专利名称：一种适合移动平台的被动时反水声通信方法
技术领域：
本发明涉及水声通信领域，主要是一种适合移动平台的被动时反水声通信方 法。
背景技术：
在水声信道中，由于受界面(海底、海面)反射的影响，信道多途扩展十分严 重，尤其是在浅海，多途扩展有时可能达到上百毫秒，多途扩展产生的码间干扰是水声 通信的主要障碍之一。时间反转(简称时反)处理技术是近年来发展的一种克服水声通信中多途引起 码间干扰的有效手段。根据硬件配置和数据流方向的不同，时间反转技术可分为主动时 反技术和被动时反技术两大类。主动时反技术需要一个发射声源和一条收发合置的多元 阵，多元阵收到声源发射的信号后时间反转重发出去，声场可在声源位置聚焦，信号在 往返传输过程实现了声信道传递函数的自相关，相关峰可视为“单峰的”，其主峰幅度 明显高于旁瓣，这相当于信道多途扩展被压缩。被动时反处理与主动时反处理的原理相 同，它利用接收到的探针信号构造一前置预处理器，修正后续有用信号，以克服多途引 起的码间干扰。主动时反为双向传输，阵元需要收发合置，增加了通信等待时间和系统 复杂性，而被动时反是单向传输，阵元只需接收功能，减少了系统复杂性。为了提高被动时反通信系统在复杂信道中的稳健性，一般需要增加接收阵的孔 径，接收阵元数量越多，抑制码间干扰的效果越好，但是阵处理的结构复杂性高，难以 满足一些结构紧凑的应用场合，例如自主式水下航行器等小尺寸移动平台。经过检索与本发明相关的文献包括Paul Hursky, Michael B.Porter and Martin Siderius， "Point-to-point underwateracoustic communications using spread-spectrum passive phase conjugation” , Journalof Acoustical society of America, 120 (1)，2006 (以下称文献 1)。Τ.C.Yanga， Wen-Bin Yang , “ Performation analysis of direct-sequencespread-spectrum underwater acoustic communications with low signal-to-noise-ratioinput signals”， Journal of Acoustical society of America, 123(2), 2008 (以下称文献2)。殷敬伟，王逸林等，“一种移动水声通信方法”，中国专利公开号CN 101534156A, 2009.09 (以下称发明 1)。文献1和文献2研究基于单水听器的被动时反扩频通信方法，发明1提出基于单 水听器的被动时反处理的水下空分多址方案，然而理论和实验已经证明，在复杂的水声 多途信道下，仅用单个水听器进行被动时反处理，通信质量受信道环境的影响较大，往 往难以获得稳定的低误码性能。
发明内容
本发明的目的正是要克服上述技术的不足，而提供一种可减少接收阵元数量且 保证通信质量的适合移动平台的被动时反水声通信方法。本发明解决其技术问题采用的技术方案这种适合移动平台的被动时反水声通 信方法，移动水声通信系统采用被动时反处理方法，收发双方至少有一方运动，利用位 置变化引起水声信道的水平相关性减弱，相同的信息帧在不同的位置点重复发射，收端 将不同位置、不同时刻收到的信号合并，从而获得空间和时间分集效果。包括如下步 骤(1)收发双方至少有一方运动，相同的信息帧在运动过程中不同的位置点重复发 射，并保证不同位置点的信道传递函数之间具有较低的相关性；(2)发端在每帧起始时刻先发射一探针信号，并将探针信号作为一滤波器的传递 函数，后续的扩频信号经过滤波器之后，发射送入水声信道；(3)收端首先捕获探针信号，然后将收到探针信号的时间反转与后续到达的扩频信 号做卷积运算，再对卷积输出后的信号进行多普勒测量和修正，完成每巾贞信号的预处理；(4)收端将不同位置上收到的多个相同信息帧(预处理后的)合并成一路信号， 再进行符号同步、扩频序列相关运算，最后恢复出编码信息。所述探针信号的带宽应当包含其后的扩频信号，扩频信号是发射信号的主体部 分，携带了需要传送的信息，扩频信号采用任意形式的相位调制扩频信号。所述的多普勒测量和修正为在每一帧数据的前后都插入探针信号，设相邻两 个探针信号的时间间隔为Ttp，接收端通过测量两个探针信号的拷贝相关输出的两次峰值 的时间间隔，得到伸缩后的接收帧长度τφ，计算出一帧信号多普勒伸缩率\ = ‘/7；-1，
再对帧内信息信号进行插值重采样。本发明有益的效果是(1)通信双方在运动过程中，利用水声信道在不同水平位置的弱相关性，为时反 处理提供较好的空间分集效果，与此同时，相同的信息帧在不同的时刻点重复发射，可 以获得时间分集增益，提高接收成功率。(2)与传统的多元阵时反通信方法相比较，本发明的优点在于所需的系统复杂 度低，最低配置只需收发端各一个实物阵元，就可以获得空间分集效果，增强了水声通 信系统在复杂多途信道中的可靠性，因而本发明非常适合安装空间有限的小尺寸移动平 台。(3)在进行被动时反处理时，发端先用探针信号构造一发射滤波器，滤波器的传 递函数就是探针信号，扩频信号在通过换能器发射之前先经过该滤波器，这样做可以降 低发射信号的峰平比。
图1是水声通信方法的原理框图；图2是计算机模拟的信道冲激响应图，收发水平距离分别是2000m、2250m、 2500m。图3是信道冲激响应之间的互相关系数。
图4是接收到的探针信号自相关函数的和，虚拟阵阵元个数J分别是1、3、6。图5是一个接收符号内的4组相关结果示意图，其中图(a) (b)的虚拟阵阵元 个数J分别是1、3、6。图6是误码率与虚拟阵阵元个数之间的关系图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明1.发射信号生成方法本发明的水声通信系统的发射信号包括探针信号和经过预处理的扩频信号两部 分。探针信号有两个作用，其一，使通信系统在接收端能够找到每帧信号的起始位置， 并且通过测量前后两个探针信号的到达时刻，确定帧内信号的多普勒扩展(压缩)量。 在本技术领域，线性调频信号或双曲调频信号是常用的同步信号形式。其二，接收端保 存收到的探针信号，将其与后续到达的信息信号做互相关处理。扩频信号是发射信号的 主体部分，它携带了需要传送的信息，所述的扩频信号可以是任意形式的扩频信号，扩 频序列可以是m序列，gold序列或kasami序列等具有良好自相关和互相关特性的伪随机 序列。图1(a)是发射端处理流程图，每个扩频符号由同步辅助序列和信息序列叠加组 成，其中同步辅助序列用于接收端符号同步，为了提高通信速率，可以采用多码并发的 方式，即每个扩频符号可以包含多条信息序列。2.原理分析为了便于表述，我们将通信平台运动轨迹上的第j个发射点(或接收点)看做一 条虚拟水平阵上的第j个阵元，由于收发是相对的，所述的虚拟水平阵可以是发射阵，也 可以是接收阵。假设探针信号采用线性调频信号P(O，扩频信号为m(t)，运动轨迹上第 j点与接收水听器之间的信道响应为G(t，η),接收到的探针信号pjt)和信息信号mjt) 可分别表示为
\pr{t)^p(t) G{t,rj)彳(1) [mr (0 = p(t) m(t) G(t, η)其中 表示卷积运算，用pjt)的时间反转pj-t)与mjt)做卷积运算，完成被动 时反处理，得到rhj (0 = m(t) <8 [p(t) p(-t)] G(t, η) G(-t, r)(2)在收发相对运动过程中，发射端重复发射信息信号m(t)，接收端将多个相 加，得到m(t) = m{t) <S) [p(t) (8) p(-t)] J] G(t, η ) G(-t, r.)(3)
y=i定义声信道响应的自相关函数的和为Q (t)，即Q(t) ^fjGit,⑷
y=i由于信号的自相关函数呈现“单峰”，当空间上有多个不相关或弱相关信道的 自相关函数相干叠加时，Q(t)的主瓣会增强，旁瓣会明显降低。定义接收到的探针信号的自相关函数为Heq ω，艮Ρ
权利要求
1.一种适合移动平台的被动时反水声通信方法，其特征是包括如下步骤(1)收发双方至少有一方运动，相同的信息帧在运动过程中不同的位置点重复发射， 并保证不同位置点的信道传递函数之间具有较低的相关性；(2)发端在每帧起始时刻先发射一探针信号，并将探针信号作为一滤波器的传递函 数，后续的扩频信号经过滤波器之后，发射送入水声信道；(3)收端首先捕获探针信号，然后将收到探针信号的时间反转与后续到达的扩频信号 做卷积运算，再对卷积输出后的信号进行多普勒测量和修正，完成每帧信号的预处理；(4)收端将不同位置上收到的多个相同信息帧合并成一路信号，再进行符号同步、扩 频序列相关运算，最后恢复出编码信息。
2.根据权利要求1所述的适合移动平台的被动时反水声通信方法，其特征是探针 信号的带宽应当包含其后的扩频信号，扩频信号是发射信号的主体部分，携带了需要传 送的信息，扩频信号采用任意形式的相位调制扩频信号。
3.根据权利要求1所述的适合移动平台的被动时反水声通信方法，其特征是所述 的多普勒测量和修正为在每一帧数据的前后都插入探针信号，设相邻两个探针信号的 时间间隔为Ttp，接收端通过测量两个探针信号的拷贝相关输出的两次峰值的时间间隔， 得到伸缩后的接收帧长度Τφ，计算出一帧信号多普勒伸缩率么=7；/7；-1，再对帧内信息 信号进行插值重采样。
全文摘要
本发明公开了一种适合移动平台的被动时反水声通信方法，收发双方至少有一方运动，相同的信息帧在不同的位置点重复发射，并保证不同位置点的信道传递函数之间具有较低的相关性。收端对接收信号进行帧同步、时反卷积和多普勒修正等预处理，然后将不同相对位置处收到的多个预处理信号合并，再经符号同步、扩频序列相关等运算，恢复出发射信息。本发明有益的效果利用位置变化引起水声信道的水平相关性减弱，为时反处理提供空间分集效果，降低了时反通信系统的配置，最低配置只需收发端各一个实物阵元，与此同时，相同的信息帧在不同的时刻点重复发射，也获得了时间分集效果，从而显著提高水声通信系统在复杂环境中的可靠性。
文档编号H04B13/02GK102025423SQ201010581840
公开日2011年4月20日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者岳志杰, 张宏滔, 王忠康, 祝献 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所