基于接收阵的低频水声通信的均衡处理方法技术

基于接收阵的低频水声通信的均衡处理方法,解决了现有多阵元联合均衡处理的均衡器的长度过长，使得接收处理系统复杂且影响解调性能的问题，属于水声通信技术领域。本发明专利技术包括:通过全孔径垂直阵列接收频域声压信号计算声场中简正波模态的垂直模态函数矩阵Ψ；根据Ψ获取模态滤波器获取模态滤波器利用对接收信号矩阵p进行滤波，实现模态分离，分离后的模态矩阵为：获取矩阵中第m阶模态对应的接收信号y

【技术实现步骤摘要】
基于接收阵的低频水声通信的均衡处理方法


[0001]本专利技术涉及一种基于接收阵的低频水声通信的均衡处理方法，属于水声通信


技术介绍

[0002]在水声通信技术中的误码率来源主要是码间干扰和噪声干扰，利用接收阵列和匹配的空间信号处理手段，可以提高接收信噪比并抑制码间干扰，将会得到优于单阵元处理的性能。因此，在信道衰落严重且输入信噪比有限的浅海低频远程通信系统中的研究阵接收处理方法是十分必要的。对于采用垂直阵通信的情况，通常采用两种解调方式：波束形成后单通道均衡处理和多阵元联合均衡处理。
[0003]波束形成后单通道均衡处理主要利用射线模型下平面波的传播特性，由于浅海低频远程声场遵循简正波的传播规律，采用该技术将产生由模型失配引起的性能下降；多阵元联合均衡处理根据各通道信道多途扩展结构构造均衡器，在信道扩展较长的低频信道中将面临均衡器的长度过大的问题，使得接收处理系统较为复杂，影响解调性能。

技术实现思路

[0004]针对现有多阵元联合均衡处理的均衡器的长度过长，使得接收处理系统复杂且影响解调性能的问题，本专利技术提供一种基于接收阵的低频水声通信的均衡处理方法。
[0005]本专利技术的一种基于接收阵的低频水声通信的均衡处理方法，所述方法包括:
[0006]S1、通过全孔径垂直阵列接收频域声压信号计算声场中简正波模态的垂直模态函数矩阵Ψ；
[0007]S2、根据S1的垂直模态函数矩阵Ψ获取模态滤波器
[0008][0009]其中，λ为设定参数，I为单位矩阵，
[0010]利用模态滤波器对接收信号矩阵p进行滤波，实现模态分离，分离后的模态矩阵为：
[0011][0012]S3、获取矩阵中第m阶模态对应的接收信号y
m
(k)，当高接收信噪比的情况下，采用单通道自适应判决反馈均衡处理方法对接收信号y
m
(k)进行解调，当低接收信噪比的情况下，转入S4；
[0013]S4、利用多模态联合判决反馈均衡处理方法对接收信号y
m
(k)进行解调。
[0014]作为优选，所述S4包括：
[0015]S41、将接收信号y
m
(k)输入到多通道前馈滤波器，所述多通道前馈滤波器的输出为：
[0016][0017]其中，其中，表示第m个通道前馈滤波器系数，θ
m
(k)表示校正因子，m＝1,
…
,M，M表示通道的数量，i表示虚数；
[0018]S42、根据多通道前馈滤波器的输出p(k)和反馈滤波器的输出q(k)获得第k时刻的符号估计值
[0019][0020]反馈滤波器的输出
[0021]符号估计值经符号判决后输出b(k)表示反馈滤波器系数，
[0022]估计误差e(k)经过载波相位校正，获得b(k)和最优值θ
m
(k)；
[0023]d(k)表示期望信号。
[0024]作为优选，所述S41中，根据MSE准则得到校正因子θ
m
(k)的最优值。
[0025]作为优选，根据MSE准则得到校正因子θ
m
(k)最优值的方法包括：
[0026]利用二阶数字锁相环对θ
m
(k)进行迭代估计，
[0027][0028]其中，K1和K2为锁相环系数，Θ
m
(k)为MSE梯度的瞬时估计值：
[0029][0030]其中，π
m
(k)为与θ
m
(k)无关的项。
[0031]作为优选，所述S1包括：在声场环境参数已知的情况下，利用声场数据通过Kraken软件建模计算得到垂直模态函数矩阵Ψ；在声场环境参数未知的情况下，根据奇异值分解法利用声场数据估计垂直模态函数矩阵Ψ。
[0032]作为优选，在声场环境参数未知的情况下，根据奇异值分解法利用声场数据估计垂直模态函数矩阵Ψ的方法包括：
[0033]利用固定深度水平运动的声源辐射的窄带声场的距离矩阵来构造CSDM矩阵，CSDM矩阵表示为:
[0034]C＝PP
H
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0035]其中，P表示距离声源固定距离r处的宽带声压场；
[0036]对C＝PP
H
进行SVD分解，可得：
[0037]C＝USV
H
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0038]其中，S是一个由C的奇异值组成的元素从大到小排列的实数对角矩阵，U和V均为酉阵，列向量满足归一化条件：U
m
表示U矩阵的第m列向量，V
m
表示V矩阵的第m列向量，表示U矩阵的第m'列向量的共轭转置，表示V矩阵的第m'列向量的共轭转置，δ
mm'
表示冲激函数；
[0039]分解后满足U＝V，且与模态函数矩阵Ψ相对应；通过对比各个模态对应的特征值
的大小确定声场中有效模态的个数及各阶简正波模态对合成声场贡献的相对大小，提取对应位置的U矩阵中的列向量，即为有效模态的垂直模态函数矩阵Ψ。
[0040]本本专利技术基于简正波在垂直方向的正交性，无论声场环境参数是否已知，均可实现对垂直阵接收的连续信号的模态滤波以分离信道中各模态对接收信号的影响。模态滤波处理后，每一部分信号只受到单模态信道影响，多模态干扰得到抑制。在信噪比较高的情况下，低阶模态由于模态内频散不明显，因此可以看出发射信号在AWGN信道下的接收信号，直接判决即可解调信号；对于模态内频散不可忽略的模态，需要采用单模态均衡技术来解调信号。当信噪比较低时，可以对分离后的多模态信号进行多通道联合均衡处理进行解调，这相当于对接收阵列信号进行了空
‑
时联合处理。通过本专利技术，可以提高浅海低频水声阵列通信的解调处理性能。
[0041]本专利技术的有益效果，本专利技术提出了一种多模态联合均衡处理结构，通过结合垂直函数估计和模态滤波技术，减小信道扩展长度减小且提高均衡输入信噪比。本专利技术有效抑制低频水声通信的多模态干扰问题，可以提高浅海低频远程信道中的阵列处理性能。
附图说明
[0042]图1为本专利技术的流程示意图；
[0043]图2为本专利技术采用的模态滤波器的原理示意图；
[0044]图3为本专利技术采用的多模态联合判决反馈均衡处理方法的原理示意图。
具体实施方式
[0045]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0046]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于接收阵的低频水声通信的均衡处理方法，其特征在于，所述方法包括:S1、通过全孔径垂直阵列接收频域声压信号计算声场中简正波模态的垂直模态函数矩阵Ψ；S2、根据S1的垂直模态函数矩阵Ψ获取模态滤波器S2、根据S1的垂直模态函数矩阵Ψ获取模态滤波器其中，λ为设定参数，I为单位矩阵，利用模态滤波器对接收信号矩阵p进行滤波，实现模态分离，分离后的模态矩阵为：S3、获取矩阵中第m阶模态对应的接收信号y
m
(k)，当高接收信噪比的情况下，采用单通道自适应判决反馈均衡处理方法对接收信号y
m
(k)进行解调，当低接收信噪比的情况下，转入S4；S4、利用多模态联合判决反馈均衡处理方法对接收信号y
m
(k)进行解调。2.根据权利要求1所述的基于接收阵的低频水声通信的均衡处理方法，其特征在于，所述S4包括：S41、将接收信号y
m
(k)输入到多通道前馈滤波器，所述多通道前馈滤波器的输出为：其中，其中，表示第m个通道前馈滤波器系数，θ
m
(k)表示校正因子，m＝1,
…
，M，M表示通道的数量，i表示虚数；S42、根据多通道前馈滤波器的输出p(k)和反馈滤波器的输出q(k)获得第k时刻的符号估计值估计值反馈滤波器的输出符号估计值经符号判决后输出b(k)表示反馈滤波器系数，估计误差e(k)经过载波相位校正，获得b(k)和最优值θ
m
(k)；d(k)表示期望信号。3.根据权利要求2所述的基于接收阵的低频水声通信的均衡处理方法，其特征在于，所述S41中，根据MSE准则得到校正因子θ
m
(k)的最优值。4.根据权利要求3所述的基于接收阵的低频水声通信的均衡处理方法，其特征在于，根据MSE准则得到校正因子θ
m
(k)最优值的方法包括：利用二阶数字锁相环对...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔宏宇，张居成，郑翠娥，韩云峰，孙大军，张殿伦，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：