一种时延-多普勒r-l解卷多路径信道估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水下声信道估计，具体涉及一种时延-多普勒R-L解卷多路径信道估 计方法。
【背景技术】
[0002] 在水下声通信、海洋声层析和水下声探测等应用中，均对水声信道估计感兴趣，因 为信道估计的精确直接影响到整个系统的处理性能，这就要求高可靠分辨的信道估计。
[0003] 海洋波导是一个上有海面、下有海底、中间有随深度变化的声速梯度的多路径信 道，发射信号经过该信道后将发生额外的时延和多普勒扩展，接收信号表示为发射信号的 不同时延-多普勒频移的复本加权和。海洋信道的这种时延-多普勒双扩展特性可以用扩 展函数表示，它与时变信道脉冲响应函数互为傅里叶变换对。因而信道估计由原本的从发 射信号和接收信号估计时变的信道脉冲响应函数，简化为对信道扩展函数的估计。
[0004] 对信道扩展函数的时延和多普勒等参数进行估计，传统的简单方法是时延-多普 勒匹配滤波方法，即计算发射信号和接收信号的采样互模糊度函数。时延-多普勒匹配滤 波的分辨力主要取决于信号自模糊度函数的主瓣宽度，如果发射信号具有高的时延和多普 勒分辨力，如图钉型模糊度函数，可以获得好的时延和多普勒估计。
[0005] 数学上，多路径信道的接收信号与发射信号的互模糊度函数的期望可以建模为发 射信号自模糊度函数与信道扩展函数的两维卷积，因而时延-多普勒匹配滤波方法的分辨 力受自模糊度函数特性的限制。
[0006] 解卷方法有直接的逆滤波方法，但该方法存在病态问题。为解决病态问题，人们在 最小二乘准则指导下，先后提出了多种解卷方法，如Wiener滤波方法、规则化最小二乘方 法、输入输出非负约束的凸优化方法等。最小二乘准则是使真值与估计值间的误差平方最 小，这一方法只是在高斯噪声背景中是最佳的，且存在噪声放大问题，如Wiener滤波，规则 化困难等问题。
【发明内容】
[0007] 针对传统简单的基于时延-多普勒匹配滤波的多路径信道估计方法，其分辨力 受到自模糊度函数的主瓣宽度的限制，本发明利用信道扩展函数的非负性约束，采用信息 理论中的最小Csiszar鉴别准则，推导出Richardson-Lucy(R-L)解卷算法，提出了一种时 延-多普勒R-L解卷多路径信道估计方法，其分辨力和精度明显提高。
[0008] 本发明利用时延-多普勒R-L解卷，通过以下技术方案实现：
[0009] 1)用发射换能器发射信号；
[0010] 2)用水听器接收信号；
[0011] 3)计算发射信号的自模糊度函数；
[0012] 4)计算接收信号和发射信号的采样互模糊度函数；
[0013] 5)利用R-L算法对采样互模糊度函数进行两维解卷积，直到达到给定的条件停止 迭代；
[0014] 6)得到高分辨的多路径信道估计，各峰值对应的横、纵坐标分别是信道的各个路 径的时延τ和多普勒频移V估计。
[0015] 利用本发明的一种时延-多普勒R-L解卷多路径信道估计方法，包括如下步骤：
[0016] (1)所述步骤2)接收的信号可以进行建模，具体建模过程为：点源发射信号， 接收信号是发射信号和信道时变脉冲响应的卷积，并叠加上噪声，公式化为r(t)= s (t) *h ( τ，t) +n (t)，其中s (t)，r (t)，h ( τ，t)，n (t)分别表示发射信号、接收信号、信道时 变脉冲响应和噪声，*表示一维卷积，参量t, τ分别表示时间和时延。
[0017] 信道扩展函数是信道时变脉冲响应的傅里叶变换，用Η(τ，V)表示，可以公式化 为Η(τ， ν) = J h(T，t)e^vtdt，其中，j为虚数单位参量，V表示多普勒频移。因而接收 信号可表不为
[0018] r(t) = / / H(T,v)s(t-T)eJ2"vtdTdv+n(t) (I)
[0019] 式中r(t)，s(t)，n(t)分别表示接收信号、发射信号和噪声。
[0020] (2)如果信号的带宽远小于中心频率，例如两者之比小于0. 1 ;且相对运动速度与 声速的比值远小于信号周期和带宽乘积的倒数，多普勒效应可由多普勒频移表示，因而多 路径信道的接收信号表示为
【主权项】
1. 一种时延-多普勒R-L解卷多路径信道估计方法，其特征在于，包括： 1) 用发射换能器发射信号； 2) 用水听器接收信号； 3) 计算发射信号的自模糊度函数； 4) 计算接收信号和发射信号的采样互模糊度函数； 5) 利用Richardson-Lucy(R-L)算法对采样互模糊度函数进行两维解卷积，直到满足 条件迭代终止； 6) 通过迭代得到多路径信道估计，各峰值对应的横、纵坐标分别是信道的各个路径的 时延t和多普勒频移v估计。
2. 如权利要求1所述的多路径信道估计方法，其特征在于，所述的接收信号为： r(t) = / /H(T,v)s(t-T)eJ2"vtdTdv+n(t) H(t,v)=Ih(T,t)e^J2"vtdt 式中，j为虚数单位，t表示时间，t为时延，r(t)为接收信号，s(t)为发射信号，S(t-T)为时延T后的信号，n(t)为噪声，V为多普勒频移，H(T,V)为信道扩展函数， h(T，t)为信道时变脉冲响应，h(T，t)和H(T，V)为一对付里叶变换对。
3. 如权利要求1所述的多路径信道估计方法，其特征在于，所述发射信号的自模糊度 函数，采用Woodward窄带模糊度函数，定义为：
式中，x(t，v)为窄带模糊度函数，上标#表示共轭。
4. 如权利要求1所述的多路径信道估计方法，其特征在于，所述的采样互模糊度函数 为：
式中，Xe(T,V)为采样互模糊度函数。
5. 如权利要求4所述的多路径信道估计方法，其特征在于，将接收信号代入所述的采 样互模糊度函数，得出采样互模糊度函数的期望为信道扩展函数和发射信号的自模糊度函 数的两维卷积， E[Xc(T,V)] =H(T,V)**X(T,V) 式中，E[Xe(T，V)]是采样互模糊度函数的期望，H(T，V)是信道扩展函数，**表示 两维卷积，x(T，V)是发射信号的自模糊度函数。
6. 如权利要求5所述的多路径信道估计方法，其特征在于，由时延-多普勒两维R-L迭 代解卷算法得到的信道扩展函数的估计满足关系式：
式中，i表示迭代次数，和分别表示迭代i+1次和i次得到的信道 扩展函数的估计。
【专利摘要】本发明公开了一种时延-多普勒R-L解卷多路径信道估计方法，首先构建波导多路径环境的时延-多普勒模型，并导出采样互模糊度函数的期望是发射信号自模糊度函数与信道扩展函数的两维卷积；然后从信息理论出发，依据最小Csiszar鉴别准则，推导出Richardson-Lucy(R-L)迭代解卷算法；最后通过对采样互模糊度函数均值进行两维解卷积，消除发射信号引入的模糊，获得高分辨的时延和多普勒参量的信道估计。通过仿真示例，表明R-L解卷算法能够从模糊的采样互模糊度函数中重构出信道扩展函数；与传统的时延-多普勒两维匹配滤波相比，R-L解卷算法的分辨力和精度明显提高。
【IPC分类】H04L25-02
【公开号】CN104780127
【申请号】CN201510166086
【发明人】曾小辉
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月9日