CN113179234B - 一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法，属于海洋测量技术领域。为了解决水声通信系统中低信噪比背景下的多普勒频偏估计精度低以及高动态背景下长信号累积过程中信号相关性差、信噪比增益低的问题。本发明将接收信号进行分块处理；采用脉冲对相位测频算法估计每一个信号块的频偏；结合频偏估计结果确定有效接收信号的起始位置；利用当前信号块的频偏估计值依次对后序信号块进行多普勒补偿；对于补偿后的接收信号，将每个码字与后序码字累加，实现信号累积。主要用于水声通信系统中的多普勒频偏估计。

Description

一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法

技术领域

本发明涉及一种长信号的累积方法，属于海洋测量技术领域。

背景技术

水声信道具有严重的时变、空变特性，受制于海洋环境和水下移动平台的工况，声波在水中的传播会受到高噪声、复杂多途扩展以及多普勒频移等因素影响，给高动态条件下低信噪比的水声信号检测与跟踪技术带来极大挑战。

针对低信噪比情况下的信号累积，传统技术中采用相干、非相干以及差分相干积分方式可以有效提升信噪比增益，提高检测性能，但在高动态背景下，平台之间相对运动状态的不确定性导致接收信号码字间出现不同程度的频率偏移，严重影响信号之间的相关性，信号长时间累积信噪比增益提升不明显。

同时针对高动态情况下的多普勒频偏估计与补偿，低信噪比背景下传统频偏估计方法多普勒估计精度低，并且短时脉冲信号展现出多普勒分辨力不足、信号相关增益低等缺点，由于硬件设备计算能力的限制，直接对长脉宽的连续波信号频偏估计也难以实现，导致无法对信号多普勒频移精确补偿，影响水下目标的检测与跟踪性能。

发明内容

本发明的目的为了解决水声通信系统中低信噪比背景下的多普勒频偏估计精度低以及高动态背景下长信号累积过程中信号相关性差、信噪比增益低的问题，提出一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法。

一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法，包括以下步骤：

步骤S1、接收信号经过载波正交解调及滤波抽取预处理，得到含有多普勒信息的复指数扩频信号，按照K个码字间隔进行初步截取，分块处理；

步骤S2、采用脉冲对相位测频算法，结合相位模糊修正，实现每个信号块频偏估计；

步骤S3、从接收到的第一个信号块开始，每次滑动一个信号块，计算后序M个信号块的频偏估计结果标准差，如果标准差低于判决门限，则将该信号块确定为有效接收信号的起始位置；

步骤S4、根据步骤S3确定的有效接收信号起始位置以及步骤S2获得每个信号块的频偏估计结果，逐次滑动一个信号块，利用当前信号块的频偏估计结果补偿后序信号块，同时将补偿后的信号块重新估计残留频偏，对原始频偏估计结果进行修正，重复上述过程补偿至信号尾；

步骤S5、对于补偿后的接收信号，将每个码字与后序码字线性叠加，实现长信号的累积。

进一步地，步骤S1所述的复指数扩频信号

N_s为包含的码字数，a为振幅，d为信息位符号，f_d为码字包含的多普勒信息，f_s为采样率，

为初始相位，n_i为高斯白噪声，j表示虚数。

进一步地，步骤S2所述的脉冲对相位测频算法频偏估计结果为：

其中：

为估计的接收信号相位差，R_ix(τ)为接收信号中两个信号块共轭相乘得到的复相关值，τ为两个信号块的时延值；τ为脉冲对中的两个脉冲的时延间隔。

进一步地，所述估计的接收信号相位差

Re(·)表示复数的实部，Im(·)表示复数的虚部。

进一步地，步骤S2中所述的相位模糊修正方程为：

其中：η为误差容限，k定义为速度模糊周期，ΔΨ为估计的模糊相位；

为脉冲对相位测频算法估计的相位差。

进一步地，步骤S3所述的M个信号块频偏估计结果标准差为：

其中：

为M个信号块频偏估计的均值；j′表示第j′个信号块。

进一步地，步骤S4所述的补偿过程的补偿方式包括以下步骤：

利用第i个信号块频偏估计结果

多普勒补偿第i+1个信号块，利用补偿后第i+1信号块采用步骤S2所述的脉冲对相位测频算法进行第二次频率估计得到残留多普勒频偏

利用残留多普勒频偏

修正

得到

重复上述过程，通过串行迭代直至补偿到最后一个信号块；

然后利用时域重采样技术，结合修正后的每个信号块多普勒信息重新规划每一个信号块，保证每一个包含不同多普勒信息的信号块的时域长度相同。

进一步地，所述步骤S4中信号块经过频偏修正后的频偏估计结果为：

其中：

为信号块修正后的频偏估计结果，

为信号块原始频偏估计结果，

为经过补偿后信号块，利用脉冲对相位测频算法估计的残留多普勒频偏。

进一步地，所述步骤S5中所述实现长信号的累积的累积方式包括以下步骤：

对于补偿后的接收信号，从有效接收信号起始位置开始，将每一个码字与后序一定数量的码字进行线性叠加，将获得的信号作为累积后的码字，重复上述处理过程至信号尾，实现长信号累积。

进一步地，所述步骤S5进行长信号累积后的输出信号为：

S'r＝[S'₁,S'₂,S'₃,…,S'_i′-N+1]

其中S'_i′＝s'_i′+s'_i′+1+…+s'_i′+N，s'_i′为多普勒补偿后的单个码字信号，i′为接收信号包含的码字数，N为信号相干累积的叠加数。

有益效果：

(1)本发明采用将信号分块处理进行频偏估计与补偿，能够解决低信噪比条件下脉冲对测频算法多普勒频偏估计精度低的问题，能够权衡估计精度与硬件计算量之间的关系。

(2)本发明利用逐信号块补偿多普勒频偏，可以精确跟踪高动态条件下频偏，有效消除动态多普勒对信号块间相关性的影响，可以很好地解决高动态背景下长信号累积过程中信号相关性差、信噪比增益低的问题，提升检测与跟踪性能。

附图说明

图1是技术方案流程框图；

图2是串行迭代多普勒补偿原理框图；

图3是长信号累积原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式为一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法，长信号是指单个信号的时阈为几十秒量级，高动态是指物体运动模型中加速度为几米/秒²的情况。结合图1具体说明本实施方式。

本实施方式所述的一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法，包括以下步骤：

步骤S1、首先将接收信号经过经载波正交解调及滤波抽取预处理，得到含有多普勒频偏信息的复指数扩频信号S_r，S_r＝[s₀,s₁,s₂,…s_N-1]；

其中：

N为包含的码字数，a为振幅，d为信息位符号，f_d为码字包含的多普勒信息，f_s为采样率，

为初始相位，n_i为高斯白噪声，j表示虚数。

通过将接收的复指数扩频信号按照3～5个码字间隔进行分块处理，获得对应的信号块。

步骤S2、采用脉冲对相位测频算法，结合相位模糊修正，实现每个信号块频偏估计。

采用的脉冲对相位测频算法估计的频偏结果为：

其中：

为估计的相位差，R_ix(τ)为接收信号中两个复指数扩频信号块共轭相乘得到的复相关值。Re(·)表示复数的实部，Im(·)表示复数的虚部；τ为脉冲对中的两个脉冲的时延间隔；

对应的相位模糊修正方程为：

其中：η为误差容限，k定义为速度模糊周期，ΔΨ为估计的模糊相位。

通过脉冲对相位测频算法结合相位模糊问题的修正技术，实现对信号块多普勒频偏

的精确估计。

步骤S3、从接收到的第一个信号块开始，每次滑动一个信号块，计算后序M个信号块的频偏估计结果标准差，利用有效接收信号的频偏估计结果标准差较小的特点确定有效接收信号的起始位置，即：当滑动到某一个信号块时，如果计算的后序M个信号块频偏估计结果标准差小于设定门限，则将该信号块确定为有效接收信号的起始位置。

M个信号块频偏估计结果标准差为：

其中：

为M个信号块频偏估计的均值，j′表示第j′个信号块。

步骤S4、根据步骤S3确定的有效接收信号起始位置以及步骤S2获得每个信号块的频偏估计结果，逐次滑动一个信号块，利用当前信号块的频偏估计结果补偿后序信号块，同时将补偿后的信号块重新估计残留频偏，对原始频偏估计结果进行修正，重复上述过程补偿至信号尾。

具体补偿方式如图2所示，即利用第i个信号块频偏估计结果

多普勒补偿第i+1个信号块，利用补偿后第i+1信号块采用步骤S2所述的脉冲对相位测频算法进行第二次频率估计得到残留多普勒频偏

利用残留多普勒频偏

修正

得到

重复上述过程，通过串行迭代直至补偿到最后一个信号块。

然后利用时域重采样技术，结合修正后的每个信号块多普勒信息重新规划每一个信号块，保证每一个包含不同多普勒信息的信号块的时域长度相同。

步骤S5、对于补偿后的接收信号，将每个码字线性叠加后序码字，实现长信号的累积。

结合图3所示的长信号累积原理框图，从补偿后的有效接收信号的第一个码字开始，依次滑动1个码字，当滑动到第i′个码字时，将第i′个码字与第(i′+1)～(i′+N)个码字首尾对齐线性叠加形成新的码字，作为累积后的一个码字信号，依次滑动，最终得到一个对应叠加数为N条件下的累积信号S'r＝[S'₁,S'₂,S'₃,…,S'_i′-N+1]，实现长信号的累积。

其中S'_i′＝s'_i′+s'_i′+1+…+s'_i′+N，s'_i′为多普勒补偿后的单个码字信号，i′为接收信号包含的码字数，N为信号相干累积的叠加数。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、接收信号经过载波正交解调及滤波抽取预处理，得到含有多普勒信息的复指数扩频信号，按照K个码字间隔进行初步截取，分块处理；

步骤S2、采用脉冲对相位测频算法，结合相位模糊修正，实现每个信号块频偏估计；

所述的脉冲对相位测频算法频偏估计结果为：

其中：

为估计的接收信号相位差，τ为脉冲对中的两个脉冲的时延间隔；

所述估计的接收信号相位差

Re(·)表示复数的实部，Im(·)表示复数的虚部，R_ix(τ)为接收信号中两个信号块共轭相乘得到的复相关值；

所述的相位模糊修正方程为：

其中：η为误差容限，k定义为速度模糊周期，ΔΨ为估计的模糊相位；

为脉冲对相位测频算法估计的相位差；

步骤S3、从接收到的第一个信号块开始，每次滑动一个信号块，计算后序M个信号块的频偏估计结果标准差，如果标准差低于判决门限，则将该信号块确定为有效接收信号的起始位置；

步骤S4、根据步骤S3确定的有效接收信号起始位置以及步骤S2获得每个信号块的频偏估计结果，逐次滑动一个信号块，利用当前信号块的频偏估计结果补偿后序信号块，同时将补偿后的信号块重新估计残留频偏，对原始频偏估计结果进行修正，重复上述过程补偿至信号尾；

步骤S5、对于补偿后的接收信号，将每个码字与后序码字线性叠加，实现长信号的累积。

2.根据权利要求1所述的一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法，其特征在于，步骤S1所述的复指数扩频信号

N_s为包含的码字数，a为振幅，d为信息位符号，f_d为码字包含的多普勒信息，f_s为采样率，

为初始相位，n_i为高斯白噪声，j表示虚数。

3.根据权利要求2所述的一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法，其特征在于，步骤S3所述的M个信号块频偏估计结果标准差为：

其中：

为M个信号块频偏估计的均值；j′表示第j′个信号块。

4.根据权利要求3所述的一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法，其特征在于，步骤S4所述的补偿过程的补偿方式包括以下步骤：

利用第i个信号块频偏估计结果

多普勒补偿第i+1个信号块，利用补偿后第i+1信号块采用步骤S2所述的脉冲对相位测频算法进行第二次频率估计得到残留多普勒频偏

利用残留多普勒频偏

修正

得到

重复上述过程，通过串行迭代直至补偿到最后一个信号块；

然后利用时域重采样技术，结合修正后的每个信号块多普勒信息重新规划每一个信号块，保证每一个包含不同多普勒信息的信号块的时域长度相同。

5.根据权利要求4所述的一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法，其特征在于，所述步骤S4中信号块经过频偏修正后的频偏估计结果为：

其中：

为信号块修正后的频偏估计结果，

为信号块原始频偏估计结果，

为经过补偿后信号块，利用脉冲对相位测频算法估计的残留多普勒频偏。

6.根据权利要求5所述的一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法，其特征在于，所述步骤S5中所述实现长信号的累积的累积方式包括以下步骤：

对于补偿后的接收信号，从有效接收信号起始位置开始，将每一个码字与后序一定数量的码字进行线性叠加，将获得的信号作为累积后的码字，重复上述处理过程至信号尾，实现长信号累积。

7.根据权利要求6所述的一种基于分块多普勒补偿的高动态长信号累积方法，其特征在于，所述步骤S5进行长信号累积后的输出信号为：

S'r＝[S'₁,S'₂,S'₃,…,S'_i′-N+1]

其中S'_i′＝s'_i′+s'_i′+1+…+s'_i′+N，s'_i′为多普勒补偿后的单个码字信号，i′为接收信号包含的码字数，N为信号相干累积的叠加数。

Images