起伏海面环境下水声信道特性及估计方法*

为了研究随机起伏海面的散射对水声信道特性的影响,以及不同信道估计算法在该信道条件下的性能问题,该文从利用Monte Carlo方法模拟的基于PM海浪谱的二维随机起伏海面出发,提取了与风向不同夹角的一维随机起伏海面,并利用Kirchhoff近似法计算了其散射强度。将得到的声散射特性和海面环境信息融入到信道模型中,建立了基于PM海浪谱的随机信道模型。通过仿真分析了不同风速、传播距离条件下,声波的传播损失和信道冲激响应变化,并利用l_0-最小均方误差法、匹配追踪算法和正交匹配追踪算法进行了信道估计。给出了不同环境条件下,三种算法估计性能的综合比较结果,验证了算法针对该信道模型的有效性。     

修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算高斯起伏冰面三维声散射

针对随机起伏冰面的声散射计算问题,利用修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算了高斯起伏冰面的三维声散射。在计算模型中引入了冰面局部统计平均反射系数的概念,将二维高斯起伏冰面的散射分为相干散射和非相干散射,分别得到两类散射成分的散射系数公式,计算了高斯起伏冰面三维声散射的散射强度。分析了散射强度与随机起伏冰面的均方根高度、声波入射角度及频率的关系。通过实验室水池中高斯起伏冰面的散射强度测量实验,对理论模型的计算结果进行了验证。将实验结果分别与采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果和文献中采用平整冰面镜反射系数的模型计算结果进行了对比,采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果与实验测量值吻合较好。      

基于单矢量差分能量检测器的扩频水声通信

通过获得扩频处理增益, 直接序列扩频水声通信系统具有较高的稳定性, 是高质量水声通信及远程水声通信的首选通信方式. 但复杂的海洋环境使得直扩系统在解扩时受到载波相位跳变的影响, 这将导致直扩系统的扩频处理增益下降. 为此, 本文针对直扩系统提出了差分能量检测器算法, 通过比较接收端相关器输出能量完成解码, 并与有源平均声强器算法相结合, 提出单矢量差分能量检测器算法. 该算法具有很好的抗载波相位跳变和多途扩展干扰的能力, 并可对信号方位信息实时跟踪估计, 利用估计方位进行矢量组合可获得矢量处理增益, 从而保证直扩系统可以在低信噪比、时变信道条件下稳定工作. 通过仿真分析和大连海试试验, 验证了本文提出的单矢量差分能量检测器算法的有效性和稳健性.     

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.     

分数阶反卷积的高分辨力目标亮点提取

提出了一种采用分数阶反卷积的目标亮点提取方法对目标亮点进行高分辨力提取。该方法依据分数阶域卷积公式,引入反卷积理论去除窗函数的影响,实现了时频域去模糊,提升了时频分辨力。仿真和实验数据表明,基于反卷积的短时分数阶傅里叶变换对线性调频信号的频域分辨力高于分数阶傅里叶变换,可提高时频域上检测线性调频信号的性能。从而实现时频域上目标亮点的高分辨力提取,提升目标亮点间时延差的估计精度。与传统方法相比基于分数阶反卷积的目标亮点提取方法具有更高的分辨力,且对混响有一定的抑制作用。     

点对点移动水声通信技术研究

点对点移动水声通信是实现由活动和静止节点共同构成的水声数据通信网的关键技术之一. 对移动水声通信声信道特性进行了分析,指出不同途径到达的声线对应的多普勒频偏不一致,进一步加大了多途扩展产生的码间干扰的复杂性,不利于水声通信. 提出单阵元被动式相位共轭镜信道均衡技术,可实时自动补偿多普勒频偏,并聚焦多途信号. 将单阵元被动式相位共轭应用于Pattern时延差编码移动水声通信系统,进行了移动水声通信试验,湖试结果验证了其消除码间干扰性能及本文水声通信系统的鲁棒性. 关键词： 移动水声通信 被动式相位共轭镜 时变信道 码间干扰     

多元阵时间反转镜被动定位技术研究

摘要单水听器和二元阵时间反转镜处理都可以有效实现目标检测和定位，但多元阵时反镜处理的定位精度和水平定位距离远优于单水听器或二元阵定位处理。本文先简述了时间反转镜定位技术的发展和近况，又详细介绍了多元阵时间反转镜定位技术的基本原理，并借鉴乘积阵处理理论利用射线传播模型给出了多元被动时间反转镜定位的算法和公式。仿真和试验数据处理证明，多元阵时反镜处理效果明显优于二元阵时间反转镜处理，即利用阵增益后时反镜性能改善明显。对四元阵海试数据时间反转镜分析处理结果表明：该方法能实现目标被动定位，且对10公里处静止目标其水平定位误差仅为15％。但该方法运算量太大，很难实现实时运算，因此，其工程应用还有许多问题待解决。     

基于时空滤波理论的低频声场干涉结构研究

基于时空滤波理论, 采用相干函数、功率响应函数、扩展分布函数、双频函数四个系统函数较波导不变量更全面地描述了低频声场的相干结构. 理论分析、仿真研究和海试数据处理都验证了低频声场存在稳定的干涉结构, 当目标由远及近、又由近及远做匀速直线运动时, 相干函数(LOFAR图)的干涉结构为一簇类双曲线; 功率响应函数的干涉图表征了简正波群时延的差分, 体现了其频散特性; 扩展分布函数能反映LOFAR图上干涉条纹的斜率大小; 而双频函数能体现相慢度的差分. 各个系统函数均能特别突出干涉结构的某方面的特征, 各有特色.     

基于单矢量有源平均声强器的码分多址水声通信

基于单矢量传感器对码分多址水声通信进行了研究. 利用单个矢量传感器自身指向性进行方位估计最为常用的方法是平均声强器和复声强器, 但这些方法对于同频带的多用户来说, 理论极限仅能测量两个用户. 提出了有源平均声强器, 利用扩频通信中伪随机码优良的自相关和互相关特性, 可同时测得多个用户的方位, 利用估计的用户方位构建矢量组合, 调整矢量传感器的指向性, 实现各用户定向通信, 抑制多址干扰, 增加处理增益, 降低误码率. 对频带相同的扩频多用户通信进行了仿真及试验研究, 验证了有源平均声强器的有效性和实用性.     

双基地冰-水界面混响强度的理论预报

针对北极冰层冰水界面具有小尺度粗糙界面的情况,给出由冰层造成的混响平均强度的理论预报公式。首先将北极冰层等效为具有粗糙界面的弹性介质,并且采用小粗糙度微扰理论在精细拟合粗糙度谱的基础上,建立粗糙冰层的三维散射强度模型,然后建立三维双基地声呐几何模型确定有效散射区域,最后给出双基地冰下混响平均强度的估算公式,并在所拟合的粗糙度谱的情况下,利用该预报公式计算双基地声呐配置参数和海冰物理及声学特性对冰下混响强度的影响算例。数值仿真表明该公式能够估算出北极冰下双基地声呐产生的混响平均强度,并且分析出了时延、基线长度等声呐配置参数和冰层声速比、密度比等海冰物理参数会对混响强度造成的影响。声呐的配置参数主要影响散射的有效面积,海冰的物理参数则影响着冰层的散射强度。其中,冰层声速比不仅影响混响强度的大小,还会影响混响强度随时间的衰减速度。