[发明专利]一种基于矢量水听器阵列的UUV移动水声通信技术

说明书

本发明公开了一种基于矢量水听器阵列的UUV移动水声通信技术，属于水下移动通信技术领域。(1)提出矢量多通道判决反馈均衡器，该均衡器主要包含两大部分：i、矢量信号处理部分通过矢量组合抑制非期望方向的干扰，提高输入信号的信噪比；ii、多通道判决反馈均衡部分通过前向滤波器和反馈滤波器系数的调整抑制水声信道多途扩展产生的码间干扰。(2)在此基础上，针对UUV移动通信过程中产生的复杂多普勒效应，提出基于分数阶傅里叶变换的水声信道时延‑多普勒函数估计方法，通过锁相环和重采样技术抑制多普勒产生的信号畸变。分数阶傅里叶变换能够实现准确的多普勒估计，采用矢量多通道判决反馈均衡器取得了稳健的通信性能，显著降低了误码率。

技术领域

本发明属于水下移动通信技术领域，具体涉及一种基于矢量水听器阵列的UUV移动水声通信技术。

背景技术

尽管卫星遥感可以获取大量的海洋观测数据，但其无法深入到海面以下。为了感知海洋内部的时空变化，无人潜航器(Unmanned underwater vehicle,UUV)等多种海洋观测技术得到了快速发展。UUV可以搭载多种传感器获取水下环境数据，并通过水声通信技术将数据回传到水面母船。然而水声信道被认为是最为困难的无线通信信道，为了克服水声信道的严重多途扩展和快速衰落，通常需要采用大尺度的接收阵列来取得满意的通信性能，这对于UUV等小型平台来说几乎是不可实现的。另一方面，UUV移动通信过程中会产生多普勒效应，使得接收信号畸变，因此需要对多普勒进行估计和补偿。为此，本文探索利用小尺度的矢量水听器阵列实现UUV稳健水声通信的方法，并联合分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform,FRFT)实现多普勒的估计和补偿。

矢量水听器能同时测量声场中的声压标量和三个正交方向的质点振速矢量，提供了更多的信号处理手段。20世纪90年代后期开始逐步成为水声界研究的热点，基于单矢量水听器的指向性设计、声强检测、多目标分辨，以及基于矢量阵的空间高分辨率技术的研究成果，为水声信号处理能力的提高提供了新的思路。近年来，矢量水听器也逐渐被应用于水声通信领域。Ali Abdi对矢量水声信道以及矢量水声通信进行了深入的研究，海试结果显示单矢量水听器即可取得与4元声压水听器阵列相近的效果。Aijun Song对基于矢量水听器阵列的水声通信技术开展了研究，不同通信距离试验数据处理结果均显示了矢量水听器相较于传统声压水听器的优势。殷敬伟开展了矢量水听器在水声扩频、OFDM、单载波等体制中的理论与应用研究，创新提出了单矢量有源平均声强器及其空分多址技术。

FRFT最早由V.Namias提出用于解决量子力学中产生的局部微分方程。1992年，Ozaktas利用Wigner分布形式重新给出了分数阶傅里叶变换的定义，并从新的定义上解释了时频平面的旋转算子并给出了离散表达形式。经过几十年的发展，FRFT技术目前在水声领域也得到了广泛的应用。例如，T.C.Yang利用FRFT在严重的混响背景下估计目标回波的时延和多普勒，并与宽带模糊度函数方法进行了对比分析。余华研究了基于分数阶傅里叶变换的时延-多普勒双扩信道的参数估计方法，但该方法需要配合匹配滤波器完成水声信道多径间时延的测量。陈艳丽提出了一种简明分数阶傅里叶变换方法，形式简单，离散计算方便实现，能显著提高信号检测和参数估计的实时处理速度。

本发明针对UUV移动水声通信问题，探索利用小尺度矢量水听器阵列实现稳健的水声通信性能，提出矢量多通道判决反馈均衡方法，利用矢量信号的线性组合和矢量阵元的空间分集最大化信号处理增益，并采用FRFT技术实现水声信道时延-多普勒函数的估计，时延估计结果用于确定信道抽头个数，多普勒估计结果用于确定信号重采样因子，抑制UUV平台运动产生的多普勒。

发明内容

本发明的目的在于提供对设备要求相对简单，较常规方法更易实现，且抗噪效果好，实现UUV之间移动条件下稳健水声通信的一种基于矢量水听器阵列的UUV移动水声通信技术。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

在发射端：