一种多普勒频偏测量方法技术

本发明专利技术属于水声信号处理领域，具体涉及一种多普勒频偏测量方法。本发明专利技术属于水声信号处理领域。涉及一种水声信道中的多普勒频偏测量方法。本发明专利技术中的多普勒频偏测量方法是在传统的FFT运算基础上进行的。先对接收的信号进行FFT运算，得到的结果仅为频率的粗略估计值。为进一步提高估计精度，在粗略估计值周围进行插值迭代运算，迭代两次即可得到频率的精细估计值。这样，将频率估计结果与原信号频率相减便可得到高精度的多普勒频偏测量值。本发明专利技术的优点在于估计性能受多途干扰影响小，能在低信噪比下进行多普勒频偏估计；频率估计精度高，理论上估计方差接近于克拉美罗界。

【技术实现步骤摘要】
一种多普勒频偏测量方法
本专利技术属于水声信号处理领域，具体涉及一种多普勒频偏测量方法。
技术介绍
近些年来，水下移动节点，如水下无人潜器，间的声学通信正在受到更多的关注。由于水中声信号的传播速度小，约1500m/s，与其它通信系统相比，水声通信更易受多普勒效应的影响。即使接收机/发射机之间的慢速运动或者固有的电流波运动都会对发射信号产生显著的多普勒效应。目前水声通信中最常用的抑制多普勒效应的方法分两步进行：第一步先对接收信号中的多普勒频偏进行估计，计算出多普勒因子；第二步利用估计出的多普勒因子对接收信号进行重采样，以此达到多普勒补偿的目的。此方法中，只有频偏估计的足够准确，多普勒补偿才能达到理想的效果。因此，多普勒频偏估计在抑制多普勒效应的过程中是十分关键的。频率估计法是多普勒频偏估计的重要方法。这种方法通过发射单频信号，在接收端对接收到的信号进行频率估计，接收信号频率与发射信号频率之差即为多普勒频偏。然而，在复杂的水声信道环境中，频率估计的性能易受噪声和多途干扰的影响，从而影响了多普勒频偏估计的精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多普勒频偏测量方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种多普勒频偏测量方法，包括以下步骤：(1)发射端发射单频信号；(2)接收端将采集到的信号进行粗略频率估计；(3)利用粗略频率估计结果进行精细频率估计；(4)将接收信号频率估计值与发射信号频率估计值相减得到多普勒频偏测量值。首先发射端发射单频信号，接收端接收信号并采集完毕，在所述步骤(2)中的粗略频率估计时设接收信号为s(k)，采样点数为N，对输入信号作N点FFT计算，并寻找计算结果的模值平方的最大值即：其中第一参数k表示第k个采样点。所述步骤(3)中的频率精细估计时设定量化频率偏差初值设定第二参数i从1到2进行迭代计算：其中，k表示第k个采样点，s(k)表示第k个采样点的接收信号，第i次迭代后量化频率偏差为粗略频率估计模值平方的最大值，p为第三参数，β为第四参数，β按下式计算：得到接收信号s(k)的频率估计值：其中，fs为接收信号的采样频率，N为采样点数，为粗估计频率模值平方的最大值，为第二次迭代后量化频率偏差值。所述步骤(4)得到多普勒频偏测量值Δf为：其中，f0为发射信号的频率，为接收信号s(k)的频率估计值。所述的步骤(2)粗略频率估计通过对接收信号进行FFT计算实现。所述步骤(3)精细频率估计通过在粗略频率估计值周围进行迭代插值实现。本专利技术的有益效果在于：(1)受多途干扰影响小，能在低信噪比下进行多普勒频偏估计；(2)频率估计精度高，理论上估计方差接近于克拉美罗界。本专利技术中的多普勒频偏测量方法是在传统的FFT运算基础上进行的。先对接收的信号进行FFT运算，得到的结果仅为频率的粗略估计值。为进一步提高估计精度，在粗略估计值周围进行插值迭代运算，迭代两次即可得到频率的精细估计值。这样，将频率估计结果与原信号频率相减便可得到高精度的多普勒频偏测量值。附图说明图1为多普勒频偏测量方法的原理流程图。图2为多普勒频偏测量方法的实施流程图。图3为仿真研究中的水声信道。图4为仿真研究中多普勒频偏测量方法的性能曲线。图5为海上试验接收信号时域波形图。图6为海上试验多普勒频偏测量结果。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术做更详细地描述：本专利技术提供的是一种多普勒频偏测量方法。本专利技术属于水声信号处理领域。涉及一种水声信道中的多普勒频偏测量方法。(1)发射端发射单频信号；(2)接收端将接收到的信号进行FFT计算；(3)利用FFT计算结果进行插值迭代运算，得到频率估计结果；(4)将频率估计结果与原信号频率相减得到多普勒频偏测量值。本专利技术的优点在于估计性能受多途干扰影响小，能在低信噪比下进行多普勒频偏估计；频率估计精度高，理论上估计方差接近于克拉美罗界。1、一种多普勒频偏测量方法，包括以下步骤：(1)发射端发射单频信号；(2)接收端将采集到的信号进行粗略频率估计；(3)利用粗略频率估计结果进行精细频率估计；(4)将接收信号频率估计值与发射信号频率估计值相减得到多普勒频偏测量值。所述的粗略率估计通过对接收信号进行FFT计算实现。所述精细频率估计通过在粗略频率估计值周围进行迭代插值实现。1、多普勒频偏测量方法的具体实现：首先发射端发射单频信号，接收端接收信号并采集完毕。下面结合附图1和附图2对本专利技术中的多普勒频偏测量方法进行详细说明。(1)频率粗略估计。设接收信号为s(k)，采样点数为N，对输入信号作N点FFT计算，并寻找计算结果的模值平方的最大值，即(2)频率精细估计。设定量化频率偏差初值设定i从1到2进行迭代计算：其中，(3)得到接收信号s(k)的频率估计值：其中，fs为接收信号的采样频率。(4)得到多普勒频偏测量值其中，f0为发射信号的频率。2、仿真研究：仿真条件：发送单频信号，信号采样频率为96kHz，发射信号采样点数为4096，载波频率为10kHz。仿真水声信道如图3所示，各到达途径幅度分别为1,0.4和-0.2，多途时延最大4.2ms。对信号进行频率估计，采用克拉美罗界作为参考线。附图4为本专利技术中多普勒频偏测量方法的性能曲线，可以看出本测量方法受多途干扰影响较小，在低信噪比下依然能够接近于克拉美罗界。3、海上试验为了验证本专利技术的有效性能，专利技术人在中国南海某海域进行了验证性的试验。试验地点平均海深4000m。发射换能器与水听器的水平距离3.1km，发射换能器放置深度为40m，水听器放置深度为600m。发射10段单频信号与10段线性调频信号，单频信号与线性调频信号间隔发送。单频信号的频率10kHz；线性调频的频带9k-11kHz。发射接收船静止，但由于水流较大，本次试验中仍然存在多普勒，多普勒系数为0.0001(10kHz单频信号频偏为1Hz)。附图5为水听器接收信号的时域波形图。信号采样频率96kHz。附图6为利用10段单频信号进行10次多普勒测量结果，可以看出10次测量结果误差均不超过1Hz，充分验证了本测量方法的有效性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多普勒频偏测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)发射端发射单频信号；(2)接收端将采集到的信号进行粗略频率估计；(3)利用粗略频率估计结果进行精细频率估计；(4)将接收信号频率估计值与发射信号频率估计值相减得到多普勒频偏测量值。

【技术特征摘要】
1.一种多普勒频偏测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)发射端发射单频信号；(2)接收端将采集到的信号进行粗略频率估计；(3)利用粗略频率估计结果进行精细频率估计；(4)将接收信号频率估计值与发射信号频率估计值相减得到多普勒频偏测量值。2.根据权利要求1所述的一种多普勒频偏测量方法，其特征在于：首先发射端发射单频信号，接收端接收信号并采集完毕，在所述步骤(2)中的粗略频率估计时设接收信号为s(k)，采样点数为N，对输入信号作N点FFT计算，并寻找计算结果的模值平方的最大值即：其中第一参数k表示第k个采样点。3.根据权利要求2所述的一种多普勒频偏测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中的频率精细估计时设定量化频率偏差初值设定第二参数i从1到2进行迭代计算：其中，k表示第k个...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷敬伟，葛威，杨光，韩笑，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23