一种分布式水声通信信号处理系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种分布式水声通信信号处理系统,包括水下移动平台，所述水下移动平台位于海面下，所述水下移动平台包括水听器、独立信号处理单元和发送天线，所述水听器负责采集水下声信号，所述独立信号处理单元完成通信信号检测、信号参数估计、降基带与降采样处理及电磁波通信调制等信号处理，所述发送天线将电磁波通信调制信号发送给数据融合中心。本发明专利技术基于分布式水下移动平台接收水声通信信号，结合平台的移动性和回收布放的灵活性有效地增加了系统的信号接收范围与信号监测时长；将信号处理分为分布式独立信号处理和中心融合处理两个阶段，利用数据融合中心较强的算力提升系统的信号处理能力。升系统的信号处理能力。升系统的信号处理能力。

【技术实现步骤摘要】
一种分布式水声通信信号处理系统及方法

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[0001]本专利技术涉及水声通信
，具体涉及一种分布式水声通信信号处理系统及方法。

技术介绍
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[0002]近年来，海洋权益、海洋资源日益受到各国重视，无论是海洋开发的需要还是军事斗争的需求，都显著地推进着水下信息传输与处理技术的研究与应用。由于无线电波和可见光在水中衰减大、传播距离有限，声波成为当前仅有的能在水介质中进行长距离传输的能量形式。因此，在海洋环境监测、目标探测、水下通信与对抗等应用中将声波作为承载与传递信息的重要载体。
[0003]非合作水声通信信号处理是水下信息对抗中的一项关键技术。非合作水声通信是指非合作的第三方利用侦听到的水声通信信号对目标发送信息进行辨识的处理过程，该处理的目的一方面是实现对目标通信信息的还原，另一方面则是利用辨识的结果制造混淆信息或干扰信号。上述处理过程中，对信道冲激响应(Channel Impulse Response,CIR)的估计和对通信信号调制方式的分类识别是其中的关键环节。
[0004]在非合作水声通信信号处理过程中，发射源信号的具体形式未知，信道冲激响应无法直接测量得到，需要引入盲信道估计技术从接收信号中估计出信道冲激响应。盲信道估计技术被广泛应用于声呐与雷达信号处理和图像处理，现有声呐信号处理技术中通常采用固定式水听器阵列接收非合作通信信号并提取信道冲激响应。国内外的研究中，一类多通道相互关联(Cross Relation,CR)盲信道估计方法被广泛应用于单输入多输出(Single
‑
>Input,Multiple
‑
Output,SIMO)系统中。依据该方法，非合作方利用阵列多通道信号之间的关联性从信号中提取出信道冲激响应，从而抵消或抑制水声信道对通信信号的影响。这种采用固定式阵列信号接收与处理的方式存在对非合作水声通信信号作用范围有限、能耗较高的问题，使用上缺乏灵活性和持续性。其次，受限于接收阵的尺寸，各通道信号之间的差异性不明显，因而降低了该类方法的性能。
[0005]非合作水声通信系统常用于完成两项任务，第一项实现从接收的通信信号中恢复出原始信息，第二项则是从接收信号中分辨出调制信息并产生相应的干扰信号。因此，对通信信号的调制方式分类与识别是非合作水声通信系统的另一项关键技术，该项技术最早由C.S.Waver等于1969年提出。电磁波通信中基于似然比方法和基于特征方法的分类器被广泛研究，结合机器学习方法的分类器也是当前研究热点。水声通信中采用主分量分析并结合基于人工神经网络的调制分类方式被提出，采用深度学习方法可以在不需要特征提取的前提下完成调制分类与识别。受复杂海洋环境的影响，水声通信信号在传播的过程中耦合了大量的海洋环境因素，极大地提高了对水声通信信号调制信息的辨识难度。现有的采用水下固定式阵列接收与信号处理的系统无论从处理能力还是能耗水平方面，已无法满足长期处理水下通信信号的需求，亟需一种能够对水下通信信号进行长时间、大范围监测并能对分布式数据进行融合处理的技术手段。

技术实现思路
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[0006]本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种分布式水声通信信号处理系统及方法，以克服现有水下固定式阵列接收与信号处理方式中存在信号接收范围有限、信号处理能力不足等严重缺点，该系统及方法基于分布式水下移动平台接收水声通信信号，结合平台的移动性和回收布放的灵活性有效地增加了系统的信号接收范围与信号监测时长；该系统及方法将信号处理分为分布式独立信号处理和中心融合处理两个阶段，利用数据融合中心较强的算力提升系统的信号处理能力。
[0007]本专利技术的技术解决方案是，提供一种分布式水声通信信号处理系统，包括：
[0008]水下移动平台，所述水下移动平台位于海面下，所述水下移动平台包括水听器、独立信号处理单元和发送天线，所述水听器负责采集水下声信号，所述独立信号处理单元完成通信信号检测、信号参数估计、降基带与降采样处理及电磁波通信调制等信号处理，所述发送天线将电磁波通信调制信号发送给数据融合中心；
[0009]数据融合中心，所述数据融合中心包括接收天线和融合信号处理单元，所述接收天线接收所述水下移动平台的电磁波通信调制信号，所述融合信号处理单元完成盲信道估计、信道均衡、调制识别、解调译码等处理过程，最终完成所需的水声通信信号处理与解析。
[0010]作为优选，所述数据融合中心位于海面或陆上。
[0011]作为优选，所述水下移动平台不少于两个。
[0012]本专利技术还提供一种分布式水声通信信号处理方法，包括：
[0013]分布式水下移动平台接收水声信号并检测水声通信信号；根据所述水声通信信号的统计特征对通信调制参数进行估计；并根据所述调制参数估计结果将水声通信信号下变频与降采样为基带信号；以及根据所述基带信号对其进行电磁波通信调制处理，并将电磁波通信调制信号发送给数据融合中心；
[0014]数据融合中心对多个水下移动平台的发送信号进行融合信号处理，根据所述电磁波通信调制信号下变频与降采样为基带信号，对所述基带信号进联合盲信道估计以得到信道冲激相应；并根据所述盲信道估计结果对基带信号进行信道均衡处理；以及
[0015]数据融合中心根据所述均衡处理结果进行调制识别处理；根据所述调制识别处理结果进行解调与译码处理，以及解析水声通信信号中的原始发送信息。
[0016]作为优选，融合信号处理时，进行水声通信信号特征提取，将接收信号样本点转化为特征向量以实现样式识别；融合信号处理中的水声通信信号调制方式分类识别，采用但不限于支持向量机、K最近邻、和分类回归树机器学习算法进行调制分类与识别。
[0017]作为优选，采用包括但不限于正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)算法、稀疏贝叶斯(Sparse Bayesian Learning,SBL)算法等压缩感知算法进行盲信道估计处理。
[0018]作为优选，进行所述调制识别处理时，将特征提取和分类识别算法相结合，采用但不限于支持向量机(Support Vector Machine，SVM)、K最近邻(K Nearest Neighbor，KNN)或分类回归树(CART)机器学习算法进行调制分类与识别。
[0019]进一步的，进行所述调制识别处理时，采用SVM算法提取水声通信信号六维特征参数作为特征向量，利用SVM算法把特征向量映射到高维空间中，并且，SVM算法核函数选用径向核函数，使用交叉验证和网格搜索的方法构建最优分类面，对调制信号进行自动识别。
[0020]采用以上方案后与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0021]本专利技术利用分布式水下移动平台的大范围、长时间移动观测能力，针对非合作水声通信中的信号处理问题提出一种分布式处理方法，相比传统的采用固定式单一阵列信号接收与处理的方法，具有更好的灵活性、实用性及更强的处理能力；
[0022]本专利技术利用了不同平台接收信号之间关联性和水声信道的稀疏性特点，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布式水声通信信号处理系统,其特征在于，包括：水下移动平台，所述水下移动平台位于海面下，所述水下移动平台包括水听器、独立信号处理单元和发送天线，所述水听器负责采集水下声信号，所述独立信号处理单元完成通信信号检测、信号参数估计、降基带与降采样处理及电磁波通信调制信号处理，所述发送天线将电磁波通信调制信号发送给数据融合中心；数据融合中心，所述数据融合中心包括接收天线和融合信号处理单元，所述接收天线接收所述水下移动平台的电磁波通信调制信号，所述融合信号处理单元完成盲信道估计、信道均衡、调制识别、解调译码相关处理过程，最终完成所需的水声通信信号处理与解析。2.根据权利要求1所述的分布式水声通信信号处理系统，其特征在于：所述数据融合中心位于海面或陆上。3.根据权利要求1所述的分布式水声通信信号处理系统，其特征在于：所述水下移动平台不少于两个。4.一种分布式水声通信信号处理方法，其特征在于，包括：分布式水下移动平台接收水声信号并检测水声通信信号；根据所述水声通信信号的统计特征对通信调制参数进行估计；并根据所述调制参数估计结果将水声通信信号下变频与降采样为基带信号；以及根据所述基带信号对其进行电磁波通信调制处理，并将电磁波通信调制信号发送给数据融合中心；数据融合中心对多个水下移动平台的发送信号进行融合信号处理，根据所述电磁波通信调制信号下变频与降采样...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯玮，王方勇，蒋丞，杜鹏宇，李栋，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：