一种针对小多普勒扩展水声信道的OFDM接收算法

在水声正交频分复用(OFDM)通信系统中,水声信道中的多径时延扩展会带来频域选择性衰落,多普勒效应会带来子载波间干扰(ICI)。传统接收算法需要开展复杂的二维(时延/多普勒)信道估计, 再进行复杂的信道均衡和符号检测。针对有限多普勒扩展的信道条件下多普勒矩阵元素变化缓慢、ICI 干扰范围有限的特点,借鉴多项式拟合思想,提出了一种创新的接收算法。该算法将多普勒矩阵元素近似为多项式函数,迭代进行多项式拟合和数据符号频域均衡。和传统方法相比,该算法无需进行信道多普勒估计,仅需信道的一维(时延)估计即可实现较好的性能。利用 Bellhop 产生的水声信道仿真结果验证了该算法的可行性。     

水声时变信道下OFDM系统运动多普勒补偿

通信节点之间相对移动产生的多普勒频率变化将会造成正交频分复用(Orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)系统子载波干扰,影响 OFDM 通信系统性能。针对由收发端相对运动引起的子信道干扰,提出了 PEMD-WFFT(Pilot Empirical Mode Decomposition -Wavelet FFT)自适应均衡算法,该算法使用相干检测方法分离信号中心频率处的频偏分量,并使用 EMD 技术分解相干检测处理后的信号频率分量, 进而估计出多普勒引起的信号频偏,随后用 WFFT 多普勒抑制算法补偿残余多普勒。采用差分相干检测技术联合自适应随机梯度算法获得信号重构过程中的抽头系数,该方法具有良好的导频性能和信道追踪能力。与 WFFT 算法相比较,可以补偿更大的移速带来的多普勒频偏。最后进行了算法仿真,并做了水池实验初步检验了算法的可行性。     

基于分数阶傅里叶变换的水下目标速度估计

在高斯白噪声背景下,匹配滤波器作为线性调频信号的最优检测器,在水声信号处理中被广泛应用。 当发射信号为线性调频信号时,由水下目标径向速度引起的多普勒频移会造成回波和样本之间失配, 使匹配滤波器的检测性能下降,增加了目标速度估计的难度。 利用分数阶傅里叶变换对于线性调频信号的聚焦特性,提出了应用分数阶傅里叶变换的水下运动目标线性调频回波检测算法,完成对目标速度的估计, 推导目标运动速度与分数阶傅里叶变换阶数之间的关系,并对测量结果进行误差分析。 仿真测试表明,该算法可有效地估计混响背景下的目标径向速度,且具有良好的估计性能。     

拖曳声源深海传播损失算法改进

为实现水声传播损失高效准确计算,以满足工程应用要求,基于南海某深水海域水声调查数据研究改进拖曳声源深海传播损失算法。首先,对信号时间序列分析发现:深海多途传播结构显著,可分为直达波、第一二次海底反射波,信号幅度逐渐减小,海面反射波与直达波重叠;目标信号中心频率产生多普勒频移,与声源拖曳速度对应较好;"单频"正弦信号并非单一频点上的声信号,为一窄带功率谱,谱峰对应信号中心频率。进而,从信号识别及多途效应处理两方面对算法进行改进:基于功率谱频带分布,设计Butterworth滤波器带通截止频率,从频域上滤除噪声信号;依据环境噪声电压幅值,制定其判定标准,从时域剔除与目标信号同频带噪声信号。算法改进后可较好适应低信噪比环境下多途拖曳声源信号能量计算,快速高精度得到传损失数据。     

MFSK水声通信接收系统中的幅度均衡设计

为了抗幅度随频率的衰减，提出了一种基于多频移频健控（MFSK）调制方式的水声通信接收系统中的幅度均衡技术，介绍了构成幅度均衡电路的基本原理以及在厦门港浅海域中的实验结果，实验结果表明，该技术能有效克服上系统中的信号民幅度随率的衰减问题。使接收到的图像清晰易读。     

基于带乘性噪声模型的水声通信字符估计算法研究

水声信道多途效应明显,而且存在衰落、散射、损耗以及随机时变等特性,使得水声通信系统的接收信号存在严重的码间干扰.利用带乘性噪声系统模型来刻画随机信道,在建模基础上利用最优滤波递推算法实现状态估计.由于状态向量中的第一维与接收信号之间存在一一对应关系,进而可实现水声信号的估计.该算法在最小方差意义下是最优的,能有效克服码间干扰和噪声污染.2种信道的仿真结果表明,在信噪比(SNR)为18db时,误码率(BER)均已经降低到10-4数量级,验证了算法的有效性.     

一个水声扩频通信系统设计与实现

严重的多途衰落、多普勒频偏是水声通信中引起误码的主要原因。低功耗、远距离、高隐蔽性、低信噪比检测、高可靠性的数据传输是水声通信的一个发展方向。设计并实现了一个水声扩频通信系统,有效地解决了以上问题,并采用快速相关算法,代替传统的矢量与矩阵相乘运算,极大地减少了程序的运行量,从而实时地处理接收信号。通过湖试和海试,验证了此通信系统的优良性能。     

基于子空间相关运算的GNSS欺骗干扰检测研究

针对全球导航卫星系统GNSS(global navigation satellite system)面临的欺骗干扰问题,提出了一种基于子空间相关运算的GNSS导航信号欺骗干扰检测算法,该方法以单周期伪随机序列的中频采样信号作为样本,依据设定的多普勒频移搜索步长,获得多组采样序列,并计算自相关矩阵,经特征值分解构建了以伪随机序列为基础的信号子空间。通过已知的伪随机序列循环移位对信号子空间进行相关运算,根据相关峰值数量判断是否存在欺骗干扰。仿真结果验证了算法的有效性,并从搜索范围、搜索步长、信噪比等多个角度验证了算法的鲁棒性,结果表明：本方法能够较好地抑制信号的普勒频移的影响,并在较低信噪比情况下仍具有较高的检测精度。     

OTFS水声通信技术研究现状与展望

正交时频空调制是近年来提出的一种用于高速移动无线通信场景的调制技术,通过将时变多径信道转换到时延–多普勒域,使得所有符号都经历几乎相同且变化缓慢的稀疏信道。与正交频分复用系统相比, 正交时频空技术具有较低的峰均功率比,且能够有效抵抗多普勒效应,在高时延、高多普勒的信道条件下具备性能优势。简要介绍了正交时频空技术的基本原理,以及目前无线电及水声通信领域正交时频空技术研究与应用现状,梳理了正交时频空技术在工程应用中亟待解决的关键问题,如波形设计、信道估计和均衡以及接收机结构设计等。最后对正交时频空技术在水声通信系统中面临的挑战和应用前景进行了分析和展望。     

一种基于正交频分复用的高速水声通信技术的研究

OFDM(正交频分复用)是一种适合于在多径衰落和受限带宽信道中进行高速传输的技术。论文把OFDM技术应用于高速水声通信中,设计了一套基于OFDM的高速水声通信系统,阐述了OFDM水声通信系统中同步和信道估计的方法。海上试验证明了系统的有效性。     

基于虚拟仪器的水下目标二维角估计

利用LabVIEW软件，通过8通道数据采集卡和均匀圆阵对水下目标的噪声进行采集和处理。结合一维直线阵波束形成理论，实现了对水下目标二维方向角估计实验研究和算法验证。实验证明利用虚拟仪器方便地实现了对水声信号的采集、处理，以及在方位估计时，为传感器布阵和算法的确定提供参考。     

被动声呐的高分辨率目标方位估计

本文讨论应用高分辨率非线性谱分析技术进行水声目标方位的估计。文中针对水声信号特点，通过主值频谱抽取方法克服宽频带非线性方位估计的大运算量难题，大大简化了计算复杂性，同时还保证了较高的信噪比。经模拟计算表明，该方法实现简单，有较常规波束形成法为高的方位分辨率     

声相关海流剖面(ACCP)测量的流速估值方法

声相关海流剖面（ACCP）测量技术对水体回波信号进行空间相关处理来估计流速值，与声学多普勒海流剖面仪（ADCP）相比ACCP的工作频工，更适合深海测流应用，ACCP测量系统对回波信号进行时空相关处理，根据相关函数的位置来估计被测水团的流速值，ACCP从信号中提取流速值要运用参数估计技术，本文介绍了采用极大似然法和最小二乘法进行流速参数的处理方法，给出一些典型流速情形的数值计算结果。     

时变水声信道中基于BEM的迭代信道估计技术

水声信道的多径时延扩展和时变特性对信道估计和均衡技术的研究带来了很大的挑战,同时也决定了水声信道是一种时频双扩展信道,提出一种水声OFDM通信系统中基于软信息的迭代信道估计技术,利用基于复指数基扩展模型(CE-BEM)进行信道估计。OFDM系统本身可以消除由于多径引起的符号间干扰(ISI)。基于导频的BEM信道估计,可以实现对时变信道的估计,结合基于软信息迭代的迭代均衡模块,将每次迭代生成的符号软判决信息作为辅助导频用于信道估计。同时,为了防止由于信道时变引起的信道子载波间干扰(ICI)对导频符号的影响,采用基于保护间隔的导频插入法插入导频。仿真结果显示基于BEM的软信息迭代信道估计性能较非迭代信道估计时明显提升。     

传感器测量衰减下的水下目标纯方位跟踪算法

为解决多传感器水下目标纯方位跟踪中的传感器测量衰减问题,建立水下目标静态多传感器纯方位跟踪模型,将传感器测量衰减建模为统计特性已知的随机变量,基于融合中心接收到的各水声传感器的原始测量值,设计了一种集中式状态估计器结构,利用最小方差方法推导出最优的集中式目标状态估计增益。通过算例仿真可以得出,所提出的算法能够在水声传感器不做机动的前提下跟踪目标,弥补了单个水声传感器观测性不足的缺点,对比传统的集中式Kalman估计器,具有更高的精度,能够有效解决传感器测量衰减问题。     

OFDM水声通信系统的同步技术研究

OFDM传输技术能够克服水声信道中的多径传播并获得高的频谱效率,不需要复杂的自适应均衡器,但其对同步误差非常敏感.在分析OFDM同步误差原理的基础上,设计实现了一个宽带OFDM水声通信接收机,并着重讨论了接收机中基于训练数据的定时和频率同步方法,以及多普勒频偏的估计和补偿算法.水下实验证明了方案的有效性.     

基于相参X-波段海洋雷达的海表轮廓测量研究

X-波段海洋雷达测量所得海面散射单元的多普勒信息与散射单元的雷达视向速度密切相关。首先,基于符号多普勒估计方法,对X-波段雷达海面回波的多普勒频移信息进行了估计;在此基础上,应用各分辨单元回波的多普勒频移信息,建立了海浪表面轮廓的反演算法。该算法中,同时考虑了雷达入射角、方位角和雷达空间分辨率等因素对反演结果的影响。通过将反演结果与浮标测量数据相比较,发现雷达空间分辨率起到了类似低通滤波的作用,该作用对短重力波谱影响显著。同时,还应用加拿大麦克马斯特大学的IPIX雷达数据对海表轮廓进行了反演,并将反演所得有效波高、海浪周期与现场测量数据进行了比较,反演结果与现场测量结果吻合较好。     

水声通信及组网的现状和展望

水声通信是海洋中无线信息传输的主要技术手段。水声通信技术在海洋环境监测、水下航行器/载人潜水器作业等方面有着广泛应用。同时,水声信道传输状态多变、海洋作业环境恶劣,对通信算法和设备可靠性有较高要求,水声通信及组网成为目前的研究热点。文中面向海洋环境监测领域,从水声通信物理层技术、网络技术及组网应用等方面进行介绍,并对未来技术趋势进行展望。     

面向长时水声通信数据采集与评估的浮标设计与实现

复杂海洋环境导致水声信道呈现随机时-空-频变特性,特别是浅海信道受界面、人为干扰的严重影响,对水声通信造成极大困难。近年来人工智能领域机器学习等技术飞速发展,为提高复杂环境下水声通信可靠性提供了新思路。但是,由于水声信道复杂多变、缺乏普适模型,从机器学习角度而言水声通信数据样本严重不足,传统单次、短时水声通信实验采集的数据无法充分表征水声信道空间、时间特性。通过长期部署水声通信及信号采集设备,可望在一定程度上丰富通信数据,为典型海域下人工智能水声通信研究提供数据支持。 设计并实现了一种浅海水声通信浮标,搭载水声通信系统可实现长时浅海水声通信数据采集、性能评估,同时依托北斗系统具备远程状态显示、功能控制功能。厦门港海域实验表明,依托浮标采集的长时水声通信数据可开展水声通信性能评估、信道特性与通信性能关联度分析,为下一步工作打下了良好的基础。     

水声学

声学的一个分支。它主要研究声波在水下的辐射、传播和接收,用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。水声学的研究领域主要包括：新型水声换能器;水中非线性声学;水声场的时空结构（如信号场的相关、简正波场的分离和应用、数值声场预报和信道匹配等）;水声信号处理技术（如最佳时空处理、水声信号的参量估计等）;海洋中的噪声和混响背景、散射和起伏,目标反射和舰船辐射噪声;海洋媒质的声学特性（如沉积层和海底、海面、内波及湍流的声学特性）等水声学