一种混沌声呐信号产生方法与流程

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种混沌声呐信号产生方法。

背景技术：

声波是目前在海洋中能够远距离传播的能量辐射形式，而无线电波和光波在海水中传播时都要受到严重的衰减，不能作为传递信息的载体，因此声呐信号的研究成为提高海洋探测、目标定位、通信质量的手段。

声呐信号从所使用的频段大致可分为两大类：宽带中低频声源和窄带(单频或双频为主)高频声源。在声呐测量及探测中主要使用窄带高频声源，但是窄带脉冲信号存在参数估计精度低、目标识别能力差的问题。

国内外研究中，通过对m序列和Gold序列进行直接序列扩频后作为声呐信号，但是因其存在序列信号时间长，抗干扰性能不高，效率低，正交性差的缺陷而不能得到广泛应用。此外，由于水声器频带范围有限，声波能量衰减等因素的制约，会极大限制通信的速率和质量。因此研究抗多径、短时、频带利用率高的水声声呐信号是十分有意义的。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有声呐信号存在的序列信号持续时间较长，效率不高，抗多径干扰能力不强以及正交性差的技术问题，提供一种混沌声呐信号产生方法，使之产生具有窄带特性的水声混沌声呐信号，并将信号应用在水声测距系统中。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种混沌声呐信号产生方法，基于相位调制的逻辑斯谛(Logistic)映射以及现场可编程门阵列(FPGA)硬件电路实现，其中，包括以下步骤：

1)、设置一个混沌序列发生器，该混沌序列发生器选择扩频序列的Logistic映射作为在水声通信中的建模，表达式为x_n+1＝F(x_n,μ)＝μx_n(1-x_n)，式中，x_n为混沌序列发生器的反馈输入值，μ为分形参数，x_n+1为混沌序列的输出值，n为正整数；

2)、根据Logistic混沌序列的李雅普诺夫指数变化曲线，选取分型参数μ∈(3.5699456,4)，并设置混沌初始密钥x₀∈(0,1)；

3)、将步骤2)中混沌初始密钥和分型参数分别输入混沌序列发生器中，开始进行迭代，其中n为迭代次数，n从1递增到5000，序列迭代5000次，并根据迭代后混沌序列的概率密度函数，得到混沌序列的平均值为0.5，将每次迭代产生的输出值减去平均值0.5，使新的混沌序列X_n分布在(-0.5,0.5)区间内；

4)、记录每次迭代后的混沌序列的值X_n，迭代次数N为5000；

①此混沌序列由N个chip构成的混沌序列，然后直接对扩频码的chip频率进行混沌调制，该混沌序列特性的频率为f_i＝f₀+BX_i，式中，f₀为第i个chip的中心频率，B为系统带宽，X_i为迭代后的混沌序列输出值，f_i为具有混沌序列特性频率；

②将N个chip首尾相连构成混沌扩频码型，每个chip的初始相位表示为其中，设第1个chip的相位为第i个chip的初始相位，τ为每个chip的脉宽，i为迭代次数，i从1递增到5000，序列迭代次数为5000，将初始相位输入相位生成器中，开始进行迭代；

③根据②中迭代产生的相位，对混沌序列进行相位调制，则每个chip的波形表示为其中，t为混沌序列的持续时间，chip_i(t)表示随时间变化的chip波形，将其首尾相接，即构成窄带混沌序列；

5)、将产生的窄带混沌序列加载到FPGA的只读存储器(ROM)中，由FPGA将只读存储器(ROM)中的数据依次输出到14位的D/A转换器中，得到对应的混沌声呐信号波形。

本发明与现有技术相比，采用新型的混沌声呐设计方法产生的声定位信号，由于混沌信号类似于浅海环境的背景噪声，具有难以发现的特点，因此声呐信号具有良好的隐蔽性；由于信号时长短，定位时间相比传统声呐定位信号短，为浅海水下动态节点的实时定位提供了可能；具有极窄的带宽，符合水声发射换能器的频谱特性，因此功率利用率高；信号数目众多，并且对初始值具有极端的灵敏性，能够为以后整个水声定位系统进行多节点组网技术提供了理论和工程上的依据。如下表，通过对信号长度为93ms的m序列与信号长度为20ms的混沌声呐信号在相同的定位距离下的对比，可以得出：混沌声呐信号表现出了定位精度高，速度快，抗干扰能力强的优点，应用于实时解算中不但可以减少数据量，同时还能够缩短定位时间。

本发明提供一种混沌声呐信号产生方法，能够解决现有声呐信号存在的信号持续时间较长，效率不高，抗多径干扰能力不强以及正交性差的技术问题，本发明具有信号时长短，带宽窄，抗干扰能力强，定位精度高、频带利用率高以及能够为水声系统快速准确定位提供依据的优点。

附图说明

图1为本发明信号产生程序框图；

图2为基于相位调制的Logistic混沌序列的硬件框图；

图3为本发明信号产生与接收系统的结构框图；

图4为水听器1和水听器2接收到的近端和远端的信号；

图5为截取水听器1接收到信号的功率谱分析；

图6为水听器1和水听器2接收到信号相关后的结果。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种混沌声呐信号产生方法，基于相位调制的逻辑斯谛(Logistic)映射以及现场可编程门阵列(FPGA)硬件电路实现，包括以下步骤：

1)、设置一个混沌序列发生器，该混沌序列发生器选择扩频序列的Logistic映射作为在水声通信中的建模，表达式为x_n+1＝F(x_n,μ)＝μx_n(1-x_n)，式中，x_n为混沌序列发生器的反馈输入值，μ为分形参数，x_n+1为混沌序列的输出值，n为正整数；

2)、根据Logistic混沌序列的李雅普诺夫指数变化曲线，选取的分型参数μ为4，并设置混沌初始密钥x₀为0.08；

3)、将步骤2)中混沌初始密钥和分型参数分别输入混沌序列发生器中，开始进行迭代，其中n为迭代次数，n从1递增到5000，序列迭代5000次，并根据迭代后混沌序列的概率密度函数，得到混沌序列的平均值为0.5，将每次迭代产生的输出值减去平均值0.5，使新的混沌序列X_n分布在(-0.5,0.5)区间内；

4)、记录每次迭代后的混沌序列的值X_n，迭代次数N为5000；

①此混沌序列由N个chip构成的混沌序列，然后直接对扩频码的chip频率进行混沌调制，以减小对混沌序列类随机性的破坏，该混沌序列特性的频率为f_i＝f₀+BX_i，式中，f₀为第i个chip的中心频率，B为系统带宽，X_i为迭代后的混沌序列输出值，f_i为具有混沌序列特性频率；

②将N个chip首尾相连构成混沌扩频码型，使得相位得到平滑处理，可以保证每个chip的相位连续性以减少频谱扩展，每个chip的初始相位表示为其中，设第1个chip的相位为第i个chip的初始相位，τ为每个chip的脉宽，i为迭代次数，i从1递增到5000，序列迭代次数为5000。将初始相位输入相位生成器中，开始进行迭代；

③根据②中迭代产生的相位，对混沌序列进行相位调制，则每个chip的波形表示为其中，t为混沌序列的持续时间，chip_i(t)表示随时间变化的chip波形，将其首尾相接，即构成窄带混沌序列；

5)、如图2所示，将产生的窄带混沌序列加载到FPGA的只读存储器(ROM)中,由FPGA将只读存储器(ROM)中的数据依次输出到14位的D/A转换器中，得到对应的混沌声呐信号波形。

如图3至图6所示，将调制好的混沌声呐序列输入FPGA中，再经D/A输出模拟信号，在功放模块中放大后通过水声发射换能器发射声信号，经水声信道由水听器1(B点)和水听器2(C点)接收声信号并转化为电信号，通过系统中的数据采集单元采集存储后，对信号进行实时解算。图3中，A点为水声发射换能器所在的位置，B点为水听器1所在位置，C点为水听器2所在位置。

从数据采集单元存储的数据中读取的波形中的信号是连续发送的，并可以看到远端信号，即由水听器2接收到的信号，收到多径干扰的影响上下浮动；近端信号即由水听器1接收到的信号较为理想。

对截取采集信号中的一部分进行功率谱特性以及李雅普诺夫指数的判定。在功率谱估计曲线中，窗口选择汉宁窗，0～20kHz时，由于发声段造成的噪声干扰，以及多径干扰产生的分量，使其功率谱逐渐下降；30kHz左右时，频率响应变大，出现一个峰值，表现出了最大的功率响应，并向两边扩散递减，符合调制混沌的频率特性。根据截取的这部分信号计算出实际混沌扩频信号的李雅普诺夫指数，其值为5.120469，为正值则此信号是混沌信号。

对远近端采集的混沌声呐信号的相关性判定中相关后的信号还可明显看到一个尖锐的高峰，且尖峰的值已用坐标标出，根据声波在水中传播的距离公式可以求出信号的距离。

本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的变化和改型都应为权利要求所涵盖。