一种基于矢量水听器阵列的UUV移动水声通信技术.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109405954A(43)申请公布日2019.03.01(21)申请号201811236548.0(22)申请日2018.10.23(71)申请人哈尔滨工程大学地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学科技处知识产权办公室(72)发明人韩笑李林殷敬伟郭龙祥生雪莉(51)Int.Cl.G01H3/00(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图3页(54)发明名称一种基于矢量水听器阵列的UUV移动水声通信技术(57)摘要本发明公开了一种基于矢量水听器阵列的UUV移动水声通信技术，属于水下移动通信技术领域。(1)提出矢量多通道判决反馈均衡器，该均衡器主要包含两大部分：i、矢量信号处理部分通过矢量组合抑制非期望方向的干扰，提高输入信号的信噪比；ii、多通道判决反馈均衡部分通过前向滤波器和反馈滤波器系数的调整抑制水声信道多途扩展产生的码间干扰。(2)在此基础上，针对UUV移动通信过程中产生的复杂多普勒效应，提出基于分数阶傅里叶变换的水声信道时延-多普勒函数估计方法，通过锁相环和重采样技术抑制多普勒产生的信号畸变。分数阶傅里叶变换能够实现准确的多普勒估计，采用矢量多通道判决反馈均衡器取得了稳健的通信性能，显著降低了误码率。CN109405954ACN109405954A权利要求书1/2页1.一种基于矢量水听器阵列的UUV移动水声通信技术，其特征在于，包括以下步骤：在发射端：(1.1)生成发送数据；(1.2)加入训练序列；(1.3)编码映射；(1.4)对信号进行升采样，设置合适的码元宽度；(1.5)脉冲成型；(1.6)将信号调制到高频载波上，加上同步信号，发射信号；在接收端：(2.1)首先对矢量水听器接收信号进行预处理，包括滤波和放大，去除带外噪声，对信号幅度放大；(2.2)进行矢量信号处理，包括同步，信号提取，声源方位估计和矢量信号叠加；(2.3)利用线性调频同步信号进行分数阶傅里叶变换，估计信号的时延与多普勒；(2.4)多普勒估计结果用于确定信号重采样因子，抑制UUV平台运动产生的多普勒；(2.5)利用多通道判决反馈均衡器进行均衡，抑制水声信道多途扩展产生的码间干扰；(2.6)重复步骤(2.1)至步骤(2.5)中的步骤完成后续码元的解码；(2.7)输出信息序列。2.根据权利要求1所述的一种基于矢量水听器阵列的UUV移动水声通信技术，其特征在于，所述的矢量多通道判决反馈均衡技术包括两大部分：一是矢量信号处理部分；二是多通道判决反馈均衡部分。3.根据权利要求1所述的一种基于矢量水听器阵列的UUV移动水声通信技术，其特征在于，所述的基于分数阶傅里叶变换的水声信道时延-多普勒函数估计具体为：(3.1)线性调频信号x(t)的p阶分数阶傅里叶变换可以表示为：p式中，F[·]为分数阶傅里叶变换的算子，Kp(t,u)为分数阶傅里叶变换的变换核，其具体表达式为：式中，为幅度因子，α为旋转角度且变换阶次p与旋转角度α间关系为α＝pπ/2；(3.2)多普勒系数的估计，对于线性调频信号x(t)的最佳变换阶次popt可以表示为式中，fs为采样频率，k为信号的调频斜率，M为信号的采样点数，当存在多普勒效应时信2CN109405954A权利要求书2/2页号的调频斜率会发生变化且k′＝(1+δ)2k，其中δ为多普勒系数，通过搜索可以得到接收信号的最佳变换阶次为popt′，则多普勒系数估计结果可以表示为3CN109405954A说明书1/6页一种基于矢量水听器阵列的UUV移动水声通信技术技术领域[0001]本发明属于水下移动通信技术领域，具体涉及一种基于矢量水听器阵列的UUV移动水声通信技术。背景技术[0002]尽管卫星遥感可以获取大量的海洋观测数据，但其无法深入到海面以下。为了感知海洋内部的时空变化，无人潜航器(Unmannedunderwatervehicle,UUV)等多种海洋观测技术得到了快速发展。UUV可以搭载多种传感器获取水下环境数据，并通过水声通信技术将数据回传到水面母船。然而水声信道被认为是最为困难的无线通信信道，为了克服水声信道的严重多途扩展和快速衰落，通常需要采用大尺度的接收阵列来取得满意的通信性能，这对于UUV等小型平台来说几乎是不可实现的。另一方面，UUV移动通信过程中会产生多普勒效应，使得接收信号畸变，因此需要对多普勒进行估计和补偿。为此，本文探索利用小尺度的矢量水听器阵列实现UUV稳健水声通信的方法，并联合分数阶傅里叶变换(FractionalFourierTransform,FRFT)实现多普勒的估计和补偿。[0003]矢量水听器能同时测量声场中的声压标量和三个正交方向的质点振速矢量，提供了更多的信号处理手段。20世纪90年代后期开