水声多普勒估计方法及装置、水声通信方法及系统与流程
本发明涉及水声领域，特别涉及基于双曲调频信号的水声多普勒估计方法及装置、通信方法及系统。
背景技术：
水声通信是目前唯一能够在水下进行长距离通信的技术。水中的声速约为1500m/s，远低于无线通信中电磁波3×108m/s的传播速度，故水声通信中的多普勒效应远比无线通信严重。多普勒效应将使接收信号失真，进而影响接收端后续的同步、解调、解码等处理，增大系统误码率，降低系统可靠度。故在水声通信中，对多普勒的估计与补偿是一个必不可少的重要环节。
水声通信系统中现有的多普勒估计方法有如下几种。模糊度图法(拷贝相关法)在接收端采用一组施加了不同多普勒因子的同步信号与接收到的同步信号分别作相关，取输出相关峰最高的通道对应的多普勒因子作为多普勒估计。此方法的估计精度取决于多普勒因子步进值，在对估计精度要求高的应用中，在接收端需要进行大量相关运算，且需要事先存储大量不同多普勒的同步信号副本，计算量大且占用存储空间。块多普勒估计法在一个发送数据帧的前后插入对多普勒不敏感的同步信号(如线性调频信号)，在接收端将接收数据与已知同步信号进行相关，根据帧前后两个相关峰的间距估计出接收端帧长，并与发射端帧长进行对比，最终获得多普勒估计。此方法计算量小，易于实现，但在大多普勒情况下，信号相关峰会降低，此时该方法将不适用于低信噪比环境，且在时变多径环境下，相关器输出会有多个相关峰，且各峰具有随机的幅度大小，当选取的前后两个相关峰不对应同一路径，会给多普勒估计带来较大误差。延迟互相关法采用与块多普勒估计法同样的帧结构，但直接提取接收端的前一个同步信号与整段接收信号做相关，再根据相关器输出的两个相关峰距离估计帧长，这种方法提高了信号间相关性，在时变多径水声信道中也能取得较好性能。但是这种基于帧长变化的多普勒估计方法需要存储一整帧数据，无法实现实时估计，且多普勒估计精度与帧长有关，帧长越长估计精度越高，而帧长若大于信道相关时间，又会降低前后两个接收同步信号间的相关性，降低算法性能，且这类方法估计的是一帧时间内的目标平均多普勒，当目标在帧长时间内多普勒变化较大时，估计值将产生较大偏差。
与上述方法相比，基于双曲调频(hyperbolicfrequencymodulation，hfm)信号的多普勒估计方法具有无需存储大段数据，可实现实时多普勒估计；对信道时变速度的要求低，只需假设信道在同步信号的时间范围内保持不变；计算复杂度低，易于实现；估计瞬时多普勒，精度高等优点，从而被广泛应用于水声通信系统中。
双曲调频信号可表示为
其中
其中fl和fh分别是双曲调频信号的扫频起始频率和扫频终止频率，t是信号持续时间。当fl＜fh时称为升调频双曲调频信号，简称升双曲调频信号，当fl＞fh时称为降调频双曲调频信号，简称降双曲调频信号。
双曲调频信号的瞬时频率可表示为信号相位对时间的导数除以2π，即
这是一个双曲函数，这也是双曲调频信号名称的由来。
对宽带信号s(t)的多普勒效应的建模可表示为
r(t)＝s[(1+α)t](2.4)
其中r(t)为接收信号，α是多普勒因子，定义为
α＝v/c(2.5)
其中c是水中的声速，v是发射机和接收机的相对速度。注意这里v＞0表示发射机和接收机相向运动。
故若发射信号为双曲调频信号
时，其瞬时频率为
接收信号的瞬时相位可表示为
接收信号的瞬时频率为
注意到接收信号的瞬时频率与发射信号的瞬时频率具有如下关系
即多普勒效应对双曲调频信号的影响体现在接收端匹配滤波器的输出上基本上仅为相关峰的偏移。这一性质称为双曲调频信号的多普勒不变性。
采用仿真参数：采样率fs＝96khz，升/降双曲调频信号点数n＝2048点，持续时间t＝n/fs＝21.3ms，升双曲调频信号fl＝10khz，fh＝12.5khz，降双曲调频信号fl＝12.5khz，fh＝10khz。我们对施加相同时延及不同多普勒因子α后的降双曲调频信号和升双曲调频信号与原始信号做相关的输出进行了仿真，结果如图1、图2所示。
可见，多普勒因子对于双曲调频信号的匹配滤波输出的影响仅为相关峰时间上的平移(以及轻微的幅度下降)，且在同一多普勒因子下，升/降双曲调频信号的接收端相关峰偏移方向相反。且相关峰偏移量δt与多普勒因子α具有(2.10)中的解析关系。故只要升/降双曲调频信号的相关峰偏移量已知，就能反解出多普勒因子α。
然而，实际中虽然可以得到相关峰的位置，但信号的真实到达时刻是未知的，故单一双曲调频信号的相关峰偏移量无法获得，即无法仅通过一个升/降双曲调频信号采用这种基于偏移量反推的方法估计多普勒因子。故下面将降双曲调频信号和升双曲调频信号组成一个新的同步信号，用于水声通信系统中一帧发送数据的多普勒估计。
在水声通信中，采用如下所示同步信号
其中x(t)设置为降调频双曲调频信号。
这种同步信号的时域波形及时频谱图如图3所示。
对同步信号施加α＝0.01的多普勒因子和一定的时延后得到接收信号。接收信号波形及其分别与升/降双曲调频信号的匹配滤波输出结果如图4所示：
设降双曲调频信号相关峰位置为t1，升双曲调频信号相关峰位置为t2，降双曲调频信号实际到达时刻(toa)为τ。由(2.10)，有
其中t/(1+α)是降双曲调频信号和升双曲调频信号在多普勒因子为α时toa的差值，
由(2.2)可知
求解(2.13)，(2.14)得t1，t2与α的解析关系：
可见，当采用(2.11)所示的同步信号时，接收端无需知道同步信号的精确到达时刻，仅需得到这两个相关峰的位置，就可以通过它们的差值反推α。这种算法的实现流程如图5所示。
但在实际应用中，由于水声信道的多径效应和快速时变性，我们无法得到像图4中那样的理想相关峰。将某帧湖试数据的同步信号分别与降双曲调频信号和升双曲调频信号做相关，结果如图6所示。
可见得到了多径对应的多个相关峰，且由于信道时变性，升双曲调频信号的各相关峰幅度与降双曲调频信号的各相关峰相比产生了变化。此时，若要正确估计多普勒，需要选择对应同一路径的两个相关峰，否则将出现相关峰“失配”问题，给估计带来较大误差。
显然，此时不能简单地选择最大相关峰的位置作为t1，t2。若设置阈值，选择高于阈值的第一个相关峰，则可以一定程度上避免相关峰“失配”问题，但阈值却难以选择，若阈值过大，则可能导致某些帧没有符合条件的相关峰，若阈值过小，则会导致某些帧选到信号与噪声的相关峰。
在图6所示的情况下，若选取最大相关峰，则速度估计值为
故该方法无法直接用于实际的时变多径水声信道，且目前没有针对这一问题的有效解决方法。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的发明目的是解决传统的基于升-降双曲调频信号的多普勒估计方法在实际水声通信应用中的不足，在实际的时变多径水声信道中实现精度高、效果稳健的多普勒估计。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于双曲调频信号的多普勒估计方法，其特征在于包括：
发射端步骤：
在发射端，发射分段信号
其中，x(t)是双曲调频信号，t表示信号持续时间，
接收端步骤：
在接收端，接收信号分别送入第一段双曲调频信号和第二段双曲调频信号的相关器进行匹配滤波，第一段双曲调频信号的匹配滤波输出与第二段双曲调频信号的匹配滤波输出进行重相关，从而得到第一段双曲调频信号的匹配滤波输出和第二段双曲调频信号的匹配滤波输出的整体相对时移
依据以下公式估计多普勒因子
其中，
进一步的，重相关时，使用第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关。
进一步的，重相关时，截取第一段双曲调频信号的匹配滤波输出中的包含两个或多个大幅度多径信道对应的相关峰的一段数据作为主相关峰数据，与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关；或者重相关时，截取第二段双曲调频信号的匹配滤波输出中的包含两个或多个大幅度多径信道对应的相关峰的一段数据作为主相关峰数据，与第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关。
进一步的，重相关时，截取第一段双曲调频信号的匹配滤波输出中的最高相关峰前后的数据作为主相关峰数据与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关；或者重相关时，截取第二段双曲调频信号的匹配滤波输出中的最高相关峰前后的数据作为主相关峰数据与第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关，截取的长度根据信道长度确定。
本发明还提供了一种基于双曲调频信号的多普勒估计装置，其特征在于，该装置根据发送端发送的分段信号进行多普勒估计，所述分段信号为
其中，x(t)是双曲调频信号，t表示信号持续时间，
所述多普勒估计装置包括三个相关器和一个多普勒因子计算模块，其中，
第一相关器，用于接收信号和第一双曲调频信号
第二相关器，用于接收信号和第二双曲调频信号
第三相关器，用于将第一段双曲调频信号的匹配滤波输出与第二段双曲调频信号的匹配滤波输出进行重相关，得到第一段双曲调频信号的匹配滤波输出和第二段双曲调频信号的匹配滤波输出的整体相对时移
多普勒因子计算模块，依据以下公式估计多普勒因子
其中，
进一步的，第三相关器使用第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关。
进一步的，第三相关器重相关时，截取第一段双曲调频信号的匹配滤波输出中的包含两个或多个大幅度多径信道对应的相关峰的一段数据作为主相关峰数据，与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关；或者截取第二段双曲调频信号的匹配滤波输出中的包含两个或多个大幅度多径信道对应的相关峰的一段数据作为主相关峰数据，与第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关。
进一步的，第三相关器使用截取的第一段双曲调频信号的匹配滤波输出中的最高相关峰前后的数据作为主相关峰数据与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关；或者第三相关器使用截取的第二段双曲调频信号的匹配滤波输出中的最高相关峰前后的数据作为主相关峰数据与第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关，截取的长度根据信道长度确定。
基于上述多普勒估计方法，本发明还提供了一种水声通信方法，其特征在于，发射端使用发射端步骤中的分段信号作为每一帧信号的同步信号，接收端提取出同步信号后，采用接收端步骤进行多普勒估计。
基于上述多普勒估计装置，本发明还提供了一种水声通信系统，其特征在于，发射端包括同步信号生成模块，同步信号生成模块生成发射端步骤中的分段信号，发送端将该信号作为每一帧信号的同步信号；接收端包括多普勒估计装置，所述多普勒估计装置采用多普勒估计装置对接收到的同步信号进行多普勒估计。
有益效果：
本申请提出了一种改进的基于双曲调频信号的多普勒估计方法，在保持了传统的基于双曲调频信号的多普勒估计方法无需存储大段数据、可实现实时多普勒估计、对信道时变速度的要求低(只需假设信道在同步信号的时间范围内保持不变)、计算复杂度低易实现、能估计瞬时多普勒、精度高等优点的基础上，降低了其在实际的时变多径水声信道中的估计误差，提高了估计的稳健性，并在实际湖试应用中证实了这种改进方法的有效性和可靠性。并且该方法计算量相对于传统方法无明显增加，易于工程实现，可用于多种需要进行多普勒估计的水声系统，具有广泛应用前景。
附图说明
图1是不同多普勒因子下降双曲调频信号相关峰偏移；
图2是不同多普勒因子下升双曲调频信号相关峰偏移；
图3是同步信号波形图及时频谱；
图4是α＝0.01时接收机升/降双曲调频信号匹配滤波输出示意图；
图5是升/降双曲调频信号多普勒估计示意图；
图6是湖试数据升/降双曲调频信号相关峰；
图7是升/降双曲调频信号多径信道匹配滤波输出的仿真结果图；
图8是α＝0.001时升/降双曲调频信号多径信道匹配滤波输出的仿真结果图；
图9是帧结构示意图；
图10是降双曲调频信号主相关峰示意图；
图11是α＝0.001时升/降双曲调频信号接收端重相关结果；
图12是湖试数据降双曲调频信号主相关峰示意图；
图13是湖试数据重相关结果；
图14是改进的基于双曲调频信号的多普勒估计流程图一；
图15是改进的基于双曲调频信号的多普勒估计流程图二；
图16是改进的多普勒估计方案用于实际水声通信系统的实现流程图。
具体实施方式
为更清楚明白地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面给出具体实施例对本发明作进一步详细说明。
传统方法中选取对应同一路径的升/降双曲调频信号的相关峰的最终目的是获得相关峰之间的距离，但实际中由于水声信道复杂的多径环境和快速的时变性导致相关峰选取困难。本发明提出一种新的方案，利用升/降双曲调频信号在接收端的匹配滤波输出的波形结构自动适应时变多径信道，无需进行单个相关峰的选取，直接获得相关峰距离。
多径信道的信道冲激响应可被建模为
其中，ai，τi分别为第i条路径的幅度和时延，n为多径数目。
设降双曲调频信号为sd(t)，则其过信道后在接收端的匹配滤波输出为
其中符号
使用卷积运算的交换性质，(4.2)可重写为
其中rdd(t)是sd(t)的自相关函数。
设升双曲调频信号为su(t)，显然
su(t)＝sd(-t)(4.4)
故
ruu(t)＝rdd(t)(4.5)
其中，ruu(t)是su(t)的自相关函数。即在无多普勒的多径信道下，升双曲调频信号和降双曲调频信号的接收端匹配滤波器输出具有相同形式。
采用仿真参数：多径数n＝3，各多径时延τiti＝1，2，3)分别为3ms，5ms和7ms，各多径幅度ai(i＝1，2，3)分别为0.8，1和0.6，双曲调频信号参数与图1中相同。仿真升/降双曲调频信号经过多径信道后在接收端的匹配滤波输出及它们之间误差的绝对值如图7所示。
可见升/降双曲调频信号经过多径信道后的接收端的匹配滤波输出相同。
1.时变多径水声信道双曲调频信号匹配滤波输出分析
由背景技术中的讨论可知，多普勒对于双曲调频信号接收端匹配滤波输出的影响可建模为相关峰的时间平移。若假设所有多径的多普勒因子相同(该假设在收发机的相对运动是多普勒失真的主要来源，且各多径到达角相差很小时与实际匹配较好，一个典型场景是远场浅海水平通信)，即所有多径对应的相关峰经历相同的时移，则经历此时变多径信道后，降双曲调频信号sd(t)的接收端匹配滤波输出可表示为
其中δtd与(2.10)中的δt定义相同。即多普勒将导致匹配滤波器的输出整体进行平移。
采用与图7仿真相同的仿真参数，并对每条多径均加入α＝0.001的多普勒因子，仿真多普勒因子对多径信道双曲调频信号接收端匹配滤波器输出的影响，如图8所示。可见当各多径多普勒因子相同时，如(4.6)所示，升/降双曲调频信号的接收端匹配滤波输出为所有相关峰的整体平移。
2.发射端组帧
在水声通信系统的发射端，采用如图9所示帧结构，第n帧数据包括降双曲调频信号hfm_down，升双曲调频信号hfm_up，数据data，gap表示间隔。其中降双曲调频信号和升双曲调频信号的参数与前面仿真中相同(实际应用中，双曲调频信号参数可根据实际系统参数自行设置)，注意到我们在降双曲调频信号和升双曲调频信号之间插入了一段长度为t的保护间隔(此保护间隔的长度也可根据应用场景自行设置)，用于防止前一个双曲调频信号的多径拖尾对后一个双曲调频信号或对后面的发送数据造成影响。
这里的同步信号(tg＝t)可表示为
注意这里降双曲调频信号和升双曲调频信号的顺序可以互换，互换的结果仅影响下面多普勒估计原理中最终的多普勒估计公式，对其他步骤无影响。
3.多普勒估计原理
由(4.6)，(4.7)可知，接收端对降双曲调频信号的匹配滤波输出为
接收端对升双曲调频信号的匹配滤波输出为
可见二者仅相差一个常数时移
可采用一个相关器来估计这个时移，即
这里称这一操作为重相关。用这个升/降双曲调频信号匹配滤波输出的整体相对时移取代(2.15)中的单个相关峰距离t2-t1，即可获得对多普勒因子的估计
这里分子中的t变成了2t，这是因为在两个双曲调频信号之间插入了长度为t的保护间隔。更一般地，若保护间隔长度为tg，则多普勒因子估计公式为
由于这里并不是对升/降双曲调频信号的匹配滤波输出分别选择单一相关峰再求距离，而是利用了所有相关峰的信息，整体再进行一次相关得到相关峰整体距离，故这种方法不存在相关峰“失配”问题，且能够自动适应时变多径水声信道，从而可以实现更加精确且稳健的多普勒估计。
此外，降双曲调频信号和升双曲调频信号的顺序可以互换，在这种情况下，同理可得，多普勒因子的估计公式为
4.主相关峰提取
由图8可见，由于两个双曲调频信号的匹配滤波输出在大部分时间内很小(实际中这些时间对应信号与噪声的相关结果)，故无需使用整段降双曲调频信号的匹配滤波输出与升双曲调频信号的匹配滤波输出进行重相关，仅需取降双曲调频信号匹配滤波输出中的几个大幅度多径信道对应的主相关峰即可。
采用图9所示同步信号结构并采用与图8相同的信号参数和信道参数，提取接收端降双曲调频信号匹配滤波输出的主相关峰如图10中虚线框中所示。
在实际中，预先并不知道降双曲调频信号匹配滤波输出的主相关峰时间范围，此时可以截取最高相关峰前后各一小段数据作为主相关峰数据，截取的长度根据信道长度决定。注意在主相关峰范围稍有偏差时，仍能和升双曲调频信号匹配滤波输出相应的部分进行匹配，故主相关峰范围稍有偏差对此方法的最终估计效果影响并不大。
5.重相关
将主相关峰提取中提取的降双曲调频信号主相关峰数据与升双曲调频信号的匹配滤波输出进行重相关，结果如图11所示。可见有明显的最高相关峰，可以用这个最高相关峰的位置减去第一段双曲调频信号主相关峰数据起点的位置得到升/降双曲调频信号相关峰的整体距离，进而由式(4.12)估计多普勒。
6.此方法应用于实际湖试数据的效果
对于图6所示的实际湖试数据帧同步信号的升/降双曲调频信号匹配滤波输出结果，取降双曲调频信号最大相关峰前256点到后1536点作为有效相关峰数据，如图12虚线框中所示。
将此有效相关峰数据与升双曲调频信号匹配滤波输出进行重相关的结果如图13所示。
可见重相关输出有明显的最大相关峰，据此最大重相关峰得到升/降双曲调频信号相关峰整体距离后估计出的目标速度为
7.系统算法流程图及实施示意图
该改进方案的多普勒估计算法实现流程图如图14、图15所示。
在发射端，发射分段信号
其中，x(t)是双曲调频信号，t表示信号持续时间，
接收端步骤：
在接收端，接收信号分别送入第一段双曲调频信号和第二段双曲调频信号的相关器进行匹配滤波，第一段双曲调频信号的匹配滤波输出与第二段双曲调频信号的匹配滤波输出进行重相关，从而得到第一段双曲调频信号的匹配滤波输出和第二段双曲调频信号的匹配滤波输出的整体相对时移
依据公式(4.16)估计多普勒因子
其中，
重相关时，可以使用第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关；也可以截取第一段双曲调频信号的匹配滤波输出中的包含两个或多个大幅度多径信道对应的相关峰的一段数据作为主相关峰数据，与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关；还可以截取第二段双曲调频信号的匹配滤波输出中的包含两个或多个大幅度多径信道对应的相关峰的一段数据作为主相关峰数据，与第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关。
重相关时，可以截取第一段双曲调频信号的匹配滤波输出中的最高相关峰前后的数据作为主相关峰数据与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关；还可以截取第二段双曲调频信号的匹配滤波输出中的最高相关峰前后的数据作为主相关峰数据与第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关，截取的长度根据信道长度确定。
基于上述流程，可实现一种基于双曲调频信号的时变多径水声信道多普勒估计装置，如图所示，该装置根据发送端发送的分段信号(4.15)进行多普勒估计，所述多普勒估计装置包括三个相关器和一个多普勒因子计算模块，其中，
第一相关器，用于接收信号和第一双曲调频信号
第二相关器，用于接收信号和第二双曲调频信号
第三相关器，用于将第一段双曲调频信号的匹配滤波输出与第二段双曲调频信号的匹配滤波输出进行重相关，得到第一段双曲调频信号的匹配滤波输出和第二段双曲调频信号的匹配滤波输出的整体相对时移
多普勒因子计算模块，依据公式(4.16)估计多普勒因子
第三相关器可以使用第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关；也可以使用第一段双曲调频信号的匹配滤波输出中的包含两个或多个大幅度多径信道对应的相关峰的一段数据作为主相关峰数据，与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关；还可以使用第二段双曲调频信号的匹配滤波输出中的包含两个或多个大幅度多径信道对应的主相关峰的数据，与第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关。
第三相关器重相关时，可以截取第一段双曲调频信号的匹配滤波输出中的最高相关峰前后的数据作为主相关峰数据与第二段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关；还可以截取第二段双曲调频信号的匹配滤波输出中的最高相关峰前后的数据作为主相关峰数据与第一段双曲调频信号的整段匹配滤波输出进行重相关，截取的长度根据信道长度确定。
该方案用于实际水声通信系统的一种实现流程图如图16所示。
基于上述多普勒估计方法，可以实现一种水声通信方法，如图所示，发射端使用发射端步骤中的分段信号作为每一帧信号的同步信号，采用图9所示的帧结构，tg＝t，接收端提取出同步信号后，采用接收端步骤进行多普勒估计。
基于上述多普勒估计装置，可以实现一种水声通信系统，如图所示，发射端包括同步信号生成模块，同步信号生成模块生成射端步骤中的分段信号，发送端将该信号作为每一帧信号的同步信号；接收端包括多普勒估计装置，所述多普勒估计装置采用多普勒估计装置对接收到的同步信号进行多普勒估计，然后再进行后续处理。
本方法可灵活嵌入多种需要进行多普勒估计的水下系统中，只需发送双曲调频信号，接收端基于双曲调频信号进行多普勒估计即可，以上具体系统实现流程可根据实际应用场合进行修改。
以上仅为发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想原则内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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