系统指定的误码率指标BER＜10-4，在带宽和编码、调制方式不变的情况下，减小传输波形信号的中心频率为f0＝6kHz，重新计算得到传输波形数据信号检测阈DT＝-4dB，满足系统指定的误码率指标BER＜10-4。
5.根据系统指定的基于短基线的异步式距离——距离水声定位方式和水下节点距离r，在时域上数据信号前加一直接序列扩频同步信号，同步信号频带范围为Δf2＝6～8kHz。
6.根据得到的水声传输波形同步信号频带范围Δf2，计算系统定位的最小分辨距离Δd＝1.5m，不满足系统定位的距离分辨率指标Δd＜1m，增大传输波形同步信号的频带范围为Δf2＝4～8kHz，重新计算系统定位的最小分辨距离Δd＝0.75m，满足系统定位的距离分辨率指标Δd＜1m。
7.根据得到的水声传输波形同步信号频带范围Δf2，在满足水下节点距离r的条件下，选择水声传输波形同步信号的时间长度T1＝7.5ms。
8.根据得到的水声传输波形同步信号时长T1，计算通信定位识别一体化波形的网内成员识别概率R＝80％。不满足系统识别功能指标R＞85％，增大同步信号时间长度为T1＝15.5ms，重新计算得到网内成员识别概率R＝89％，满足系统识别功能指标R＞85％。
9.根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率、带宽、调制方式和编码方式，以及同步信号时长T1，计算得到通信定位识别一体化波形的信息传输速率Rb＝161bits/s。
综上所述，本发明提出的水下通信定位识别一体化波形优化方法效果显著，依据本发明方法设计的一体化波形，在发射声源级SL＝158dB、水下节点距离r＝5km和声纳指向性指数DI＝0条件下，同时实现了Rb＝161bits/s的误码率BER＜10-4数据传输功能、5km范围内最小分辨距离Δd＜1m的距离——距离定位功能和识别概率R＞85％的网内成员识别功能。

Claims (1)

1.一种水下通信定位识别一体化波形优化方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1，根据系统指定的水下节点距离r，通过声传播损失曲线TL＝20lgr+α×r，其中，吸收系数在不大于30kHz的频率范围内任意选择一水声传输波形数据信号的中心频率f记作f0，执行步骤2；
步骤2，根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率f0，通过噪声级计算公式NL＝NL(f0)+10lg(Δf)和海洋环境噪声谱级曲线，在不大于30kHz的频率范围内任意选择一水声传输波形数据信号的带宽Δf记作Δf1，执行步骤3；
步骤3，根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率f0和带宽Δf1，以及系统指定的发射声源级SL、水下节点距离r和声纳指向性指数DI，通过被动声纳方程SL-TL-(NL-DI)＝DT计算得到水声传输波形数据信号检测阈DT，执行步骤4；
步骤4，根据得到的水声传输波形数据信号检测阈DT，以及不同调制和编码方式的水声传输波形数据信号误码率曲线，任意选择一种水声传输波形数据信号调制方式和编码方式，若在接收信噪比等于水声传输波形数据信号检测阈DT时满足系统指定的误码率指标，执行步骤5；若在接收信噪比等于水声传输波形数据信号检测阈DT时无满足系统指定的误码率指标的调制和编码方式，返回步骤1，减小水声传输波形数据信号的中心频率f0、带宽Δf1，或重新选择调制和编码方式，执行步骤1～4，直至满足系统指定的误码率指标；
步骤5，根据系统指定的定位工作方式，在时域上水声传输波形数据信号前加一扩频同步信号作为水声传输波形数据信号的同步信号；在不大于30kHz的频率范围内任意选择一水声传输波形数据信号的同步信号频带范围Δf2，执行步骤6；
步骤6，根据得到的水声传输波形数据信号的同步信号频带范围Δf2，计算系统定位的最小分辨距离Δd，若满足系统定位的距离分辨率指标，执行步骤7；若不满足系统定位的距离分辨率指标，返回步骤5，增大水声传输波形数据信号的同步信号的频带范围Δf2，执行步骤5～6，直至满足系统定位的距离分辨率指标；
步骤7，根据得到的水声传输波形数据信号的同步信号频带范围Δf2，在满足水下节点距离r的条件下，任意选择一水声传输波形数据信号的同步信号时长T1，执行步骤8；
步骤8，根据得到的水声传输波形数据信号的同步信号时长T1，计算通信定位识别一体化波形的网内成员识别概率R；若满足系统识别功能指标，执行步骤9；若不满足系统识别功能指标，返回步骤7，增大水声传输波形数据信号的同步信号时长T1，执行步骤7～8，直至满足系统识别功能指标；
步骤9，根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率、带宽、调制方式和编码方式，以及水声传输波形数据信号的同步信号时长T1，计算得到通信定位识别一体化波形的数据传输速率。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110703206B (zh) * 2019-09-19 2023-07-25 上海船舶电子设备研究所(中国船舶重工集团公司第七二六研究所) 水下uuv通信定位一体化系统
CN112630759A (zh) * 2020-11-24 2021-04-09 海鹰企业集团有限责任公司 一种基于fpga的水声应答器电子设备
CN115407269A (zh) * 2021-05-28 2022-11-29 华为技术有限公司 测距方法和装置
CN116633388B (zh) * 2023-07-24 2023-10-10 烟台初心航空科技有限公司 无线电测距系统地面信标台应答信号产生方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102183435A (zh) * 2011-01-25 2011-09-14 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种基于多路径反射理论的海底密度和声速测量方法
CN102608609A (zh) * 2011-12-19 2012-07-25 浙江大学 一种基于mimo的高分辨水下目标探测装置及方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007507691A (ja) * 2003-09-29 2007-03-29 エイシー キャピタル マネージメント インコーポレーテッド ソナー・システムおよびプロセス

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102183435A (zh) * 2011-01-25 2011-09-14 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种基于多路径反射理论的海底密度和声速测量方法
CN102608609A (zh) * 2011-12-19 2012-07-25 浙江大学 一种基于mimo的高分辨水下目标探测装置及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于扩频技术的远程声遥控系统研究;高风波;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20040915(第03期);正文第1，10，11，26，51页 *

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