无线紫外光MIMO通信线性注水功率分配方法

将无线紫外光多输入多输出(MIMO)通信与线性注水算法相结合,首先建立基于线性注水算法的无线紫外光非直视MIMO通信模型,并推导出其信道容量模型,然后在信号发射端采用等功率分配和线性注水算法两种方法进行功率分配,研究在无线紫外光非直视MIMO通信系统中采用这两种方法对通信系统中信道容量的影响,并进行仿真分析验证.仿真结果表明,在信噪比相同的情况下:当收发天线不对称时,采用线性注水算法进行功率分配相比于等功率分配算法,无线紫外光非直视MIMO通信信道容量得到显著提升;当收发天线对称,在信噪比较小时,利用注水算法可以明显提高信道容量,而在信噪比提高达到一定值后,采用注水算法进行功率分配的信道容量逼近等功率分配的信道容量.     

浅海声速剖面与移动声源的跟踪定位

在水平非均匀分布的浅海环境中,针对移动声源跟踪时,声速剖面的变化会对声场产生影响,提出了一种利用集合卡尔曼滤波算法的声速剖面跟踪反演和移动声源跟踪定位的方法。首先,将声速剖面进行距离和深度的参数化表示,从而将对声速剖面的跟踪转化为对声速剖面前3阶经验正交函数系数的跟踪;其次,通过将声源状态信息和声速剖面信息表示为状态变量,而将垂直线列阵接收到的声场信息作为测量值建立状态-测量模型,然后利用集合卡尔曼滤波方法对模型状态变量进行跟踪。仿真结果得出:声速剖面跟踪反演的均方根误差和移动声源跟踪定位的绝对误差都非常小,对声源的跟踪定位精度很高。并且通过增加集合样本数、增加接收信号信噪比以及增加接收阵元数目都可以提高跟踪定位结果精度。最后,利用东海实验数据对本方法进行了验证。      

浅海起伏海面下气泡层对声传播的影响

分析了起伏海面下风浪引起的气泡层对海面反射损失和对声传播的影响.一方面,气泡层会改变原来水中的声速剖面;另一方面,气泡层会对声波产生散射和吸收作用.考虑以上两方面的因素,分析了不同风速下气泡层对海面反射损失和声传播损失的影响,仿真发现,在风速大于10 m/s时,对于2 k Hz以上频率时气泡层对小掠射角下海面反射损失的影响不可忽视.在给定的水声环境中,当声源深度和接收深度都为7 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到8.1 d B.当声源深度和接收深度都为18 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到4 d B.     

深海上层声速剖面水平非均匀分布对声场会聚区特性预报的影响

针对深海上层声速剖面水平方向弱变化对声场会聚区特征的影响,通过对0°出射声线传播轨迹的分析,提出了只考虑声源及会聚区位置附近声速剖面水平变化实现深海声场会聚区特征准确预报的方法,该方法有助于降低深海声传播调查时声速剖面水平非均匀分布的测量工作量。通过模拟小振幅内波引起深海上层声速剖面水平非均匀变化,对该方法进行了仿真验证。南海声传播试验数据分析表明,当不考虑上层声速剖面的水平非均匀分布时,模型预报的声场会聚区位置及会聚区能量分布与实测结果有一定差异,该差异具有距离累积效应,到第二会聚区时位置累计误差可达3 km,当考虑会聚区宽度内声速剖面水平变化时,模型预报的声场会聚区位置与实测结果非常吻合,第二会聚区位置预报误差小于1 km。     

水平分层低马赫数运动介质中的声传播

针对海流对水声传播的影响,基于高斯波束追踪方法,利用高频近似的低马赫数亥姆霍兹方程,建立了三维低马赫数运动介质下的声传播模型,并将该模型应用于浅海与深海水平分层介质下的声传播问题。仿真结果表明,海流能定性定量地改变声传播模式。浅海环境下,声速梯度大于流速梯度,导致顺逆流声线反转点的差别随着距离增加而增大;此外声线到达结构也会发生较大改变。深海环境下,流速梯度大于声速梯度,顺流方向表面声道消失,使得表层顺逆流传播损失相差10 dB以上,同时水平分层环境中也会产生三维声传播效应。因此在流速梯度与声速梯度相当甚至更大时,海流对声传播的影响不能被忽略。     

时域开槽天线阵列的接收特性

 利用自建的时域测量系统对接收阵元数不同、相邻阵元间距不同、阵元数相同接收方向不同的开槽天线阵列接收电场进行了测试。时域天线的时域波形、归一化能量方向图、归一化峰值方向图的分析结果表明：时域天线方向性具有时变性，与观察方向和时间段有关，接收波形峰值随主接收方向偏离主轴程度的增大而减小；阵列某一面的方向图仅与该面的阵元数及相邻阵元间距有关，与其它面的阵列无关；阵列单元越多，相邻单元间距越大，方向图波束越窄。     

相关信道下无线光多输入多输出系统的平均容量

大气信道中,信道衰落以及天线间距的限制导致无线光多输入多输出(MIMO)系统的各光束间存在一定的相关性,这种相关性严重影响无线光通信系统的性能.基于脉冲位置调制(PPM)建立了相关信道下无线光MIMO系统的信道模型,并采用Wilkinson方法推导出对数正态衰落时无线光MIMO系统的平均信道容量.模拟结果表明:空间相关性的存在降低了系统的平均信道容量,而且随着总能量的增大,相关性带来的容量损失也增大.在完全相关信道中,发送端相关对信道容量产生的影响比接收端相关的影响更为严重.     

阵形畸变条件下双线阵左右舷分辨性能分析

研究了双线阵在两种阵形畸变(轴向滑移和航向偏差)条件下的左右舷分辨性能,根据双线阵指向性函数的背瓣特性分析了阵形畸变对左右舷分辨性能的影响。理论分析表明,在无阵形畸变的理想阵形情况下,窄带信号的左右舷分辨能力取决于阵间距和信噪比,而对宽带信号,左右舷分辨能力不仅与阵间距和信噪比有关,而且还与接收信号的功率谱密度、处理频段有关。在阵形发生轴向滑移和航向不一致的情况下,在正横方向附近,左右舷分辨性能主要受双线阵的航向差影响,偏离正横方向,较大的轴向滑移会导致左右舷误判。     

浅海中沉积层参数对多途到达时差反演声速剖面的影响

本文以简正波模型和声线模型为基础，通过计算机仿真，研究了浅海多途到达时延差结构与沉积层密度、声速、传播损失系数等参数的关系，针对100m左右浅海和600-1300Hz的信号频率，对两种模型仿真结果进行了比较，结果表明，声线模型仿真得到的多途到达时延差结构与简正波模型仿真的结果基本一致，沉积层参数失配对基于声线模型的多途到达时差反演SSP的影响为：反演声速剖面的均方根误差的变化小于1.45m/s，平均误差的变化小于2.60m/s，在所使用的频段内，浅海沉积层参数对多途到达时差反演浅海声速剖面的影响不大，工程应用中可以忽略不计。     

自适应功率分配可见光MIMO信道容量研究

可见光通信（VLC）系统通常采用多阵列光源布局方式来兼顾照明与通信双重功能，因此需要使用多输入多输出（MIMO）技术进行多天线协同传输来实现高速率通信。然而传统MIMO系统中采用平均功率分配来实现空间复用，无法充分体现MIMO多天线协调传输的优势。根据每组收发天线信道状态的差异，设计了一种低计算复杂度的快速迭代注水算法，可实现依据信道特征自适应的分配信息，从而提高系统的信道容量。仿真结果表明:在相同信噪比情况下注水算法自适应功率分配系统比等功率分配系统的信道容量提高了1.25 bit/Hz左右。     

Single- and multi-channel underwater acoustic communication channel capacity: a computational study

Acoustic communication channel capacity determines the maximum data rate that can be supported by an acoustic channel for a given source power and source/receiver configuration. In this paper, broadband acoustic propagation modeling is applied to estimate the channel capacity for a time-invariant shallow-water waveguide for a single source-receiver pair and for vertical source and receiver arrays. Without bandwidth constraints, estimated single-input, single-output (SISO) capacities approach 10 megabitss at 1 km range, but beyond 2 km range they decay at a rate consistent with previous estimates by Peloquin and Leinhos (unpublished, 1997), which were based on a sonar equation calculation. Channel capacities subject to source bandwidth constraints are approximately 30-90% lower than for the unconstrained case, and exhibit a significant wind speed dependence. Channel capacity is investigated for single-input, multi-output (SIMO) and multi-input, multi-output (MIMO) systems, both for finite arrays and in the limit of a dense array spanning the entire water column. The limiting values of the SIMO and MIMO channel capacities for the modeled environment are found to be about four times higher and up to 200-400 times higher, respectively, than for the SISO case. Implications for underwater acoustic communication systems are discussed.     

陆架斜坡海域上坡波导环境中声能量急剧下降现象及其定量分析

深度较浅的声源其辐射声波在陆架斜坡海域上坡传播时,在斜坡顶端会出现声能量急剧下降现象.利用射线声学模型分析了造成这一现象的原因,并根据抛物方程声场模型计算的深海和浅海平均传播损失定义了"声能量急剧下降距离",定量分析了声源位置对该现象的影响.结果表明:声源深度对"声能量急剧下降距离"影响较大,而声源与斜坡底端水平距离对其影响较小;当声源深度变大时,部分掠射角较小的声线最终能够达到斜坡顶端,致使"声能量急剧下降距离"增大,继续增加声源深度,将导致上坡声能量急剧下降现象消失.利用抛物方程声场模型对陆架斜坡海域上坡声传播进行数值仿真,结合"声能量急剧下降距离"的定义,计算并比较了声源位置不同时该距离的变化,数值计算结果验证了理论分析.     

参量阵差分Pattern时延差编码冰下水声通信方法（英文）

In order to meet the demands of underwater acoustic communication in under ice environment,a differential Pattern time delay shift coding underwater acoustic communication method based on parametric array is introduced in this paper.The under ice underwater acoustic channel is characterized by heavy multipath transmission.Under this model,a parametric array emission method of Pattern signal is derived and the system performance is analyzed.A broadband low frequency sound waves with narrow beam-pattern,which will reduce the interface reflections and suppress the effects of multipath transmission,can be obtained by the emission method.The Songhua River under ice trial results show that there is an anti-multipath property and a higher data rate in the under-ice acoustic channel in proposed approach.     

Time reversal multiple-input/multiple-output acoustic communication enhanced by parallel interference cancellation

Multiple-input/multiple-output (MIMO) techniques can lead to significant improvements of underwater acoustic communication capabilities. In this paper, receivers based on time reversal processing are developed for high frequency underwater MIMO channels. Time reversal followed by a single channel decision feedback equalizer, aided by frequent channel updates, is used to compensate for the time-varying inter-symbol interference. A parallel interference cancellation method is incorporated to suppress the co-channel interference in the MIMO system. The receiver performance is demonstrated by a 2008 shallow water experiment in Kauai, Hawaii. In the experiment, high frequency MIMO signals centered at 16 kHz were transmitted every hour during a 35 h period from an 8-element source array to a wide aperture 16-element vertical receiving array at 4 km range. The interference cancellation method is shown to generate significant performance enhancement, on average 2-4 dB in the output signal-to-noise ratio per data stream, throughout the 35 h MIMO transmissions. Further, communication performance and achieved data rates exhibit significant changes over the 35 h period as a result of stratification of the water column.     

海洋声学环境下水中声源的时延估计法定位精度分析

水中声源的定位精度受到海洋声学环境的重要影响。结合海上试验的实际应用,分析了水下观测平台采用时延估计法对声源的定位精度问题。根据理论分析,计算了时延估计误差、海洋中声速不均匀、平台非稳性、及声传播起伏等因素引起的俯仰角和方位角误差。利用误差传递公式,获得了上述因素引起的不同平台深度下,不同距离声源的定位误差。比较了采用平面阵与立体阵、是否补偿声线弯曲效应等条件下定位误差的变化,并通过海上试验结果进行了部分验证。研究结果表明,海洋声速不均匀对定位误差的贡献最大。采用立体阵代替平面阵、测量海洋声速剖面并补偿声线弯曲引起的定位误差,在1000m距离上可使定位相对误差从最大30%降低到约10%,有效提高了较远距离上的定位精度。研究结果对于采取措施提高水中声源的定位精度有指导意义。      

Examination of time-reversal acoustics in shallow water and applications to noncoherent underwater communications

The shallow water acoustic communication channel is characterized by strong signal degradation caused by multipath propagation and high spatial and temporal variability of the channel conditions. At the receiver, multipath propagation causes intersymbol interference and is considered the most important of the channel distortions. This paper examines the application of time-reversal acoustic (TRA) arrays, i.e., phase-conjugated arrays (PCAs), that generate a spatio-temporal focus of acoustic energy at the receiver location, eliminating distortions introduced by channel propagation. This technique is self-adaptive and automatically compensates for environmental effects and array imperfections without the need to explicitly characterize the environment. An attempt is made to characterize the influences of a PCA design on its focusing properties with particular attention given to applications in noncoherent underwater acoustic communication systems. Due to the PCA spatial diversity focusing properties, PC arrays may have an important role in an acoustic local area network. Each array is able to simultaneously transmit different messages that will focus only at the destination receiver node.     

参量阵差分Pattern时延差编码冰下水声通信方法

为提高差分Pattern时延差编码水声通信方法的通信速率以及抗多途能力,使其能有效适用于冰下水声环境,提出了基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法,推导了Pattern码的参量发射原理,分析了参量阵发射对该方法性能的影响,利用参量阵发射产生低频宽带窄指向性声柬,减少了声线触碰上下边界的次数,提高了系统抗多途的能力。冰下水域外场试验结果表明:本方法可有效抑制多途效应,同时低频宽带特性提高了系统通信速率。      

一种基于模态域波束形成的水平阵被动目标深度估计

水面水下目标分辨与识别一直是被动声呐探测领域的难题.利用一种水平阵模态域波束形成算法获得己知方位目标声源的各阶模态强度,将其与不同深度的各阶参考模态强度进行匹配,最终实现了对声源的深度估计.仿真结果表明,该算法可以在信噪比为-10 dB的情况下,用300Hz带宽的信号样本,实现对声源深度的有效估计.系统分析了不同参数和不同波导条件对该方法目标深度估计性能的影响.其中,阵元数越多,模态样本数越多,计算频段越宽,方位估计精度越高,有效阵长越长,深度估计的性能越好.阵元间距和波导深度的变化不会影响该方法的深度估计性能,并且该方法的深度估计性能在声速剖面、海底参数等波导条件存在扰动时具有鲁棒性.     

印度洋中北部声速剖面结构的时空变化及其物理机理研究

海洋的声速结构对水下声传播有重要影响,在印度洋中北部复杂多变的海洋物理和水文环境中, 获取声速剖面的时空统计分布规律对水下目标探测和水下声通信有重要意义. 由于垂直梯度法在声速结构分析中的局限性及其在印度洋中北部海域的适用性问题, 采用多元统计分析中的最优分割法对声速跃层进行分析,并应用最近10年的地转海洋学实时观测阵 数据对印度洋中北部海域声速剖面的特征量进行了计算,获得了声速跃层的垂直结构特征和时空变化规律; 还利用经验正交函数(EOF)表示方法,分析了印度洋中北部声速剖面拟合精度随EOF阶次的分布特点. 根据印度洋的海洋物理特征,揭示了声速剖面特征量时空演变的内在物理机理.研究结果表明: 最优分割法是适合印度洋声速结构的跃层判断方法,并提出了相应的判断准则参数; 声速剖面拟合精度随EOF阶次变化的区域性分布特征较明显,其季节性变化较小; 印度洋中北部的深海声道轴只在5°S以南明显存在,在15°S---25°S 附近海域存在三个跃层;印度洋中北部声速剖面结构可分为单跃层、双跃层Ⅰ型、 双跃层Ⅱ型和三跃层四种类型以及春夏秋冬四个季节模态. 声速剖面的分析结果对于水声传播和声纳系统的使用具有一定参考意义.     

可模式识别的水声成像方法

提出一种在自由环境中可以进行模式识别的水声成像方法。利用角域滤波将空间不同入射方向的平面波在阵元域中进行分离,在成像扇面内按要求设计一系列角域带通滤波器,这些滤波器的输出就是从角通带内入射的平面波在阵元域中的快拍数据,可以实现要求输入为阵元域特性数据的目标识别和底质分类等专用的模式识别算法,角域滤波器输出的平面波快拍数据的幅度作为像素值进行水声成像。采用角域滤波的方法可以进行水声成像得到所需要的声图,并且每个像素对应着相应点目标远场平面波入射到接收阵时所产生的快拍数据。仿真和实验数据处理结果表明,采用角域滤波和利用常规波束形成所得到的声图是一样的,并且两种成像方法具有相同的稳健性。