时变信道下的被动时间反转扩频水声通信

本文研究了时变信道条件下采用被动时间反转的直接序列扩频水声通信方案。多通道被动时间反转可通过对信道多径进行时间、空间聚焦实现信道匹配,但低信噪比、时变特性造成的信道特性失配对被动时间反转处理的性能造成严重影响。在垂直阵接收的基础上,本文采用码片级信道估计获取水声信道特性并进行周期性更新,并采用已判决码元产生的扩频码片作为信道估计训练序列,结合应用稀疏信道估计算法抑制零值抽头上的估计噪声,从而可有效改善时变、低信噪比条件下的被动时间反转处理的时、空多径聚焦效果,提高扩频通信性能。通过湖试实验比较了采用稀疏信道估计、传统信道估计算法的时反扩频接收机,以及经典直扩接收机的通信性能,实验结果表明：本文方案可在低信噪比获得较好的性能,并有效抑制时变信道对时反扩频通信性能的影响。     

南中国海“G-Argo”声学浮标目标探测能力分析*

“G-Argo” 水下声学浮标作为一种新型的无动力无人移动观测平台,具备对海上目标广域、长时、隐蔽探测功能,是“透明海洋”工程立体观测系统的重要组成部分。本文通过在现有海洋环境观测浮标平台基础上,进行声学系统电磁兼容性优化设计,减小浮标平台对声学系统的电磁干扰,研制出具有目标探测能力的“G-Argo”水下声学浮标平台。并于2018年5月,在南海海区组织了多台水下声学浮标探测性能验证试验,试验结果表明,深海良好水文条件下,“G-Argo”水下声学浮标对航速10kn的配合试验船目标最远探测距离大于11km,对航速6.4kn的工程船目标最远探测距离大于42.8km,对航速12kn的集装箱船目标最远探测距离大于15.8km,对航速14.5kn的集装箱船目标最远探测距离大于24km。     

时间反转法在水下通信中的应用

将时间反转法应用于水下扩频编码通信,在分析水下波导中时间反转自适应聚焦特性的基础上,研究了时间反转法克服多径效应对编码信号造成的波形畸变,采用BPSK(Binary Phase Shift Keying)编码方式,选取7位巴克码(Barker code) 作为扩频编码信号的码型,在实验水槽内进行了时间反转法用于水下通信的实验研究并进行了相应的理论分析。理论和实验证明了时间反转法能获得聚焦增益并提高编码信号相关解码时的主副瓣比,因此时间反转法应用于水下编码通信时,可望降低误码率和提高水下通信距离。     

水下平台对卫星上行激光通信研究

在合理选择通信系统参量和通信信道参量的基础上,利用Monte Carlo方法模拟了卫星接收到的水下平台上行激光通信信号.分析了卫星接收信号的空间和时间分布特性,以及与望远镜接收视场角的关系,并计算了接收信号的信噪比,得出了3°望远镜视场角和15 μs信号积分时间的优化参量.基于计算结果,根据激光脉冲的PPM调制方式和最大似然检测方法,计算了系统的通信误码率,同时分析了海气界面、云等传输介质对通信的影响.研究结果表明:根据文中给定通信系统参量,在典型海水、海气界面、云等环境条件下,卫星与激光信号中心水平距离5 km范围内信号误码率<10－4.因此位于水下60 m的水下平台可能实现对卫星上行激光通信.     

水下平台对卫星上行激光通信研究

在合理选择通信系统参量和通信信道参量的基础上,利用MonteCarlo方法模拟了卫星接收到的水下平台上行激光通信信号.分析了卫星接收信号的空间和时间分布特性,以及与望远镜接收视场角的关系,并计算了接收信号的信噪比,得出了3°望远镜视场角和15μs信号积分时间的优化参量.基于计算结果,根据激光脉冲的PPM调制方式和最大似然检测方法,计算了系统的通信误码率,同时分析了海气界面、云等传输介质对通信的影响.研究结果表明:根据文中给定通信系统参量,在典型海水、海气界面、云等环境条件下,卫星与激光信号中心水平距离5km范围内信号误码率10-4.因此位于水下60m的水下平台可能实现对卫星上行激光通信.     

基于高阶统计的水声信道盲辨识

本文给出了基于ARMA模型的水下通信系统模型,将一种基于三阶统计的算法应用到水声信道盲辨识领域,在不需要训练序列的条件下估计得到信道传输函数。与基于二阶统计特性方法相比,该算法具有较强的抗噪性,更适合信噪比低于12dB条件下水声信道的辨识。通过对水声信道盲辨识的计算机仿真,验证了该算法具有较高的辨识精度。     

水下声学浮标南中国海海洋环境噪声实测分析*

海洋环境噪声是多种自然噪声和人为噪声的复杂组合,其谱级大小和频率组成是影响声纳系统探测性能的重要参数,由于海洋环境噪声时空域特性是非常复杂的,因此需要对海洋环境噪声进行长时间和大范围的观测才足以分析其特性。本文通过在多剖面水下浮标平台基础上集成声学测量系统,研制出了一种具有海洋环境噪声监测能力的水下声学浮标平台,该浮标平台可多次上浮、下潜,具备原位坐底和定深漂流两种工作模式,能够连续观测海洋环境噪声时长多达几个月。利用2019年8月在南海海区组织的多台水下声学浮标组网试验数据,分析了不同频率海洋环境噪声谱级随时间变化特性,数据处理结果符合海洋环境噪声典型变化规律,试验表明,水下声学浮标可作为一种潜在的优势水下无人移动平台,用于长期监测海洋环境噪声特性。     

无线/水声通信浮标技术研究及其实现

本文研究并设计实现了一种用于浅海水声信道多速率通信的无线/水声通信(racom)浮标,介绍了其水声通信和无线通信技术方案和工程设计与实现。本文设计的浮标综合了水声通信、DSP信号处理和无线电通信等技术,也可以用作水声通信/传感网络中的无线/水声通信(racom)网关节点。海上试验验证了本浮标总体设计方案的可行性。海上试验中,浮标无线通信距离达到15.2 km,误码率不大于10 6;除2 kbps速率外,浮标各种速率的水声通信数据传输误码率都小于1%,最大通信作用距离达到9.6 km;同时,试验也验证了浮标与水下运动平台之间的通信功能。     

一种利用海豚叫声的仿生水声通信方法

针对水下通信隐蔽性的需求, 克服传统固定载波调制方式带来的声源暴露问题, 提出一种基于海豚叫声的仿生伪装水声通信方法, 使通信信号被当作海洋生物噪声排除, 达到隐蔽通信的效果. 研究了海豚叫声信号特点, 利用海豚哨声信号实现同步与识别, 采用差分脉冲位置调制方法, 信息调制在相邻海豚嘀嗒声信号的时间间隔, 采用压缩传感体制下的匹配追踪技术估计信道, 虚拟时反技术实现信道均衡. 湖试结果验证了该方法的有效性和可行性, 接收声信号与发射信号声音上具有很高的相似度, 可以达到伪装隐蔽的效果. 实验中水平距离2 km, 通信速率不小于29 bps时,误码率可以达到10^-4以下. 关键词： 水声通信 仿生 海豚 隐蔽     

基于自适应随机共振的水下蓝绿光微弱信号检测

海水的吸收和散射导致光信号严重衰减,使得水下无线光通信系统中低信噪比信号检测成为一大难题。基于此,提出一种自适应随机共振水下蓝绿光微弱信号检测方法。分析了水下弱光信号特点以及随机共振的产生条件,结合多策略融合的粒子群算法与随机共振动态调整系统参数,使系统达到最优匹配状态,进而提升弱光信号的检测性能。搭建了水下无线光通信实验系统进行实验,结果表明,在接收信噪比为-1.7 dB时,使用该方法得到的误码率低至2×10^-4,验证了该方法的可行性和有效性。     

基于时反镜能量检测法的循环移位扩频水声通信

海面的起伏和多普勒效应使得接收信号的载波相位发生跳变以及水声信道的多途扩展使得接收信号波形发生畸变,这严重影响循环移位扩频系统的性能.本文提出循环移位能量检测器算法,通过检测循环移位匹配滤波器的输出能量对系统进行解码,可有效解决载波相位跳变对循环移位扩频系统的影响;将时间反转镜技术与循环移位能量检测器相结合,进一步提出时反镜能量检测器算法,利用已检测到的符号对信道进行实时估计并进行时反处理,抑制了水声信道多途扩展的影响,保证了循环移位扩频系统可在低信噪比条件下工作.通过大连海上试验以及莲花湖湖上试验验证,在复杂水声信道多途扩展、载波相位跳变和低信噪比条件下实现了低误码水声通信.     

Experimental demonstration of underwater acoustic communication using bionic signals

This paper applies dolphin whistles to covert underwater acoustic (UWA) communication and proposes a UWA communication scheme based on M-ary bionic signal coding. At the transmitter end, the scheme maps multiple information bits into a dolphin whistle through a signal selector. At the receiver end, passive time reversal mirror (PTRM) is used for channel equalization and source information is restored according to the decision of which whistle is transmitted. The scheme has high spread spectrum gain. The anti multi-path performance is greatly improved when using PTRM. Different from traditional covert UWA communication methods, this mimicked signal is unlikely to alert an adversary even in high SNRs because of its real existence in marine environment. A tank experiment is conducted for the scheme, at communication rate of 50 bit/s with SNR −5 dB user information is recovered at a very low bit error rate. The results of tank experiment demonstrate the feasibility of this covert UWA communication scheme.     

循环移位扩频水声通信

针对常规直接序列扩频水声通信数据传输速率低及M元扩频水声通信接收机复杂度高的问题,基于扩频序列优良的相关特性,提出循环移位扩频水声通信方法.在发射端,根据输入信息对基本波形进行循环移位编码;在接收端,利用快速相关技术进行时延估计及译码.进行了中远程湖上实验研究,在15 km距离,2 kHz带宽内,总数据传输速率可达438 bit/s, 误码率为10^-2—10^-5.实验结果表明该方法具有带宽利用率高、复杂度低的特点,适用于中远程及多用户水声通信. 关键词： 水声通信 扩频 循环移位 时延估计     

水声通信实验信道仿真研究

水声信道的时变多途特性对其中通信信号传输构成严重影响，为了分析评估现实实验信道条件下水声通信系统的性能，给出了一种基于实验测量的水声信道仿真方法。此方法通过发射线性调频脉冲以检测信道多径结构，同时分别采用自回归模型与多普勒时间压扩来仿真信道中各路径的时变幅度与时变延迟。通过一个具体的直接序列扩频水声通信系统，表明在仿真与实验信道条件下系统性能具有较好的一致性。     

基于差分Pattern时延差编码和海豚whistles信号的仿生水声通信技术研究

为解决传统的隐蔽水声通信方法带来的通信性能降低问题, 提出了一种将差分 Pattern 时延差编码通信体制与海豚whistles信号相结合的仿生水声通信技术. 海豚whistles信号频带较窄且各信息码元间隔不等、码元之间互相关性较弱, 选取whistles信号作同步码和Pattern 码, 并以相邻whistles信号之间的时延差值携带信息. 这种仿生的水声通信信号不易被敌方探测、截获, 且差分Pattern时延差特殊的编码方式也不易使信息被破译, 因此该水声通信技术具有较强的隐蔽性和保密性, 且在抗码间干扰以及抗多普勒效应方面具有优异性能. 本文对系统进行了水池实验, 在信噪比为0 dB、存在相对运动时实现了通信速率为67 bit/s的低误码数据传输, 验证了系统的有效性、稳健性和隐蔽性. 关键词： 仿生水声通信 差分Pattern时延差编码 海豚whistles信号 隐蔽性     

一种线性调频扩频水声通信的新同步方法

针对高速运动过程中的水声通信,提出一种新型稳健的同步方法。该方法充分利用线性调频（LFM）信号的自相关特性及LFM扩频水声通信解调原理。湖试结果表明该方法简单有效,能够消除同步误差累积。利用湖试数据进行的仿真结果表明:该方法在常速及变速运动情况下均有效;在水下24m/s高速运动、时变多途干扰、带内接收信噪比低于0dB时,数据率可达为100bit/s,误码率保持在10^-4左右。     

Exploiting joint sparsity for underwater acoustic MIMO communications

MIMO communication has been recognized as a potential solution for high speed underwater acoustic communication, which unfortunately encounters significant difficulties posed by simultaneous presence of multipath and Co-channel interference (CoI). Sparsity contained in the multipath structure of underwater acoustic channels offers an effective way for improving channel estimation quality and thus enhancing the communication performance in the form of time reversal or channel estimation based equalization. However, for MIMO channels with extensive multipath and CoI, the performance gain achieved by classic sparsity exploitation channel estimation methods such as orthogonal matching pursuit (OMP) is still not enough to yield satisfactory performance. Under quasi-stationary assumption, underwater acoustic channels of adjacent data blocks exhibit correlated multipath structure, namely, multipath arrivals with similar time delay but different magnitude, which has not been exploited. In this paper, a joint sparse recovery approach is proposed to exploit the sparse correlation among adjacent data blocks to improve the performance of channel estimation. Under the framework of distributed compressed sensing (DCS), a joint sparse model which treats the multipath arrivals as sparse solutions with common time support is adopted to derive a joint sparse recovery algorithm for efficient channel estimation, the results of which are used to initialize and periodly update a channel estimation based time reversal receiver. Finally, underwater MIMO communication experimental results obtained in a shallow water channel are provided to demonstrate the effectiveness of the proposed method, compared to the same type of receiver that do not exploit the joint sparse.     

松花江冰下声学试验技术研究

北极区域极具战略意义与商业价值,随着各国的广泛关注,针对北极地区开展的科考科研活动逐渐增多。其中北极海域的相关研究尤为重要,特别是北极水声学,是保障北极军事存在以及正常科考科研活动的重要支撑。课题组于2015年1月在哈尔滨松花江进行了冰下声学试验,主要内容包括冰下信道测试、冰层散射系数测量以及冰下水声通信试验,实现了冰下半波导现象的初步观测、冰层前向散射系数的测量、基于能量检测器的低信噪比扩频通信、基于时反镜判决反馈均衡技术的高速水声通信以及冰下12用户多址水声通信等内容。本文对本次冰下声学试验情况进行介绍,并给出了相应的试验结果及经验总结。     

正交多载波M元循环移位键控扩频水声通信

针对水声扩频通信中频带利用率低的问题, 提出了一种M元扩频技术和循环移位键控(CSK)技术相结合的多载波调制方式, 将M元扩频后选择的扩频码同时采用CSK调制, 并调制在多个正交的载波上, 显著提高了频带利用率. 在水声多途信道下, 采用相同的通信速率和带宽, m序列、Kasami小集合序列和Gold序列为扩频码时, 比较了系统的误码性能. 仿真结果和实验结果均表明, m序列为扩频码时性能最优, Gold序列性能最差. 由于m序列数量有限, 为了进一步提高通信速率, 并使其他序列的性能接近m序列性能, 提出了一种复合序列抑制载波间干扰的算法, 该算法能够很好抑制多途干扰, 使复合序列性能接近m序列的性能. 关键词： M元扩频')" href="#">M元扩频 循环移位键控 正交多载波 载波间干扰