CN112152951B - 水声通信探测方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水声通信探测方法、装置、设备及存储介质，相较于现有技术中将水下探测和水下通信作为独立的设备单独设计和使用的方式，本发明中将水下探测和水下通信结合在一起，通过添加前导序列和单频信号的方式生成待发射信号，通过待发射信号与通信节点进行水下通信，并从接收的待处理信号中提取目标回波和目标通信信号，对目标回波进行多次多普勒估计和延时估计来获得探测结果，并基于多普勒估计和时延估计过程中的参数信息进行通信解调，以辅助获得目标通信结果，以实现在节点间通信的同时完成在通信节点覆盖范围内的水下物体的探测，从而通过一个设备来同时进行水下探测和水下通信，减小了平台体积、节省了系统能量，并增强了隐蔽性。

Description

水声通信探测方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，尤其涉及一种水声通信探测方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

水下目标探测主要通过声学手段，可采用主、被动两种工作模式，利用目标反射回波或者目标辐射噪声，采用声基元阵列和时间相关运算获得空间和时间增益，达到提高水下目标探测作用距离的目的。水下通信技术是以声波为载体实现信息在海洋中的传输，随着科学技术的发展，无论水下勘探、作业等民用领域还是水下作战等军用领域，水下设备正向着信息化、系统化和集成化的方向发展。水下探测及水下通信是水下信息获取的必要手段，是水声信息技术中备受重视的研究领域。现有的水下信息系统中，水下探测和水下通信往往作为独立的设备单独设计和使用，给体积占用、功率消耗方面带来很大压力。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是

现有技术。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种水声通信探测方法、装置、设备及存储介质，旨在解决现有技术中水下探测和水下通信作为独立的设备单独设计和使用，给体积占用、功率消耗方面带来很大压力的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种水声通信探测方法，所述水声通信探测方法包括以下步骤：

在初始正交频分复用OFDM通信信号中添加前导序列和单频信号，以生成待发射信号；

向通信节点发射所述待发射信号，以进行水下通信；

在水下通信过程中接收待处理通信信号，并检测所述待处理通信信号中是否存在目标回波，所述目标回波为所述待发射信号接触到水下物体后返回的信号；

在所述待处理通信信号中存在所述目标回波时，从所述待处理通信信号中提取所述目标回波和目标通信信号；

基于所述前导序列和所述单频信号对所述目标回波进行多次多普勒估计和时延估计，以获得探测结果；

获取所述多普勒估计和时延估计过程中的参数信息，并基于所述参数信息对所述目标通信信号进行通信解调，以辅助获得目标通信结果。

可选地，所述基于所述前导序列和所述单频信号对所述目标回波进行多次多普勒估计和时延估计，以获得探测结果，包括：

基于所述前导序列对所述目标回波进行时延粗估计，以获得第一待处理信号；

从所述第一待处理信号中提取出前导序列和参考OFDM符号，以获得第二待处理信号；

对所述第二待处理信号进行傅里叶变换，以获得第三待处理信号；

基于所述第三待处理信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿，以确定一次补偿后的参考OFDM符号；

基于所述一次补偿后的参考OFDM符号进行多普勒精估计和多普勒二次补偿，以获得第四待处理信号；

根据所述第四待处理信号获得探测结果。

可选地，所述根据所述第四待处理信号获得探测结果，包括：

对所述第四待处理信号进行反傅里叶变换，以获得第五待处理信号；

对所述第五待处理信号进行时延精估计，以获得探测结果。

可选地，所述基于所述第三待处理信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿，包括：

基于频域通过窄带滤波器从所述第三待处理信号中提取参考单频信号；

根据所述单频信号和所述参考单频信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿。

可选地，所述根据所述单频信号和所述参考单频信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿，包括：

获取所述单频信号对应的第一信号频率以及所述参考单频信号对应的第二信号频率；

根据所述第一信号频率和所述第二信号频率计算频率差；

根据所述频率差进行多普勒粗估计，以获得多普勒粗估计结果；

根据所述多普勒粗估计结果进行多普勒一次补偿。

可选地，所述基于所述一次补偿后的参考OFDM符号进行多普勒精估计和多普勒二次补偿，包括：

对所述一次补偿后的参考OFDM符号的载波频偏进行扫测，以获得扫测结果；

根据所述扫测结果确定载波间频率的偏移；

根据所述载波间频率的偏移进行多普勒精估计，以获得多普勒精估计结果；

根据所述多普勒精估计结果进行多普勒二次补偿。

可选地，所述在所述待处理通信信号中存在所述目标回波时，从所述待处理通信信号中提取所述目标回波和目标通信信号，包括：

在所述待处理通信信号中存在所述目标回波时，从所述待处理通信信号中提取目标通信信号；

对所述目标通信信号进行信道估计，以获得多途信息；

根据所述多途信息对所述待处理通信信号进行去除处理，以从所述待处理通信信号中分离出所述目标回波。

可选地，所述在初始OFDM通信信号中添加前导序列和单频信号，以生成待发射信号，包括：

从初始OFDM通信信号中提取OFDM符号，并确定所述OFDM符号对应的持续时间；

获取前导序列以及所述前导序列对应的保护间隔，并根据所述持续时间生成单频信号；

根据所述保护间隔将所述前导序列与所述OFDM符号进行组合，并将所述单频信号插入至所述OFDM符号中，以生成待发射信号。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种水声通信探测装置，所述水声通信探测装置包括：

信号生成模块，用于在初始OFDM通信信号中添加前导序列和单频信号，以生成待发射信号；

水下通信模块，用于向通信节点发射所述待发射信号，以进行水下通信；

信号接收模块，用于在水下通信过程中接收待处理通信信号，并检测所述待处理通信信号中是否存在目标回波，所述目标回波为所述待发射信号碰触到水下物体后返回的信号；

信号提取模块，用于在所述待处理通信信号中存在所述目标回波时，从所述待处理通信信号中提取所述目标回波和目标通信信号；

探测结果模块，用于基于所述前导序列和所述单频信号对所述目标回波进行多次多普勒估计和时延估计，以获得探测结果；

通信结果模块，用于获取所述多普勒估计和时延估计过程中的参数信息，并基于所述参数信息对所述目标通信信号进行通信解调，以辅助获得目标通信结果。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种水声通信探测设备，所述水声通信探测设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的水声通信探测程序，所述水声通信探测程序被处理器执行时实现如上所述的水声通信探测方法的步骤。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有水声通信探测程序，所述水声通信探测程序被处理器执行时实现如上文所述的水声通信探测方法的步骤。

本发明提出的水声通信探测方法，通过在初始OFDM通信信号中添加前导序列和单频信号，以生成待发射信号；向通信节点发射所述待发射信号，以进行水下通信；在水下通信过程中接收待处理通信信号，并检测所述待处理通信信号中是否存在目标回波，所述目标回波为所述待发射信号接触到水下物体后返回的信号；在所述待处理通信信号中存在所述目标回波时，从所述待处理通信信号中提取所述目标回波和目标通信信号；基于所述前导序列和所述单频信号对所述目标回波进行多次多普勒估计和时延估计，以获得探测结果；获取所述多普勒估计和时延估计过程中的参数信息，并基于所述参数信息对所述目标通信信号进行通信解调，以辅助获得目标通信结果。相较于现有技术中将水下探测和水下通信作为独立的设备单独设计和使用的方式，本发明中将水下探测和水下通信结合在一起，在初始OFDM通信信号中添加前导序列和单频信号以生成待发射信号，通过待发射信号与通信节点进行水下通信，并在接收的待处理信号中存在目标回波时，分别提取目标回波和目标通信信号，对目标回波进行多次多普勒估计和延时估计来获得探测结果，并基于多普勒估计和时延估计过程中的参数信息进行通信解调，以辅助获得目标通信结果，以实现在节点间通信的同时完成在通信节点覆盖范围内的水下物体的探测，从而通过一个设备来同时进行水下探测和水下通信，减小了平台体积、节省了系统能量，并增强了隐蔽性。

附图说明

图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的水声通信探测设备结构示意图；

图2为本发明水声通信探测方法第一实施例的流程示意图；

图3为本发明水声通信探测方法第二实施例的流程示意图；

图4为本发明水声通信探测方法一实施例的水声通信探测一体化实现过程示意图；

图5为本发明水声通信探测方法一实施例的水声通信探测一体化系统框架示意图；

图6为本发明水声通信探测方法第三实施例的流程示意图；

图7为本发明水声通信探测方法一实施例的带有前导序列的OFDM符号结构示意图；

图8为本发明水声通信探测装置第一实施例的功能模块示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的水声通信探测设备结构示意图。

如图1所示，该水声通信探测设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器（Central Processing Unit，CPU），通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏（Display）、输入单元比如按键，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口（如WI-FI接口）。存储器1005可以是高速随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）存储器，也可以是稳定的存储器（non-volatile memory），例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。

本领域技术人员可以理解，图1中示出的设备结构并不构成对水声通信探测设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

如图1所示，作为一种存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及水声通信探测程序。

在图1所示的水声通信探测设备中，网络接口1004主要用于连接外网，与其他网络设备进行数据通信；用户接口1003主要用于连接用户设备，与所述用户设备进行数据通信；本发明设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的水声通信探测程序，并执行本发明实施例提供的水声通信探测方法。

基于上述硬件结构，提出本发明水声通信探测方法实施例。

参照图2，图2为本发明水声通信探测方法第一实施例的流程示意图。

在第一实施例中，所述水声通信探测方法包括以下步骤：

步骤S10，在初始正交频分复用OFDM通信信号中添加前导序列和单频信号，以生成待发射信号。

需要说明的是，本实施例的执行主体可为水声通信探测设备，还可为其他可实现相同或相似功能的设备，本实施例对此不作限制，在本实施例中，以水声通信探测设备为例进行说明。

在本实施例中，水声通信探测设备可为水声通信探测一体化设备，同时具备水声通信和水声探测的功能。由于水声通信和水声探测在工作原理、系统结构、信号处理以及工作频率上的相似，在本实施例中，将两者有机的结合集成，形成通信探测一体化，可减小平台的体积，降低功耗，增强隐蔽性，这些优点对水下环境尤为适用。

通信探测一体化技术最早应用于雷达上，雷达领域的通信探测一体化技术相关研究较多，但很多也并非真正意义上的一体化技术，在声呐领域的探测通信一体化系统目前还处于起步阶段，水下信号的传输与水声信道关联性极大，并且水下的设备对能量利用率也有较高的要求，声呐领域的通信探测一体化技术是充分利用水下能量，节省设备空间的关键性技术。

应当理解的是，初始OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）通信信号为用来进行水下通信的信号，在本实施例中对该通信信号进行改进，在其中添加前导序列和单频信号，以生成待发射信号，通过前导序列和单频信号提高水声探测的精确性。

步骤S20，向通信节点发射所述待发射信号，以进行水下通信。

可以理解的是，水声通信探测设备在生成待发射信号后，可根据通信信息确定需要进行信息通信的通信节点，并向通信节点发射待发射信号，以进行水下通信。其中，通信节点可为一个，也可为多个，本实施例对此不作限制。

步骤S30，在水下通信过程中接收待处理通信信号，并检测所述待处理通信信号中是否存在目标回波，所述目标回波为所述待发射信号接触到水下物体后返回的信号。

应当理解的是，在水下通信过程中，在通信范围内，如果待发射信号接触到水下物体后，会反射回信号，在本实施例中，将该信号称之为目标回波。其中，水下物体可为岩石、动物、植物以及潜艇等可以反射信号的物体，还可为其他物体，本实施例对此不作限制。

可以理解的是，在水声通信探测设备与通信节点进行水下通信的过程中，可接收到返回的待处理通信信号，可对待处理通信信号进行检测，以判断待处理通信信号中是否存在目标回波。

在待处理通信信号中不存在目标回波时，说明待处理通信信号是单纯的通信信号，因此，可直接对所述待处理通信信号进行正常的通信端解调，以得到通信结果。

步骤S40，在所述待处理通信信号中存在所述目标回波时，从所述待处理通信信号中提取所述目标回波和目标通信信号。

应当理解的是，在待处理信号中存在目标回波时，则信号分为两路，一路进行探测流程调解，一路进行通信流程调解。可从待处理信号中提取目标回波和目标通信信号，基于所述目标回波进行探测流程调解，并基于所述目标通信信号进行通信流程调解。

进一步地，所述在所述待处理通信信号中存在所述目标回波时，从所述待处理通信信号中提取所述目标回波和目标通信信号，包括：

在所述待处理通信信号中存在所述目标回波时，从所述待处理通信信号中提取目标通信信号；对所述目标通信信号进行信道估计，以获得多途信息；

根据所述多途信息对所述待处理通信信号进行去除处理，以从所述待处理通信信号中分离出所述目标回波。

应当理解的是，可从待处理通信信号中提取目标通信信号，进行信道估计后，可反馈多途信息给接收端，反馈多途信息的目的是为了分离多途信号和探测信号。通信信号在发射端和接收端传输时，由于有不同路径的到达声波，因此，这个声波会对分离探测信号产生影响。在通信端对信道进行估计，能够准确地确定多途信号的到达时间，进而可通过滤波器对信号进行去除处理，分离出探测信号，即目标回波，从而使得到的目标回波更加准确。

步骤S50，基于所述前导序列和所述单频信号对所述目标回波进行多次多普勒估计和时延估计，以获得探测结果。

应当理解的是，可先进行探测调解，在探测调解的过程中，可基于前导序列和单频信号对目标回波进行多次多普勒估计和时延估计，以获得探测结果。其中，多普勒估计和时延估计的具体次数可为任意数值，可根据实际情况进行调整，本实施例对此不作限制，在本实施例中，以两次多普勒估计和两次时延估计为例进行说明。

可以理解的是，多普勒的计算公式（与信息传输载体（声波-水下、电磁波-雷达）在介质中的传播速度有关），在雷达领域的现有技术中，雷达中信号的多普勒对系统影响小，因此较少针对多普勒估计和补偿的研究。而水声中多普勒对系统影响大，且水声信道复杂，因此探测目标往往是运动的，探测的结果需要对目标的距离和运动速度进行精确的估计，需充分考虑多普勒对整个系统的距离估计的影响。

因此，为了减小探测误差，实现高精度的探测，在本实施例中对目标回波进行多次多普勒估计和时延估计来获得探测结果。其中，由于时延指的是信号发出和接收之间的时间，而信号的传输速度是可知的，因此，在确定时延后便可得到距离，本实施例中的时延估计也可称之为距离估计，其目的是为了确定水下物体与水下通信探测设备之间的距离。

步骤S60，获取所述多普勒估计和时延估计过程中的参数信息，并基于所述参数信息对所述目标通信信号进行通信解调，以辅助获得目标通信结果。

应当理解的是，可获取多普勒估计和时延估计过程中的参数信息，其中，参数信息可为多普勒信息，具体可为目标距离和目标运动速度对应的多普勒信息，并将多普勒信息反馈到通信流程，以对目标通信信号进行通信解调，消除此处多普勒对系统的影响，以辅助获得目标通信结果，所述目标通信结果为更准确的通信结果，从而既可得到准确的探测结果也可得到准确的通信结果，提高了通信探测系统的准确性。

需要说明的是，目标通信结果为两个终端之间的通信结果，通过参数信息辅助通信解调的方式，可获得更为准确的通信结果，从而提高通信效果。

在具体实现中，在终端a和终端b进行通信的过程中，如果发现了目标c，在通信的同时可对目标c进行探测估计，探测结果为对目标c进行的探测估计的结果，目标通信结果为终端a和终端b之间的通信结果。

在本实施例中，相较于现有技术中将水下探测和水下通信作为独立的设备单独设计和使用的方式，本实施例中将水下探测和水下通信结合在一起，在初始OFDM通信信号中添加前导序列和单频信号以生成待发射信号，通过待发射信号与通信节点进行水下通信，并在接收的待处理信号中存在目标回波时，分别提取目标回波和目标通信信号，对目标回波进行多次多普勒估计和延时估计来获得探测结果，并基于多普勒估计和时延估计过程中的参数信息进行通信解调，以辅助获得目标通信结果，以实现在节点间通信的同时完成在通信节点覆盖范围内的水下物体的探测，从而通过一个设备来同时进行水下探测和水下通信，减小了平台体积、节省了系统能量，并增强了隐蔽性。

在一实施例中，如图3所示，基于第一实施例提出本发明水声通信探测方法第二实施例，所述步骤S50，包括：

步骤S501，基于所述前导序列对所述目标回波进行时延粗估计，以获得第一待处理信号。

应当理解的是，由于水声中运动物体带来的多普勒会对时延距离的估计造成较大影响，因此，想获得高精度的距离估计结果，需要用前导序列进行时延粗估计后提取OFDM信号。

因此，可基于前导序列对目标回波进行时延粗估计，得到时延粗估计结果，即距离粗估计结果，将进行时延粗估计后的目标回波称之为第一待处理信号。

步骤S502，从所述第一待处理信号中提取出前导序列和参考OFDM符号，以获得第二待处理信号。

应当理解的是，可从第一待处理信号中提取出前导序列和参考OFDM符号，并将提取出前导序列和参考OFDM符号的信号称之为第二待处理信号。

步骤S503，对所述第二待处理信号进行傅里叶变换，以获得第三待处理信号。

应当理解的是，可对第二待处理信号进行傅里叶变换，并将进行傅里叶变换后的信号称之为第三待处理信号。

步骤S504，基于所述第三待处理信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿，以确定一次补偿后的参考OFDM符号。

应当理解的是，单频信号在水声通信中是最稳健的用于估计频偏（多普勒）的信号行驶，如果目标是运动的，产生的多普勒对整个OFDM信号定时造成影响，会对信号的提取以及利用OFDM符号进行多普勒估计的方法都造成较大误差。

因此，在获得第三待处理信号后，可从第三待处理信号中提取参考单频信号，进而计算参考单频信号与单频信号之间的频率差，通过频率差进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿，并且可以获得一次补偿后的参考OFDM符号。

进一步地，为了降低多普勒估计以及多普勒补偿的误差，提高水下探测精度，所述基于所述第三待处理信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿，包括：

基于频域通过窄带滤波器从所述第三待处理信号中提取参考单频信号；根据所述单频信号和所述参考单频信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿。

应当理解的是，可基于频域通过窄带滤波器从第三待处理信号中提取参考单频信号，对水下物体的运动速度进行多普勒粗估计，对运动速度带来的多普勒粗估计进行多普勒一次补偿。

进一步地，为了获得单频信号和参考单频信号之间的频率差，用于多普勒估计和多普勒补偿，所述根据所述单频信号和所述参考单频信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿，包括：

获取所述单频信号对应的第一信号频率以及所述参考单频信号对应的第二信号频率；根据所述第一信号频率和所述第二信号频率计算频率差；根据所述频率差进行多普勒粗估计，以获得多普勒粗估计结果；根据所述多普勒粗估计结果进行多普勒一次补偿。

可以理解的是，由于单频信号是在生成待发射信号时添加的，而参考单频信号也已经提取得到了，因此，可分别获取单频信号对应的第一信号频率以及参考单频信号对应的第二信号频率，然后根据第一信号频率和第二信号频率计算单频信号与参考单频信号之间的频率差，进而根据频率差进行多普勒粗估计，以获得多普勒粗估计结果，然后根据多普勒粗估计结果进行多普勒一次补偿。

步骤S505，基于所述一次补偿后的参考OFDM符号进行多普勒精估计和多普勒二次补偿，以获得第四待处理信号。

应当理解的是，可对一次补偿后的参考OFDM符号的载波频偏进行扫测，得到多普勒精估计结果并进行多普勒二次补偿，以获得第四待处理信号，其中，第四待处理信号中包含前导序列和参考OFDM符号。

进一步地，为了提高多普勒二次补偿的精确性，所述基于所述一次补偿后的参考OFDM符号进行多普勒精估计和多普勒二次补偿，包括：

对所述一次补偿后的参考OFDM符号的载波频偏进行扫测，以获得扫测结果；根据所述扫测结果确定载波间频率的偏移；根据所述载波间频率的偏移进行多普勒精估计，以获得多普勒精估计结果；根据所述多普勒精估计结果进行多普勒二次补偿。

应当理解的是，可对一次补偿后的参考OFDM符号的载波频偏进行扫测，获得扫测结果，并根据扫测结果确定载波间频率的偏移，实现多普勒精估计和多普勒二次补偿。

步骤S506，根据所述第四待处理信号获得探测结果。

应当理解的是，在进行时延粗估计以及两次多普勒估计和补偿后，可进一步对第四待处理信号进行时延精估计，以获得探测结果，从而实现高精度探测。

进一步地，为了得到更高精度的探测结果，在进行时延精估计之前，还可先进行反傅里叶变换，所述步骤S406，包括：

对所述第四待处理信号进行反傅里叶变换，以获得第五待处理信号；对所述第五待处理信号进行时延精估计，以获得探测结果。

可以理解的是，可对第四待处理信号进行反傅里叶变换，将反傅里叶变换之后的信号称之为第五待处理信号，进而对第五待处理信号进行时延精估计，以获得高精度的探测结果。

在具体实现中，本实施例中的水声通信探测一体化实现过程以及水声通信探测一体化系统框架分别如图4、图5所示。水声通信探测设备上设置有发射端和接收端，接收端又可分为通信接收端和探测接收端，通过发射端发射待发射信号，通过通信接收端接收目标通信信号，并通过探测接收端接收目标回波，从而在一个设备上可实现同时进行水下通信和水下探测。接收端在接收到待处理通信信号后，检测待处理通信信号中是否存在目标回波，若未检测到目标回波，则进行正常的通信端解调。若检测到目标回波，则如图4所示，将信号分为两路，基于目标回波进行探测流程解调，并基于目标通信信号进行通信流程解调。探测流程估计完目标距离和目标运动速度后，将多普勒信息反馈到通信流程，以消除此处多普勒对系统的影响。

应当理解的是，在图4中，进行信道估计后，可反馈多途信息给接收端，反馈多途信息的目的是为了分离多途信号和探测信号。通信信号在发射端和接收端传输时，由于有不同路径的到达声波，因此，这个声波会对分离探测信号产生影响。在通信端对信道进行估计，能够准确地确定多途信号的到达时间，进而可通过滤波器对信号进行去除处理，分离出探测信号，从而使得到的探测信号更加准确。

本实施例中通过基于所述前导序列对所述目标回波进行时延粗估计，以获得第一待处理信号；从所述第一待处理信号中提取出前导序列和参考OFDM符号，以获得第二待处理信号；对所述第二待处理信号进行傅里叶变换，以获得第三待处理信号；基于所述第三待处理信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿，以确定一次补偿后的参考OFDM符号；基于所述一次补偿后的参考OFDM符号进行多普勒精估计和多普勒二次补偿，以获得第四待处理信号；根据所述第四待处理信号获得探测结果，从而基于二次时延估计和两次多普勒估计，实现高精度探测。

在一实施例中，如图6所示，基于第一实施例或第二实施例提出本发明水声通信探测方法第三实施例，在本实施例中，基于第一实施例进行说明，所述步骤S10，包括：

步骤S101，从初始OFDM通信信号中提取OFDM符号，并确定所述OFDM符号对应的持续时间。

可以理解的是，可从初始OFDM通信信号中提取OFDM符号，并对OFDM符号进行检测，以确定OFDM符号对应的持续时间。

步骤S102，获取前导序列以及所述前导序列对应的保护间隔，并根据所述持续时间生成单频信号。

应当理解的是，在确定OFDM符号对应的持续时间后，可生成与OFDM符号持续时间相同的单频信号。同时还可获取前导序列，并获取前导序列对应的保护间隔。其中，前导序列可根据实际情况选择LFM，HFM，CW等信号及其任何组合等形式，本实施例对此不作限制。

步骤S103，根据所述保护间隔将所述前导序列与所述OFDM符号进行组合，并将所述单频信号插入至所述OFDM符号中，以生成待发射信号。

可以理解的是，可根据保护间隔将前导序列与OFDM符号进行组合，并将单频信号插入至OFDM符号中，其中，单频信号插入位置可依据实际多普勒不一致的情况，插入在OFDM符号的起始频率前、截止频率后及OFDM符号频段中间任意位置，本实施例对此不作限制。然后，将添加有前导序列和OFDM符号的信号称之为待发射信号。

在具体实现中，如图7所述，图7中为带有前导序列的OFDM符号结构示意图，为一种添加前导序列以及单频信号的方式，还可为其他添加方式，本实施例对此不作限制，在本实施例中仅以图7所示的添加方式进行举例说明。

本实施例中通过从初始OFDM通信信号中提取OFDM符号，并确定所述OFDM符号对应的持续时间；获取前导序列以及所述前导序列对应的保护间隔，并根据所述持续时间生成单频信号；根据所述保护间隔将所述前导序列与所述OFDM符号进行组合，并将所述单频信号插入至所述OFDM符号中，以生成待发射信号，从而将前导序列和单频信号以合适的方式添加至初始OFDM通信信号中，以生成待发射信号，将用于水下通信的初始OFDM通信信号与前导序列和单频信号进行结合，用于后续的水下探测，进而达到同时进行水下通信和水下探测的效果。

此外，本发明实施例还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有水声通信探测程序，所述水声通信探测程序被处理器执行时实现如上文所述的水声通信探测方法的步骤。

由于本存储介质采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

此外，参照图8，本发明实施例还提出一种水声通信探测装置，所述水声通信探测装置包括：

信号生成模块10，用于在初始OFDM通信信号中添加前导序列和单频信号，以生成待发射信号。

水下通信模块20，用于向通信节点发射所述待发射信号，以进行水下通信。

回波接收模块30，用于在水下通信过程中接收目标回波，所述目标回波为所述待发射信号碰触到水下物体后返回的信号。

探测结果模块40，用于基于所述前导序列和所述单频信号对所述目标回波进行多次多普勒估计和时延估计，以获得探测结果。

在本实施例中，相较于现有技术中将水下探测和水下通信作为独立的设备单独设计和使用的方式，本实施例中将水下探测和水下通信结合在一起，在初始OFDM通信信号中添加前导序列和单频信号以生成待发射信号，通过待发射信号与通信节点进行水下通信，并在接收的待处理信号中存在目标回波时，分别提取目标回波和目标通信信号，对目标回波进行多次多普勒估计和延时估计来获得探测结果，并基于多普勒估计和时延估计过程中的参数信息进行通信解调，以辅助获得目标通信结果，以实现在节点间通信的同时完成在通信节点覆盖范围内的水下物体的探测，从而通过一个设备来同时进行水下探测和水下通信，减小了平台体积、节省了系统能量，并增强了隐蔽性。

在一实施例中，所述探测结果模块40，还用于基于所述前导序列对所述目标回波进行时延粗估计，以获得第一待处理信号；从所述第一待处理信号中提取出前导序列和参考OFDM符号，以获得第二待处理信号；对所述第二待处理信号进行傅里叶变换，以获得第三待处理信号；基于所述第三待处理信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿，以确定一次补偿后的参考OFDM符号；基于所述一次补偿后的参考OFDM符号进行多普勒精估计和多普勒二次补偿，以获得第四待处理信号；根据所述第四待处理信号获得探测结果。

在一实施例中，所述探测结果模块40，还用于对所述第四待处理信号进行反傅里叶变换，以获得第五待处理信号；对所述第五待处理信号进行时延精估计，以获得探测结果。

在一实施例中，所述探测结果模块40，还用于基于频域通过窄带滤波器从所述第三待处理信号中提取参考单频信号；根据所述单频信号和所述参考单频信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿。

在一实施例中，所述探测结果模块40，还用于获取所述单频信号对应的第一信号频率以及所述参考单频信号对应的第二信号频率；根据所述第一信号频率和所述第二信号频率计算频率差；根据所述频率差进行多普勒粗估计，以获得多普勒粗估计结果；根据所述多普勒粗估计结果进行多普勒一次补偿。

在一实施例中，所述探测结果模块40，还用于对所述一次补偿后的参考OFDM符号的载波频偏进行扫测，以获得扫测结果；根据所述扫测结果确定载波间频率的偏移；根据所述载波间频率的偏移进行多普勒精估计，以获得多普勒精估计结果；根据所述多普勒精估计结果进行多普勒二次补偿。

在一实施例中，所述信号生成模块10，还用于从初始OFDM通信信号中提取OFDM符号，并确定所述OFDM符号对应的持续时间；获取前导序列以及所述前导序列对应的保护间隔，并根据所述持续时间生成单频信号；根据所述保护间隔将所述前导序列与所述OFDM符号进行组合，并将所述单频信号插入至所述OFDM符号中，以生成待发射信号。

在本发明所述水声通信探测装置的其他实施例或具体实现方法可参照上述各方法实施例，此处不再赘述。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该估算机软件产品存储在如上所述的一个估算机可读存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台智能设备(可以是手机，估算机，水声通信探测设备，空调器，或者网络水声通信探测设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种水声通信探测方法，其特征在于，所述水声通信探测方法包括以下步骤：

在初始正交频分复用OFDM通信信号中添加前导序列和单频信号，以生成待发射信号；

向通信节点发射所述待发射信号，以进行水下通信；

在水下通信过程中接收待处理通信信号，并检测所述待处理通信信号中是否存在目标回波，所述目标回波为所述待发射信号接触到水下物体后返回的信号；

在所述待处理通信信号中存在所述目标回波时，从所述待处理通信信号中提取所述目标回波和目标通信信号；

基于所述前导序列和所述单频信号对所述目标回波进行多次多普勒估计和时延估计，以获得探测结果；

获取所述多普勒估计和时延估计过程中的参数信息，并基于所述参数信息对所述目标通信信号进行通信解调，以辅助获得目标通信结果。

2.如权利要求1所述的水声通信探测方法，其特征在于，所述基于所述前导序列和所述单频信号对所述目标回波进行多次多普勒估计和时延估计，以获得探测结果，包括：

基于所述前导序列对所述目标回波进行时延粗估计，以获得第一待处理信号；

从所述第一待处理信号中提取出前导序列和参考OFDM符号，以获得第二待处理信号；

对所述第二待处理信号进行傅里叶变换，以获得第三待处理信号；

基于所述第三待处理信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿，以确定一次补偿后的参考OFDM符号；

基于所述一次补偿后的参考OFDM符号进行多普勒精估计和多普勒二次补偿，以获得第四待处理信号；

根据所述第四待处理信号获得探测结果；

其中，所述根据所述第四待处理信号获得探测结果，包括：

对所述第四待处理信号进行反傅里叶变换，以获得第五待处理信号；

对所述第五待处理信号进行时延精估计，以获得探测结果。

3.如权利要求2所述的水声通信探测方法，其特征在于，所述基于所述第三待处理信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿，包括：

基于频域通过窄带滤波器从所述第三待处理信号中提取参考单频信号；

根据所述单频信号和所述参考单频信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿。

4.如权利要求3所述的水声通信探测方法，其特征在于，所述根据所述单频信号和所述参考单频信号进行多普勒粗估计和多普勒一次补偿，包括：

获取所述单频信号对应的第一信号频率以及所述参考单频信号对应的第二信号频率；

根据所述第一信号频率和所述第二信号频率计算频率差；

根据所述频率差进行多普勒粗估计，以获得多普勒粗估计结果；

根据所述多普勒粗估计结果进行多普勒一次补偿。

5.如权利要求2所述的水声通信探测方法，其特征在于，所述基于所述一次补偿后的参考OFDM符号进行多普勒精估计和多普勒二次补偿，包括：

对所述一次补偿后的参考OFDM符号的载波频偏进行扫测，以获得扫测结果；

根据所述扫测结果确定载波间频率的偏移；

根据所述载波间频率的偏移进行多普勒精估计，以获得多普勒精估计结果；

根据所述多普勒精估计结果进行多普勒二次补偿。

6.如权利要求1~5中任一项所述的水声通信探测方法，其特征在于，所述在所述待处理通信信号中存在所述目标回波时，从所述待处理通信信号中提取所述目标回波和目标通信信号，包括：

在所述待处理通信信号中存在所述目标回波时，从所述待处理通信信号中提取目标通信信号；

对所述目标通信信号进行信道估计，以获得多途信息；

根据所述多途信息对所述待处理通信信号进行去除处理，以从所述待处理通信信号中分离出所述目标回波。

7.如权利要求1~5中任一项所述的水声通信探测方法，其特征在于，所述在初始OFDM通信信号中添加前导序列和单频信号，以生成待发射信号，包括：

从初始OFDM通信信号中提取OFDM符号，并确定所述OFDM符号对应的持续时间；

获取前导序列以及所述前导序列对应的保护间隔，并根据所述持续时间生成单频信号；

根据所述保护间隔将所述前导序列与所述OFDM符号进行组合，并将所述单频信号插入至所述OFDM符号中，以生成待发射信号。

8.一种水声通信探测装置，其特征在于，所述水声通信探测装置包括：

信号生成模块，用于在初始OFDM通信信号中添加前导序列和单频信号，以生成待发射信号；

水下通信模块，用于向通信节点发射所述待发射信号，以进行水下通信；

信号接收模块，用于在水下通信过程中接收待处理通信信号，并检测所述待处理通信信号中是否存在目标回波，所述目标回波为所述待发射信号碰触到水下物体后返回的信号；

信号提取模块，用于在所述待处理通信信号中存在所述目标回波时，从所述待处理通信信号中提取所述目标回波和目标通信信号；

探测结果模块，用于基于所述前导序列和所述单频信号对所述目标回波进行多次多普勒估计和时延估计，以获得探测结果；

通信结果模块，用于获取所述多普勒估计和时延估计过程中的参数信息，并基于所述参数信息对所述目标通信信号进行通信解调，以辅助获得目标通信结果。

9.一种水声通信探测设备，其特征在于，所述水声通信探测设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的水声通信探测程序，所述水声通信探测程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的水声通信探测方法的步骤。

10.一种计算机可读的存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有水声通信探测程序，所述水声通信探测程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的水声通信探测方法的步骤。

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