一种用于水声通信时延估计的前导信号设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于水声通信时延估计的前导信号设计方法及系统，该方法包括：根据实际水声通信的需求，确定前导信号；基于优化初始相位模型，通过差分进化算法对前导信号进行优化，得到优化后的前导信号；发射优化后的前导信号至接收端，并对接受到的信号进行匹配滤波处理，得到时延估计的结果。该系统包括：确定模块、优化模块和应用模块。本发明专利技术通过对现有的前导信号进行优化以提高水声通信时延估计结果的准确度。本发明专利技术作为一种用于水声通信时延估计的前导信号设计方法及系统，可广泛应用于水声通信技术领域。用于水声通信技术领域。用于水声通信技术领域。

A design method and system of preamble for underwater acoustic communication time delay estimation

【技术实现步骤摘要】
一种用于水声通信时延估计的前导信号设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及水声通信
，尤其涉及一种用于水声通信时延估计的前导信号设计方法及系统。

技术介绍

[0002]在水声通信领域中，传统的前导信号为单个的线性调频信号；线性调频信号做前导信号有许多好处，例如能量集中在主瓣中，能够容易的检测到信号；相关峰值尖锐，能够准确得到时延估计信息。随着水声通信技术的发展，为保证通信的稳健性和可靠性，也对水声通信前导信号提出了更多要求。目前主流的前导信号形式是线性调频脉冲串信号，线性调频脉冲串信号可以进行多峰检测，即检测多个输出的相关峰，相较于单个线性调频信号而言，降低了漏警概率；因为脉冲串信号是由多个线性调频信号所组成的，所以线性调频脉冲串信号还具有适应不同信道条件、防止误同步等优势。但在噪声条件下使用线性调频脉冲串信号做时延估计仍具有一定的局限性，例如由于线性调频脉冲串信号相关输出的主峰和次峰幅值相差较小，调频脉冲串的每一个子线性调频信号都具有相同的频率和初相位，在进行时延估计时，调频脉冲串的匹配输出会有多峰值的情况，容易因为噪声而影响误判主峰位置，调频脉冲串的匹配输出呈三角包络形式，主相关峰和次相关峰值差别较小，这会影响时延估计的精度，进而导致产生错误的时延估计。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种用于水声通信时延估计的前导信号设计方法及系统，通过对现有的前导信号进行优化以提高水声通信时延估计结果的准确度。
[0004]本专利技术所采用的第一技术方案是：一种用于水声通信时延估计的前导信号设计方法，包括以下步骤：
[0005]根据实际水声通信的需求，确定前导信号；
[0006]基于优化初始相位模型，通过差分进化算法对前导信号进行优化，得到优化后的前导信号；
[0007]发射优化后的前导信号至接收端，并对接受到的信号进行匹配滤波处理，得到时延估计的结果。
[0008]进一步，所述根据实际水声通信的需求，确定前导信号这一步骤，其具体包括：
[0009]根据实际水声通信的需求，确定前导信号形式和前导信号的参数，得到前导信号；
[0010]所述前导信号的参数包括前导信号上限频率、下限频率、子脉冲时间长度、采样频率、子调频脉冲个数和子调频脉冲波的采样点数。
[0011]进一步，所述前导信号的形式如下所示：
[0012][0013]上式中，S(t)表示前导信号，A表示信号幅值，e表示自然对数，j表示虚数单位，f表
示下限频率，t表示时间序列，k表示调频斜率，表示初始相位值。
[0014]进一步，所述基于优化初始相位模型，通过差分进化算法对前导信号进行优化，得到优化后的前导信号这一步骤，其具体包括：
[0015]根据前导信号形式和子调频脉冲个数，通过卷积运算对前导信号的峰值进行分析，得到产生前导信号峰值的原因；
[0016]通过相位谱对前导信号峰值进行分析，得到前导信号峰值的位置；
[0017]根据产生前导信号峰值的原因和前导信号峰值的位置，选取对应的方法削减前导信号的次峰值，得到主峰值；
[0018]通过差分进化算法对次峰值进行求解，得到次峰值的初始相位值；
[0019]根据次峰值的初始相位值对前导信号进行优化，得到优化后的前导信号。
[0020]进一步，所述优化初始相位模型如下所示：
[0021][0022][0023]i＝1，
…
，M
[0024][0025][0026][0027]……
[0028][0029]e
10
＝10
[0030]上式中，表示第i个子信号初始相位值，e
i
表示匹配输出的第i个峰值。
[0031]进一步，所述匹配滤波包括时域滤波和频域滤波，所述时域滤波公式如下所示：
[0032]y(t)＝S(t)*h(t)
[0033]上式中，y(t)表示匹配滤波输出，h(t)表示匹配滤波器，S(t)为信号。
[0034]进一步，所述频域滤波公式如下所示：
[0035]y(ω)＝S(ω)
×
H(ω)
[0036]上式中，y(ω)表示匹配滤波输出频域的表示形式，S(ω)表示信号频域的表示形式，片(ω)表示匹配滤波器频域表示。
[0037]本专利技术所采用的第二技术方案是：一种用于水声通信时延估计的前导信号设计系统，包括：
[0038]确定模块，用于根据实际水声通信的需求，确定用于水声通信的前导信号；
[0039]优化模块，基于优化初始相位模型，通过差分进化算法对前导信号进行优化，得到优化后的前导信号；
[0040]应用模块，用于发射优化后的前导信号至接收端，并对接受到的信号进行匹配滤波处理，得到时延估计的结果。
[0041]本专利技术方法及系统的有益效果是：本专利技术基于优化初始相位模型，对现有的前导信号进行优化，重新设计前导信号子脉冲的初相位，降低脉冲的峰值，进而实现子脉冲之间
相关性的降低，输出优化后的前导信号并应用于水声通信的时延估计，提高了时延估计结果的准确度。
附图说明
[0042]图1是本专利技术一种用于水声通信时延估计的前导信号设计方法的步骤流程图；
[0043]图2是本专利技术一种用于水声通信时延估计的前导信号设计系统的结构框图；
[0044]图3是本专利技术具体实施例中卷积运算过程的原理图；
[0045]图4是使用现有常规方法的匹配滤波相关峰输出图；
[0046]图5是使用本专利技术所提出方法的匹配滤波相关峰输出图；
[0047]图6是使用现有常规方法的单脉冲匹配滤波相关峰输出图；
[0048]图7是使用本专利技术所提出方法的单脉冲匹配滤波相关峰输出图；
[0049]图8是使用现有常规方法每个子脉冲与第一个子脉冲的相位差图；
[0050]图9是使用本专利技术所提出优化初始相位方法后得到每个子脉冲与第一个子脉冲的相位差图。
具体实施方式
[0051]下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0052]参照图1，本专利技术提供了一种用于水声通信时延估计的前导信号设计方法，该方法包括以下步骤：
[0053]S1、基于实际水声通信的需求，确定用于水声通信的前导信号形式为线性调频脉冲串子脉冲信号，进而确定前导信号，所述前导信号为线性调频信号的形式如下所示：
[0054][0055]上式中，S(t)表示前导信号，A表示信号幅值，e表示自然对数，j表示虚数单位，f表示下限频率，t表示时间序列，k表示调频斜率，表示初始相位值；
[0056]选用线性调频信号的原因是其由于它的匹配滤波峰值尖锐，也可以使用水声通信中其他常用的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于水声通信时延估计的前导信号设计方法，其特征在于，包括以下步骤：根据实际水声通信的需求，确定前导信号；基于优化初始相位模型，通过差分进化算法对前导信号进行优化，得到优化后的前导信号；发射优化后的前导信号至接收端，并对接受到的信号进行匹配滤波处理，得到时延估计的结果。2.根据权利要求1所述一种用于水声通信时延估计的前导信号设计方法，其特征在于，所述根据实际水声通信的需求，确定前导信号这一步骤，其具体包括：根据实际水声通信的需求，确定前导信号形式和前导信号参数，得到前导信号；所述前导信号的参数包括前导信号上限频率、下限频率、子脉冲时间长度、采样频率、子调频脉冲个数和子调频脉冲波的采样点数。3.根据权利要求2所述一种用于水声通信时延估计的前导信号设计方法，其特征在于，所述前导信号的形式如下所示：上式中，S(t)表示前导信号，A表示信号幅值，e表示自然对数，j表示虚数单位，f表示下限频率，t表示时间序列，k表示调频斜率，表示初始相位值。4.根据权利要求3所述一种用于水声通信时延估计的前导信号设计方法，其特征在于，所述基于优化初始相位模型，通过差分进化算法对前导信号进行优化，得到优化后的前导信号这一步骤，其具体包括：根据前导信号形式和子调频脉冲个数，通过卷积运算对前导信号的峰值进行分析，得到产生前导信号峰值的原因；通过相位谱对前导信号峰值进行分析，得到前导信号峰值的位置；根据产生前导信号峰值的原因和前导信号峰值的位置，选取对应的方法削减前导信号的次峰值，得到主峰值；通过差分进化算法对次峰...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡青，杨昊璋，王海军，张建军，李卓明，
申请(专利权)人：南方海洋科学与工程广东省实验室珠海，
类型：发明
国别省市：