[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

本發明公開了一種基于矢量水聽器陣列的UUV移動水聲通信技術，屬于水下移動通信技術領域。(1)提出矢量多通道判決反饋均衡器，該均衡器主要包含兩大部分：i、矢量信號處理部分通過矢量組合抑制非期望方向的干擾，提高輸入信號的信噪比；ii、多通道判決反饋均衡部分通過前向濾波器和反饋濾波器系數的調整抑制水聲信道多途擴展產生的碼間干擾。(2)在此基礎上，針對UUV移動通信過程中產生的復雜多普勒效應，提出基于分數階傅里葉變換的水聲信道時延?多普勒函數估計方法，通過鎖相環和重采樣技術抑制多普勒產生的信號畸變。分數階傅里葉變換能夠實現準確的多普勒估計，采用矢量多通道判決反饋均衡器取得了穩健的通信性能，顯著降低了誤碼率。

技術領域

本發明屬于水下移動通信技術領域，具體涉及一種基于矢量水聽器陣列的UUV移動水聲通信技術。

背景技術

盡管衛星遙感可以獲取大量的海洋觀測數據，但其無法深入到海面以下。為了感知海洋內部的時空變化，無人潛航器(Unmanned underwater vehicle,UUV)等多種海洋觀測技術得到了快速發展。UUV可以搭載多種傳感器獲取水下環境數據，并通過水聲通信技術將數據回傳到水面母船。然而水聲信道被認為是最為困難的無線通信信道，為了克服水聲信道的嚴重多途擴展和快速衰落，通常需要采用大尺度的接收陣列來取得滿意的通信性能，這對于UUV等小型平臺來說幾乎是不可實現的。另一方面，UUV移動通信過程中會產生多普勒效應，使得接收信號畸變，因此需要對多普勒進行估計和補償。為此，本文探索利用小尺度的矢量水聽器陣列實現UUV穩健水聲通信的方法，并聯合分數階傅里葉變換(Fractional Fourier Transform,FRFT)實現多普勒的估計和補償。

矢量水聽器能同時測量聲場中的聲壓標量和三個正交方向的質點振速矢量，提供了更多的信號處理手段。20世紀90年代后期開始逐步成為水聲界研究的熱點，基于單矢量水聽器的指向性設計、聲強檢測、多目標分辨，以及基于矢量陣的空間高分辨率技術的研究成果，為水聲信號處理能力的提高提供了新的思路。近年來，矢量水聽器也逐漸被應用于水聲通信領域。Ali Abdi對矢量水聲信道以及矢量水聲通信進行了深入的研究，海試結果顯示單矢量水聽器即可取得與4元聲壓水聽器陣列相近的效果。Aijun Song對基于矢量水聽器陣列的水聲通信技術開展了研究，不同通信距離試驗數據處理結果均顯示了矢量水聽器相較于傳統聲壓水聽器的優勢。殷敬偉開展了矢量水聽器在水聲擴頻、OFDM、單載波等體制中的理論與應用研究，創新提出了單矢量有源平均聲強器及其空分多址技術。

FRFT最早由V.Namias提出用于解決量子力學中產生的局部微分方程。1992年，Ozaktas利用Wigner分布形式重新給出了分數階傅里葉變換的定義，并從新的定義上解釋了時頻平面的旋轉算子并給出了離散表達形式。經過幾十年的發展，FRFT技術目前在水聲領域也得到了廣泛的應用。例如，T.C.Yang利用FRFT在嚴重的混響背景下估計目標回波的時延和多普勒，并與寬帶模糊度函數方法進行了對比分析。余華研究了基于分數階傅里葉變換的時延-多普勒雙擴信道的參數估計方法，但該方法需要配合匹配濾波器完成水聲信道多徑間時延的測量。陳艷麗提出了一種簡明分數階傅里葉變換方法，形式簡單，離散計算方便實現，能顯著提高信號檢測和參數估計的實時處理速度。

本發明針對UUV移動水聲通信問題，探索利用小尺度矢量水聽器陣列實現穩健的水聲通信性能，提出矢量多通道判決反饋均衡方法，利用矢量信號的線性組合和矢量陣元的空間分集最大化信號處理增益，并采用FRFT技術實現水聲信道時延-多普勒函數的估計，時延估計結果用于確定信道抽頭個數，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。

發明內容

本發明的目的在于提供對設備要求相對簡單，較常規方法更易實現，且抗噪效果好，實現UUV之間移動條件下穩健水聲通信的一種基于矢量水聽器陣列的UUV移動水聲通信技術。

本發明的目的通過如下技術方案來實現：

在發射端：