水声信道下线性调频信号参数估计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于水声通信技术领域，特别涉及一种水声信道下线性调频信号参数估计方法及装置，该方法包含：构建水声通道信号模型；接收通过水声通道模型处理后的N分量Chirp信号，通过分数阶傅里叶变换进行阶次搜索，获取N分量Chirp信号调频率；对N分量Chirp信号依次进行调频补偿，并通过快速傅里叶变换对起始频率估计并输出。本发明专利技术将FRFT域起始频率估计通过调频率分量处理后旋转到FFT域处理，获得低信噪比下均方误差更小的起始频率估计值；并通过对水声信道建模，在水声多径信道的背景下获得多分量Chirp信号参数估计，提升起始频率估计性能，保证信号重构准确率，提高水声通信质量，保证通信的稳健，性能稳定、运行高效，具有较强的实际应用价值和发展前景。

Parameter Estimation Method and Device of Linear Frequency Modulation Signal in Underwater Acoustic Channel

The invention belongs to the field of underwater acoustic communication technology, in particular to a method and device for parameter estimation of linear frequency modulation signal in underwater acoustic channel. The method includes: constructing underwater acoustic channel signal model; receiving N component Chirp signal processed by underwater acoustic channel model, searching order by fractional Fourier transform to obtain N component Chirp signal frequency modulation; and depending on N component Chirp signal. Secondary frequency modulation is compensated, and the initial frequency is estimated and output by fast Fourier transform. The method rotates FRFT domain initial frequency estimation to FFT domain after frequency component processing, and obtains the initial frequency estimation value with smaller mean square error under low signal-to-noise ratio; and by modeling underwater acoustic channel, multi-component Chirp signal parameter estimation is obtained under the background of underwater acoustic multipath channel, which improves the performance of initial frequency estimation, ensures the accuracy of signal reconstruction and improves the quality of underwater acoustic communication. Quantity, ensure the robustness of communication, stable performance, efficient operation, has strong practical application value and development prospects.

【技术实现步骤摘要】
水声信道下线性调频信号参数估计方法及装置
本专利技术属于水声通信
，特别涉及一种水声信道下线性调频信号参数估计方法及装置。
技术介绍
线性调频信号(Chirp或称LFM)作为一种成熟的非平稳信号，被广泛的应用于雷达、声呐和水声通信中。起始频率和调频率是Chirp信号的关键参数，对于两者的估计取得了广泛的研究。在传统无线信道的背景下，针对Chirp信号的参数估计方法主要有基于最大似然(MaximumLikelihood，ML)、短时Fourier变换、小波变换、Wigner-Hough变换、Wigner-Ville分布、分数阶傅里叶变换(FractionalFouriertransform,FRFT)等方法，其中最大似然估计方法估计性能好，但其运算复杂度过高，基于Wigner-Ville分布的参数估计方法在估计多分量线性调频信号时存在交叉项问题，小波变换法对多分量线性调频信号估计性能好，但也存在计算量较大的问题，FRFT是以一组正交的Chirp函数作为变换基底，非常适合于对线性调频信号的参数估计。以上方法在无线信道的背景下对参数估计的取得了较好效果，但不适用于水声信道下线性调频信号的参数估计。水声信道是时延和频移双扩散的复杂信道，其多途效应十分严重，水声通信中的时延可达几十毫秒甚至几百毫秒，水声信道时延对Chirp信号的调频率影响较小，但是对起始频率会造成严重影响，导致在无线信道背景下经典的参数估计算法无法直接应用于水声信道，为了获得精确地参数估计性能，迫切需要寻求一种适应于水声信道下针对Chirp信号的参数估计方法。
技术实现思路
为此，本专利技术提供一种水声信道下线性调频信号参数估计方法及装置，实现低吸噪比、低占空比、欠采样等恶劣影响下以及多分量Chirp信号的参数估计，便于信号重构，提高系统估计精度和处理效率。按照本专利技术所提供的设计方案，一种水声信道下线性调频信号参数估计方法，包含如下内容：构建用于输入并处理N分量线性调频Chirp信号的水声通道信号模型；接收通过水声通道模型处理后的N分量Chirp信号，通过分数阶傅里叶变换进行阶次搜索，获取N分量Chirp信号调频率；对N分量Chirp信号依次进行调频补偿，并通过快速傅里叶变换对起始频率估计并输出。上述的，构建水声通道模型，包含如下内容：依据单分量Chirp信号，及消除多普勒效应水声多途信道的时变冲激响应，获取N分量Chirp信号经过多途时延的混合叠加信号模型。优选的，通过信号幅度、起始频率和调频率来表示单分量Chirp信号，通过信道路径的幅度和时延来表示时变冲激响应。上述的，通过分数阶傅里叶变换进行阶次搜索，获取N分量Chirp信号调频，包含如下内容：设定最佳阶次范围，通过峰值搜索得到不同阶次的峰值，获取N分量Chirp信号的调频率。优选的，针对接收到的Chirp信号，获取其分数阶傅里叶变换，并通过单分量Chirp信号，获取Chirp信号在分数阶傅里叶变换域内变成一个脉冲的旋转角度，通过该旋转角度得到最佳阶次，依据最佳阶次获取对应分量的调频率。优选的，设定滑动步长进行不同阶次的峰值搜索得到最佳阶次，依据得到的最佳阶次获取多分量Chirp信号的调频率。上述的，获取N分量Chirp信号调频率后，对N分量Chirp信号依次进行调频补偿，包含如下内容：首先，将接收到的Chirp信号转换为单频信号；然后，针对每个分量Chirp信号的单频信号进行快速傅里叶变换，得到该分量Chirp信号对应的频率估计值序列，并联立信道时延和起始频率，得到起始频率估计值。优选的，转换单频信号过程中，通过如下公式实现：其中，N分量Chirp信号对应的调频率为[k1,k2,……kN]，R(t)为接收信号。一种水声信道下线性调频信号参数估计装置，包含模型构建模块、数据获取模块和数据输出模块，其中，模型构建模块，用于构建用于输入并处理N分量线性调频Chirp信号的水声通道信号模型；数据获取模块，用于接收通过水声通道模型处理后的N分量Chirp信号，通过分数阶傅里叶变换进行阶次搜索，获取N分量Chirp信号调频率；数据输出模块，用于对N分量Chirp信号依次进行调频补偿，并通过快速傅里叶变换对起始频率估计并输出。上述的装置中，数据输出模块包含转换子模块、估值子模块和输出子模块，其中，转换子模块，用于将接收到的Chirp信号转换为单频信号；估值子模块，用于针对每个分量Chirp信号的单频信号进行快速傅里叶变换，得到该分量Chirp信号对应的频率估计值序列，并联立信道时延和起始频率，得到起始频率估计值；输出子模块，用于将得到的起始频率估计值作为线性调频信号参数进行输出。本专利技术的有益效果：本专利技术针对水声信道下Chirp信号参数估计问题，利用经过水声信道后Chirp信号的调频率不变的特性，通过FRFT变换进行阶次搜索得到多分量Chirp信号的调频率；对接收到的信号依次进行调频率补偿后，借助FFT变换对受不同信道时延影响的起始频率进行区分，得到起始频率估计值；发挥FRFT对多分量Chirp信号处理的优势，获得精确的调频率估计，将FRFT域的起始频率估计通过调频率分量处理后旋转到FFT域处理，从而获得低信噪比下均方误差更小的的起始频率的估计值；并通过对水声信道建模，对Chirp信号经过水声信道后的参数变化进行讨论，在水声多径信道的背景下获得多分量Chirp信号参数估计，提升起始频率的估计性能，保证通信的稳健，性能稳定、运行高效，具有较强的实际应用价值和发展前景。附图说明：图1为实施例中线性调频信号参数估计方法流程示意图；图2为实施例中信号参数估计框架；图3为实施例中线性调频信号参数估计装置示意图；图4为实施例中数据输出模块示意图；图5为实施例中归一化信道冲激响应示意图；图6为实施例中不同阶数FRFT最大幅值示意图之一；图7为实施例中通过估计调频率补偿后频域示意图之一；图8为实施例中不同阶数FRFT最大幅值示意图之二；图9为实施例中通过估计调频率补偿后频域示意图之二；图10为实施例中起始频率的均方误差示意图。具体实施方式：下面结合附图和技术方案对本专利技术作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本专利技术的实施方式，但本专利技术的实施方式并不限于此。目前，针对Chirp信号的参数估计方法在无线通信背景下已取得丰硕的成果，针对低信噪比下、低占空比下、欠采样等恶劣影响下以及多分量Chirp信号的参数估计问题进行了丰富的研究。但是，在对Chirp信号参数估计时现有估计方法中大多将Chirp信号默认为雷达信号，假设的背景为无线信道，在实际应用中，Chirp信号作为具有大多普勒容限的信号，在水声通信中广泛的被应用于同步信号以及载波信号中，研究水声信道下Chirp信号的参数估计问题有着重要的意义。为此，本申请实施例中，参见图1所示，提供一种水声信道下线性调频信号参数估计方法，包含如下内容：构建用于输入并处理N分量线性调频Chirp信号的水声通道信号模型；接收通过水声通道模型处理后的N分量Chirp信号，通过分数阶傅里叶变换进行阶次搜索，获取N分量Chirp信号调频率；对N分量Chirp信号依次进行调频补偿，并通过快速傅里叶变换对起始频率估计并输出。针对水声信道下Chirp信号参数估计问题，首先利用经过水声信道本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水声信道下线性调频信号参数估计方法，其特征在于，包含如下内容：构建用于输入并处理N分量线性调频Chirp信号的水声通道信号模型；接收通过水声通道模型处理后的N分量Chirp信号，通过分数阶傅里叶变换进行阶次搜索，获取N分量Chirp信号调频率；对N分量Chirp信号依次进行调频补偿，并通过快速傅里叶变换对起始频率估计并输出。

【技术特征摘要】
1.一种水声信道下线性调频信号参数估计方法，其特征在于，包含如下内容：构建用于输入并处理N分量线性调频Chirp信号的水声通道信号模型；接收通过水声通道模型处理后的N分量Chirp信号，通过分数阶傅里叶变换进行阶次搜索，获取N分量Chirp信号调频率；对N分量Chirp信号依次进行调频补偿，并通过快速傅里叶变换对起始频率估计并输出。2.根据权利要求1所述的水声信道下线性调频信号参数估计方法，其特征在于，构建水声通道模型，包含如下内容：依据单分量Chirp信号，及消除多普勒效应水声多途信道的时变冲激响应，获取N分量Chirp信号经过多途时延的混合叠加信号模型。3.根据权利要求2所述的水声信道下线性调频信号参数估计方法，其特征在于，通过信号幅度、起始频率和调频率来表示单分量Chirp信号，通过信道路径的幅度和时延来表示时变冲激响应。4.根据权利要求1所述的水声信道下线性调频信号参数估计方法，其特征在于，通过分数阶傅里叶变换进行阶次搜索，获取N分量Chirp信号调频，包含如下内容：设定最佳阶次范围，通过峰值搜索得到不同阶次的峰值，获取N分量Chirp信号的调频率。5.根据权利要求4所述的水声信道下线性调频信号参数估计方法，其特征在于，针对接收到的Chirp信号，获取其分数阶傅里叶变换，并通过单分量Chirp信号，获取Chirp信号在分数阶傅里叶变换域内变成一个脉冲的旋转角度，通过该旋转角度得到最佳阶次，依据最佳阶次获取对应分量的调频率。6.根据权利要求4所述的水声信道下线性调频信号参数估计方法，其特征在于，设定滑动步长进行不同阶次的峰值搜索得到最佳阶次，依据得到的最佳阶次获取多分量Chirp信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊军辉，彭华，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：河南,41