水声多普勒估计方法及装置、水声通信方法及系统制造方法及图纸

本发明专利技术涉及水声领域，特别涉及基于双曲调频信号的水声多普勒估计方法及装置、通信方法及系统。本发明专利技术在发射端发两段双曲调频信号，在接收端用第一段双曲调频信号的匹配滤波输出与第二段双曲调频信号的匹配滤波输出进行重相关，从而得到第一段双曲调频信号的匹配滤波输出和第二段双曲调频信号的整体相对时移，进而估计出多普勒因子。该方法在保持传统的基于双曲调频信号的多普勒估计方法的优点的基础上，降低了其在实际的时变多径水声信道中的估计误差，提高了估计的稳健性。该方法可用于多种需要进行多普勒估计的水声系统，具有广泛应用前景。

Underwater acoustic Doppler estimation method and device, underwater acoustic communication method and system

【技术实现步骤摘要】
水声多普勒估计方法及装置、水声通信方法及系统
本专利技术涉及水声领域，特别涉及基于双曲调频信号的水声多普勒估计方法及装置、通信方法及系统。
技术介绍
水声通信是目前唯一能够在水下进行长距离通信的技术。水中的声速约为1500m/s，远低于无线通信中电磁波3×108m/s的传播速度，故水声通信中的多普勒效应远比无线通信严重。多普勒效应将使接收信号失真，进而影响接收端后续的同步、解调、解码等处理，增大系统误码率，降低系统可靠度。故在水声通信中，对多普勒的估计与补偿是一个必不可少的重要环节。水声通信系统中现有的多普勒估计方法有如下几种。模糊度图法(拷贝相关法)在接收端采用一组施加了不同多普勒因子的同步信号与接收到的同步信号分别作相关，取输出相关峰最高的通道对应的多普勒因子作为多普勒估计。此方法的估计精度取决于多普勒因子步进值，在对估计精度要求高的应用中，在接收端需要进行大量相关运算，且需要事先存储大量不同多普勒的同步信号副本，计算量大且占用存储空间。块多普勒估计法在一个发送数据帧的前后插入对多普勒不敏感的同步信号(如线性调频信号)，在接收端将接收数据与已知同步信号进行相关，根据帧前后两个相关峰的间距估计出接收端帧长，并与发射端帧长进行对比，最终获得多普勒估计。此方法计算量小，易于实现，但在大多普勒情况下，信号相关峰会降低，此时该方法将不适用于低信噪比环境，且在时变多径环境下，相关器输出会有多个相关峰，且各峰具有随机的幅度大小，当选取的前后两个相关峰不对应同一路径，会给多普勒估计带来较大误差。延迟互相关法采用与块多普勒估计法同样的帧结构，但直接提取接收端的前一个同步信号与整段接收信号做相关，再根据相关器输出的两个相关峰距离估计帧长，这种方法提高了信号间相关性，在时变多径水声信道中也能取得较好性能。但是这种基于帧长变化的多普勒估计方法需要存储一整帧数据，无法实现实时估计，且多普勒估计精度与帧长有关，帧长越长估计精度越高，而帧长若大于信道相关时间，又会降低前后两个接收同步信号间的相关性，降低算法性能，且这类方法估计的是一帧时间内的目标平均多普勒，当目标在帧长时间内多普勒变化较大时，估计值将产生较大偏差。与上述方法相比，基于双曲调频(hyperbolicfrequencymodulation，HFM)信号的多普勒估计方法具有无需存储大段数据，可实现实时多普勒估计；对信道时变速度的要求低，只需假设信道在同步信号的时间范围内保持不变；计算复杂度低，易于实现；估计瞬时多普勒，精度高等优点，从而被广泛应用于水声通信系统中。双曲调频信号可表示为其中其中fl和fh分别是双曲调频信号的扫频起始频率和扫频终止频率，T是信号持续时间。当fl＜fh时称为升调频双曲调频信号，简称升双曲调频信号，当fl＞fh时称为降调频双曲调频信号，简称降双曲调频信号。双曲调频信号的瞬时频率可表示为信号相位对时间的导数除以2π，即这是一个双曲函数，这也是双曲调频信号名称的由来。对宽带信号s(t)的多普勒效应的建模可表示为r(t)＝s[(1+α)t](2.4)其中r(t)为接收信号，α是多普勒因子，定义为α＝v/c(2.5)其中c是水中的声速，v是发射机和接收机的相对速度。注意这里v＞0表示发射机和接收机相向运动。故若发射信号为双曲调频信号时，其瞬时频率为接收信号的瞬时相位可表示为接收信号的瞬时频率为注意到接收信号的瞬时频率与发射信号的瞬时频率具有如下关系即多普勒效应对双曲调频信号的影响体现在接收端匹配滤波器的输出上基本上仅为相关峰的偏移。这一性质称为双曲调频信号的多普勒不变性。采用仿真参数：采样率fs＝96kHz，升/降双曲调频信号点数N＝2048点，持续时间T＝N/fs＝21.3ms，升双曲调频信号fl＝10kHz，fh＝12.5kHz，降双曲调频信号fl＝12.5kHz，fh＝10kHz。我们对施加相同时延及不同多普勒因子α后的降双曲调频信号和升双曲调频信号与原始信号做相关的输出进行了仿真，结果如图1、图2所示。可见，多普勒因子对于双曲调频信号的匹配滤波输出的影响仅为相关峰时间上的平移(以及轻微的幅度下降)，且在同一多普勒因子下，升/降双曲调频信号的接收端相关峰偏移方向相反。且相关峰偏移量Δt与多普勒因子α具有(2.10)中的解析关系。故只要升/降双曲调频信号的相关峰偏移量已知，就能反解出多普勒因子α。然而，实际中虽然可以得到相关峰的位置，但信号的真实到达时刻是未知的，故单一双曲调频信号的相关峰偏移量无法获得，即无法仅通过一个升/降双曲调频信号采用这种基于偏移量反推的方法估计多普勒因子。故下面将降双曲调频信号和升双曲调频信号组成一个新的同步信号，用于水声通信系统中一帧发送数据的多普勒估计。在水声通信中，采用如下所示同步信号其中x(t)设置为降调频双曲调频信号。这种同步信号的时域波形及时频谱图如图3所示。对同步信号施加α＝0.01的多普勒因子和一定的时延后得到接收信号。接收信号波形及其分别与升/降双曲调频信号的匹配滤波输出结果如图4所示：设降双曲调频信号相关峰位置为t1，升双曲调频信号相关峰位置为t2，降双曲调频信号实际到达时刻(TOA)为τ。由(2.10)，有其中T/(1+α)是降双曲调频信号和升双曲调频信号在多普勒因子为α时TOA的差值，和分别为降双曲调频信号和升双曲调频信号的参数t0。由(2.2)可知故(2.12)可重写为求解(2.13)，(2.14)得t1，t2与α的解析关系：可见，当采用(2.11)所示的同步信号时，接收端无需知道同步信号的精确到达时刻，仅需得到这两个相关峰的位置，就可以通过它们的差值反推α。这种算法的实现流程如图5所示。但在实际应用中，由于水声信道的多径效应和快速时变性，我们无法得到像图4中那样的理想相关峰。将某帧湖试数据的同步信号分别与降双曲调频信号和升双曲调频信号做相关，结果如图6所示。可见得到了多径对应的多个相关峰，且由于信道时变性，升双曲调频信号的各相关峰幅度与降双曲调频信号的各相关峰相比产生了变化。此时，若要正确估计多普勒，需要选择对应同一路径的两个相关峰，否则将出现相关峰“失配”问题，给估计带来较大误差。显然，此时不能简单地选择最大相关峰的位置作为t1，t2。若设置阈值，选择高于阈值的第一个相关峰，则可以一定程度上避免相关峰“失配”问题，但阈值却难以选择，若阈值过大，则可能导致某些帧没有符合条件的相关峰，若阈值过小，则会导致某些帧选到信号与噪声的相关峰。在图6所示的情况下，若选取最大相关峰，则速度估计值为与真实值v＝2.1325m/s相差很大。故该方法无法直接用于实际的时变多径水声信道，且目前没有针对这一问题的有效解决方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的专利技术目的是解决传统的基于升-降双曲调频信号的多普勒估计方法在实际水声通信应用中的不足，在实际的时变多径水声信道中实现精度高、效果稳健的多普勒估计。为了达到上述目的，本专利技术提供一种基于双曲调频信号的多普勒估计方法，其特征在于包括：发射端步骤：在发射端，发射分段信号其中，x(t)是双曲调频信号，T表示信号持续时间，是第一段双曲调频信号，是第二段双曲调频信号，若第一段双曲调频信号为降双曲调频信号，则第二段双曲调频信号为升双曲调频信号；若第一段双曲调频信号为升双曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双曲调频信号的多普勒估计方法，其特征在于包括发射端步骤：在发射端，发射分段信号

【技术特征摘要】
1.一种基于双曲调频信号的多普勒估计方法，其特征在于包括发射端步骤：在发射端，发射分段信号其中，x(t)是双曲调频信号，T表示信号持续时间，是第一段双曲调频信号，是第二段双曲调频信号，若第一段双曲调频信号为降双曲调频信号，则第二段双曲调频信号为升双曲调频信号；若第一段双曲调频信号为升双曲调频信号，则第二段双曲调频信号为降双曲调频信号；Tg表示两信号之间的发射时间间隔，Tg≥0；接收端步骤：在接收端，接收信号分别送入第一段双曲调频信号和第二段双曲调频信号的相关器进行匹配滤波，第一段双曲调频信号的匹配滤波输出与第二段双曲调频信号的匹配滤波输出进行重相关，从而得到第一段双曲调频信号的匹配滤波输出和第二段双曲调频信号的匹配滤波输出的整体相对时移依据以下公式估计多普勒因子其中，fl和fh分别是第二段双曲调频信号的扫频起始频率和扫频终止频率。2.如权利要求1所述的多普勒估计方法，其特征在于重相关时，使用第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关。3.如权利要求1所述的多普勒估计方法，其特征在于重相关时，截取第一段双曲调频信号的匹配滤波输出中的包含两个或多个大幅度多径信道对应的相关峰的一段数据作为主相关峰数据，与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关；或者重相关时，截取第二段双曲调频信号的匹配滤波输出中的包含两个或多个大幅度多径信道对应的相关峰的一段数据作为主相关峰数据，与第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关。4.如权利要求1所述的多普勒估计方法，其特征在于重相关时，截取第一段双曲调频信号的匹配滤波输出中的最高相关峰前后的数据作为主相关峰数据与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关；或者重相关时，截取第二段双曲调频信号的匹配滤波输出中的最高相关峰前后的数据作为主相关峰数据与第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关，截取的长度根据信道长度确定。5.一种基于双曲调频信号的多普勒估计装置，其特征在于，该装置根据发送端发送的分段信号进行多普勒估计，所述分段信号为其中，x(t)是双曲调频信号，T表示信号持续时间，是第一段双曲调频信号，是第二段双曲调频信号，若第一段双曲调频信号为降双曲调频信号，则第二段双曲调频信号为升双曲调频信号；若第一段双曲调频信号为升双曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄢社锋，徐立军，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11