[發明專利]一種基于矢量水聽器陣列的UUV移動水聲通信技術

有效

• 申請號: 201811236548.0
• 申請日: 2018-10-23
• 公開（公告）號: CN109405954B
• 公開（公告）日: 2022-01-14
• 發明（設計）人: 韓笑;李林;殷敬偉;郭龍祥;生雪莉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01H3/00
• 分類號: G01H3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于矢量水聽器陣列的UUV移動水聲通信方法，其特征在于，包括以下步驟：

在發射端：

(1.1)生成發送數據；

(1.2)加入訓練序列；

(1.3)編碼映射；

(1.4)對信號進行升采樣，設置合適的碼元寬度；

(1.5)脈沖成型；

(1.6)將信號調制到高頻載波上，加上同步信號，發射信號；

在接收端：

(2.1)首先對矢量水聽器接收信號進行預處理，包括濾波和放大，去除帶外噪聲，對信號幅度放大；

(2.2)進行矢量信號處理，包括同步，信號提取，聲源方位估計和矢量信號疊加；

(2.3)利用線性調頻同步信號進行分數階傅里葉變換，估計信號的時延與多普勒；

(2.4)多普勒估計結果用于確定信號重采樣因子，抑制UUV平臺運動產生的多普勒；

(2.5)利用多通道判決反饋均衡器進行均衡，抑制水聲信道多途擴展產生的碼間干擾；

(2.6)重復步驟(2.1)至步驟(2.5)中的步驟完成后續碼元的解碼；

(2.7)輸出信息序列；

矢量多通道判決反饋均衡技術包括兩大部分：一是矢量信號處理部分；二是多通道判決反饋均衡部分；對于二維的矢量水聽器，其接收信號表示為

式中，p(t)、v_x(t)、v_y(t)分別為矢量水聽器的聲壓信號、x軸和y軸振速信號，x(t)為目標信號，η_p(t)、分別為各項同性的加性非相干干擾，且η_p(t)、η_x(t)、η_y(t)和x(t)之間相互獨立，θ為入射聲波的水平方位角且θ∈[0,2π]；

根據矢量水聽器聲壓和振速信號的對應關系，采用平均聲強器進行聲源方位的估計，平均聲強器的輸出表示為

式中，橫線表示時間平均，由于η_p(t)、η_x(t)、η_y(t)和x(t)之間相互獨立，因此和中第一項為期望項，其余項為小量處理：

式中，Δ_x和Δ_y為小量，則利用平均聲強估計得到信號的波達方位：

利用估計得到的方位信息即可通過矢量組合來調整矢量水聽器指向性，采用p(t)+2v_c(t)的矢量組合，其中：

矢量組合后的信號s(t)進一步通過多通道判決反饋均衡技術抑制水聲信道多途擴展產生的碼間干擾，最終的輸出信號表示為

式中，N為矢量陣元個數；“H”表示共軛轉置；為第i個通道前向濾波器的抽頭系數且其中n_a為前向濾波器的抽頭個數；w_fb(n)為反饋濾波器的抽頭系數且w_fb(n)＝[w_fb(n,-n_c+1),w_fb(n,-n_c+2),……w_fb(n,0)]^T，其中n_c為反饋濾波器的抽頭個數；s_i(n)為前向濾波器的輸入且s_i(n)＝[s(n+1),s(n+2),…s(n+n_a)]^T；為反饋濾波器的輸入且Δ_i(n)為第i個通道n時刻的鎖相環相位輸出，可以表示為Δ_i(n)＝2θ_i(n-1)-θ_i(n-2)+P₁Φ_i(n)-P₂Φ_i(n-1)

式中，P₁和P₂為比例和積分常量；取P₁＝10P₂；Φ_i(n)表示為

Φ_i(n)＝Im{p_i(n)[d(n)+q(n)]^*}

根據判決符號與均衡符號d(n)之間的誤差，并依據自適應算法可對多通道判決反饋均衡器的權系數進行調整，采用RLS算法，其權系數的更新過程表示為

w(n)＝w(n-1)+K(n)e^*(n)

式中，為多通道判決反饋均衡器權系數的集合；為多通道判決反饋均衡器輸入符號的集合；λ為遺忘因子；P_yy(n)為輸入符號的相關矩陣；

基于分數階傅里葉變換的水聲信道時延-多普勒函數估計具體為：

(3.1)線性調頻信號x(t)的p階分數階傅里葉變換可以表示為：

式中，F^p[·]為分數階傅里葉變換的算子，K_p(t,u)為分數階傅里葉變換的變換核，其具體表達式為：

式中，為幅度因子，α為旋轉角度且變換階次p與旋轉角度α間關系為α＝pπ/2；

(3.2)多普勒系數的估計，

對于線性調頻信號x(t)的最佳變換階次p_opt可以表示為

式中，f_s為采樣頻率，k為信號的調頻斜率，M為信號的采樣點數，當存在多普勒效應時信號的調頻斜率會發生變化且k′＝(1+δ)²k，其中δ為多普勒系數，通過搜索可以得到接收信號的最佳變換階次為p_opt′，則多普勒系數估計結果表示為