一种利用移动平台集群的水声通信方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种利用移动平台集群的水声通信方法，移动平台集群包括用于在水下采集信息的主平台通信机和多个从平台通信机，方法包括以下步骤：S1：利用主平台通信机接收来自多个从平台通信机的信息；S2：信息经过处理后得到接收信号，利用主平台通信机对接收信号进行相关运算处理以捕获帧同步信号；S3：对帧同步信号进行多普勒估计以获得多普勒因子；S4：对接收信号根据多普勒因子进行重采样处理以进行多普勒补偿；S5：在主平台通信机根据所述多普勒因子对将要发送到从平台通信机的发射信号进行重采样处理以进行多普勒预补偿。通过在主平台通信机上进行多普勒估计和多普勒补偿等复杂运算，大大降低了从平台通信机的结构复杂度和系统成本。

A Method and System of Underwater Acoustic Communication Using Mobile Platform Cluster

【技术实现步骤摘要】
一种利用移动平台集群的水声通信方法及系统
本专利技术涉及水声通信领域，具体涉及一种利用移动平台集群的水声通信方法及系统。
技术介绍
水声通信技术可广泛应用于海洋资源勘探、海洋开发、海洋环境监测、水下作业等领域，是当前海洋高技术的重要热点和前沿。但水声通信面临多径扩展、时变衰落、多普勒时域和频域扩展等海洋水声信道产生的技术挑战。随着海洋资源的深入开发，各类微小型水下移动平台(AUV/ROV)被应用于完成水下勘测、实验、航行等多种工作。与传统的水下机器人、潜航器等专用移动平台相比，微型水下移动平台具有尺寸小、隐蔽性好、成本低、便于组成密集集群等特点，而基于微小型平台的水声通信中的最大难题就是如何克服由平台间相对运动引起的多普勒扩展。发射端调整发射信号帧格式、接收端进行多普勒估计等信号处理方式尤为关键。对于水声通信中多普勒的补偿有多种处理方法：现有技术中已提出一组相关器与接收信号求相关的方法，利用相关峰值最高的相关器计算多普勒因子。另外也有提出用LFM信号对多普勒进行估计，根据两个LFM相关峰值间隔做多普勒估计，该方法简单稳健，但估计精度依赖线性调频插入的间隔，若提高估计精度在一定程度上会影响通信效率。现有技术还有针对不同传播路径中存在的不同多普勒因子，在接收端设计一种可匹配特定路径多普勒因子的重采样方案。但考虑到多普勒估计、补偿中涉及的多通道互相关、重采样所需运算复杂度，并不适合于运算能力、资源极其有限的微小型水下移动平台。考虑到接收机运算复杂度，目前已提出一种采用调整ADC采样率进行的多普勒补偿的方法，通过调整ADC采样率实现基于硬件的多普勒补偿，避免了软件实现数据重采样付出的运算量开销。但此方法本身仍需通过互相关处理进行多普勒估计，以进行ADC重采样率计算。对微小型水下移动平台而言，往往希望搭载的处理器尽量简单、通信算法尽量低运算复杂度，以降低系统造价，方便进行大规模、可抛弃式的编队应用。特别是，国内外微小型水下无人平台研究的一个趋势是：从单个系统扩展到多系统协同、集群系统实现分布式态势感知和信息共享，从而提高信息获取及体系作战效能。因此，基于低成本、低复杂度软硬件实现微小型无人移动平台集群信息交互的一个技术关键。
技术实现思路
针对上述提到的多普勒扩展、通信效率低、计算复杂度高、成本高等问题，本专利技术提供了一种利用移动平台集群的水声通信方法，移动平台集群包括用于在水下采集信息的主平台通信机和多个从平台通信机，方法包括以下步骤：S1：利用主平台通信机接收来自多个从平台通信机的信息；S2：信息经过处理后得到接收信号，利用主平台通信机对接收信号进行相关运算处理以捕获帧同步信号；S3：对帧同步信号进行多普勒估计以获得多普勒因子；S4：对接收信号根据多普勒因子进行重采样处理以进行多普勒补偿；S5：在主平台通信机根据所述多普勒因子对将要发送到从平台通信机的发射信号进行重采样处理以进行多普勒预补偿。进一步地，步骤S2包括：S21：对信息进行前置处理、模数转换得到接收信号；S22：以双曲调频信号作为拷贝对接收信号进行拷贝相关处理；S23：将拷贝相关处理的结果取绝对值后与设定门限进行比较以获得帧同步信号。双曲调频信号具有较好的多普勒宽容性，运用相关运算对相关峰峰值位置的检测可判断帧同步时间点。更进一步地，步骤S3具体包括：S31：对帧同步信号中相邻固定长度的两个完全相同的双曲调频信号分别进行计算相关峰最大值所对应的时刻τm1,τm2；S32：根据τm1,τm2计算多普勒因子α：利用两个固定间隔的双曲调频信号之间的相关峰间隔进行多普勒估计，从而获得多普勒测量结果。更进一步地，步骤S4和步骤S5中的重采样处理包括以下步骤：S51：在采样率为Fs，长度为M个采样点的接收信号或发射信号x[n]的相邻两点内插入P-1个零点，即创建一个有P(M-1)+1个采样点的信号xu[n]，当n＝1，2，…，M时，xu[P(n-1)+1]＝x[n]；否则，xu[n]＝0；S52：将采样点的信号xu[n]与低通插值滤波器的抽头系数h[n]作卷积计算得到插值信号xi[n]：S53：在插值信号xi[n]上每隔Q-1个点抽取一个点，即创建有Q个点的信号xd[n]，当n＝1，2，…，Q时，xd[n]＝xi[1+Q(n-1)]，则得到重采样信号y[n]＝xd[n]。利用获得的反映多普勒效应的多普勒因子进行重采样运算可以抑制多普勒效应。因此通过重采样技术可以对接收信号进行多普勒补偿，对发射信号多普勒预补偿。更进一步地，重采样处理中的采样因子P/Q≈α。多普勒因子用于重采样过程中的采样因子，实现接收信号的多普勒补偿和发射信号的多普勒预补偿，减小从平台通信机的运算复杂度。更进一步地，步骤S4之后还包括：对经过多普勒补偿后的接收信号进行数据解调，获得原始码元信息。本专利技术还提出了一种利用移动平台集群的水声通信系统，包括主平台通信机和多个从平台通信机，主平台通信机包括接收端和发射端，从平台通信机包括接收端和发射端，主平台通信机的接收端包括第一模数转换器、多普勒估计模块和多普勒补偿模块并用于接收来自从平台通信机的发射端的信号，第一模数转换器的输出端与多普勒估计模块的输入端连接，多普勒估计模块的输出端与多普勒补偿模块的输入端连接；主平台通信机的发射端包括多普勒预补偿模块、第一数模转换器和第一功率放大器并用于对从平台通信机的接收端发射信号进行处理，多普勒预补偿模块的输出端与第一数模转换器的输入端连接，第一数模转换器的输出端与第一功率放大器的输入端连接。进一步地，主平台通信机的接收端还包括第一接收换能器、第一前置处理器、第一同步模块和第一数据解码器，第一接收换能器的输出端与第一前置处理器的输入端连接，第一同步模块的输入端与第一模数转换器的输出端连接，第一数据解码器的输入端与多普勒补偿模块的输出端连接。更进一步地，主平台通信机的发射端还包括第一调制模块、第一功率放大器和第一发射换能器，第一调制模块的输出端与多普勒预补偿模块的输入端连接，第一功率放大器的输入端与第一模数转换器的输出端连接，第一功率放大器的输出端与第一发射换能器的输入端连接。更进一步地，从平台通信机的接收端包括第二接收换能器、第二前置处理器、第二模数转换器、第二同步模块和第二数据解码器，第二接收换能器的输出端与第二前置处理器的输入端连接，第二前置处理器的输出端与第二模数转换器的输入端连接，第二模数转换器的输出端与第二同步模块和第二数据解码器的输入端连接，从平台通信机的发射端包括第二调制模块、第二数模转换器、第二功率放大器和第二发射换能器，第二调制模块的输出端与第二数模转换器的输入端连接，第二功率放大器的输入端与第二数模转换器的输出端连接，第二功率放大器的输出端与第二发射换能器的输入端连接。从平台通信机上结构简单，不搭载复杂运算的硬件，从结构和成本上更加优化。本专利技术提供了一种利用移动平台集群的水声通信方法及系统，移动平台集群包括用于在水下采集信息的主平台通信机和多个从平台通信机，通过在主平台通信机上对接收到的信号进行多普勒估计和多普勒补偿，对将要进行发射的信号进行多普勒预补偿，以减小从平台通信机的计算复杂度。主平台通信机配备有较复杂的处理器等硬件用于作为集群的控制中心，从平台通信机则搭载低复杂度处理器等硬件，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用移动平台集群的水声通信方法，其特征在于，所述移动平台集群包括用于在水下采集信息的主平台通信机和多个从平台通信机，所述方法包括以下步骤：S1：利用所述主平台通信机接收来自所述多个从平台通信机的信息；S2：所述信息经过处理后得到接收信号，利用所述主平台通信机对所述接收信号进行相关运算处理以捕获帧同步信号；S3：对所述帧同步信号进行多普勒估计以获得多普勒因子；S4：对所述接收信号根据所述多普勒因子进行重采样处理以进行多普勒补偿；S5：在所述主平台通信机根据所述多普勒因子对将要发送到从平台通信机的发射信号进行重采样处理以进行多普勒预补偿。

【技术特征摘要】
1.一种利用移动平台集群的水声通信方法，其特征在于，所述移动平台集群包括用于在水下采集信息的主平台通信机和多个从平台通信机，所述方法包括以下步骤：S1：利用所述主平台通信机接收来自所述多个从平台通信机的信息；S2：所述信息经过处理后得到接收信号，利用所述主平台通信机对所述接收信号进行相关运算处理以捕获帧同步信号；S3：对所述帧同步信号进行多普勒估计以获得多普勒因子；S4：对所述接收信号根据所述多普勒因子进行重采样处理以进行多普勒补偿；S5：在所述主平台通信机根据所述多普勒因子对将要发送到从平台通信机的发射信号进行重采样处理以进行多普勒预补偿。2.根据权利要求1所述的利用移动平台集群的水声通信方法，其特征在于，所述步骤S2包括：S21：对所述信息进行前置处理、模数转换得到接收信号；S22：以双曲调频信号作为拷贝对所述接收信号进行拷贝相关处理；S23：将拷贝相关处理的结果取绝对值后与设定门限进行比较以获得所述帧同步信号。3.根据权利要求2所述的利用移动平台集群的水声通信方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：S31：对所述帧同步信号中相邻固定长度的两个完全相同的所述双曲调频信号分别进行计算相关峰最大值所对应的时刻τm1,τm2；S32：根据τm1,τm2计算多普勒因子α：4.根据权利要求3所述的利用移动平台集群的水声通信方法，其特征在于，所述步骤S4和步骤S5中的重采样处理包括以下步骤：S51：在采样率为Fs，长度为M个采样点的接收信号或发射信号x[n]的相邻两点内插入P-1个零点，即创建一个有P(M-1)+1个采样点的信号xu[n]，当n＝1，2，…，M时，xu[P(n-1)+1]＝x[n]；否则，xu[n]＝0；S52：将采样点的信号xu[n]与低通插值滤波器的抽头系数h[n]作卷积计算得到插值信号xi[n]：S53：在插值信号xi[n]上每隔Q-1个点抽取一个点，即创建有Q个点的信号xd[n]，当n＝1，2，…，Q时，xd[n]＝xi[1+Q(n-1)]，则得到重采样信号y[n]＝xd[n]。5.根据权利要求4所述的利用移动平台集群的水声通信方法，其特征在于，所述重采样处理中的采样因子P/Q≈α。6.根据权利要求1所述的利用移动平台集群的水声通信方法，其特征在于，所述步骤S4之后还包括：对经过多普勒补偿后的所述接收信号进行数据解调，获得原始码元信息...

【专利技术属性】
技术研发人员：童峰，郑思远，曹秀岭，陈友淦，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35