[發明專利]稀疏信道下基于能量集中的水聲前導信號檢測方法

有效

• 申請號: 201710103383.9
• 申請日: 2017-02-24
• 公開（公告）號: CN106936514B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 李維;辛夢穎;劉永芳;劉旸旭;陳希
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院
• 主分類號: H04B13/02
• 分類號: H04B13/02;H04B17/30
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙) 44248
• 代理人: 孫偉

本發明提出了提出一種稀疏信道下基于能量集中度(EC)的水聲前導信號檢測方法，應用于稀疏信道下的水聲通信系統，降低前導信號誤檢率，提高檢測率，提高系統的檢測性能，提高系統通信效率。本發明通過稀疏信號重構以及OMP算法，估計了幾個重要元素（分量）的能量集中度用以判定稀疏信號是否重構成功，可應用與水聲通信、水聲定位跟蹤、軍事、航海遠洋、雷達、聲納中。相較于現有技術有以下優點：1.本發明在加性高斯白噪聲以及不同類型干擾下都具有很強的魯棒性；2.相較于基于匹配濾波器的檢測技術，本發明在多徑信道下有較好的檢測性能；3.相較于其它現有技術，本發明在復雜多變的實際水下環境中表現出較為理想的檢測性能。

技術領域

本發明涉及水聲通信系統技術領域，尤其涉及一種稀疏信道下的水聲前導信號檢測方法。

背景技術

在傳輸大量數據流之前，通常都會發送一個用于輔助接收器檢測傳輸數據的前導信號，這個前導信號會使接收器從一種潛在低功耗模式轉入到一種高功耗的數據處理模式。前導信號的誤檢可能會縮短接收器電池壽命。同時，隨著水下網絡不斷發展其應用范圍越來越廣，不同系統的共存問題日益凸顯。而不同水下系統的共存要求接收機能夠不被來自于其它系統的信號觸發。

然而，水聲系統中的前導信號檢測在以下兩個方面挑戰。首先，實際系統中水下背景噪聲是時變的非平穩的，并且存在著各種各樣外界干擾：窄帶干擾、沖激噪聲、短時帶限干擾等。(其中尤為有害的干擾是來自于共存聲吶或通信系統中的類似的線性調頻信號，因為類似線性調頻信號往往具有很大相關性。)其次，水聲信道具有復雜的多徑結構。

現有水聲前導信號技術一般都是基于匹配濾波器的檢測方法，主要有以下幾種：

1.匹配濾波器(MF)：將本地信號與接收信號進行卷積，進而得到接收信號與已知前導信號的相關值用于表征相似性并與門限值進行比較，以此進行信號檢測。匹配濾波器是在加性高斯白噪聲下最大化輸出SNR的最優線性濾波器。

2.累積和檢驗算法(Page test)：首先對噪聲方差進行估計，借此對匹配濾波器輸出值進行歸一化。其次將歸一化值進行數據偏移并且對多條路徑的歸一化偏移值進行累加，提高檢測能力。Page test算法明確考慮到海洋環境的非平穩性，且該算法復雜度較低。

3.歸一化匹配濾波器(NMF)：在匹配濾波器基礎上歸一化輸入功率，計算輸入樣本與本地模板之間的相關系數并與門限值進行比較，以此進行信號檢測。 NMF方法在干擾噪聲能量較大時能夠有效的抑制噪聲幅度從而取得較為理想的檢測效果。

然而以上基于匹配濾波器的算法都存在著各種各樣的問題。其中MF算法，水下多徑信道會導致模板不匹配，除此之外水下環境噪聲是不穩定的還存在各種各樣外部噪聲。這使得接收器選擇適當的門限值變得更加復雜；Page test算法，當干擾時長較短且頻帶與雙曲調頻信號(HFM)/線性調頻信號(LFM)有重疊時，該算法受影響嚴重，檢測性能不理想；NMF算法沒有考慮到多徑問題，其性能在密集的多徑信道中會顯著惡化。

發明內容

本發明的目的在于，提出了一種稀疏信道下基于能量集中度(EC)的水聲前導信號檢測方法，應用于稀疏信道下的水聲通信系統，降低前導信號誤檢率，提高檢測率，提高系統的檢測性能，提高系統通信效率。本發明通過稀疏信號重構以及OMP算法，估計了幾個重要元素(分量)的能量集中度用以判定稀疏信號是否重構成功，可應用與水聲通信、水聲定位跟蹤、軍事、航海遠洋、雷達、聲納中。

為達上述目的，本發明通過以下技術方案實現：

一種稀疏信道下基于能量集中的水聲前導信號檢測方法，包括：

步驟1、頻帶搬移及采樣：首先將接收到的帶通信號x～(t)進行頻率搬移得到基帶信號x(t)，然后對基帶信號x(t)以基帶采樣率B進行采樣，其中B為指定帶寬，采樣間隔為T_s＝1/B；