[发明专利]水声多普勒估计方法及装置、水声通信方法及系统

说明书

本发明涉及水声领域，特别涉及基于双曲调频信号的水声多普勒估计方法及装置、通信方法及系统。本发明在发射端发两段双曲调频信号，在接收端用第一段双曲调频信号的匹配滤波输出与第二段双曲调频信号的匹配滤波输出进行重相关，从而得到第一段双曲调频信号的匹配滤波输出和第二段双曲调频信号的整体相对时移，进而估计出多普勒因子。该方法在保持传统的基于双曲调频信号的多普勒估计方法的优点的基础上，降低了其在实际的时变多径水声信道中的估计误差，提高了估计的稳健性。该方法可用于多种需要进行多普勒估计的水声系统，具有广泛应用前景。

技术领域

本发明涉及水声领域，特别涉及基于双曲调频信号的水声多普勒估计方法及装置、通信方法及系统。

背景技术

水声通信是目前唯一能够在水下进行长距离通信的技术。水中的声速约为1500m/s，远低于无线通信中电磁波3×10⁸m/s的传播速度，故水声通信中的多普勒效应远比无线通信严重。多普勒效应将使接收信号失真，进而影响接收端后续的同步、解调、解码等处理，增大系统误码率，降低系统可靠度。故在水声通信中，对多普勒的估计与补偿是一个必不可少的重要环节。

水声通信系统中现有的多普勒估计方法有如下几种。模糊度图法(拷贝相关法)在接收端采用一组施加了不同多普勒因子的同步信号与接收到的同步信号分别作相关，取输出相关峰最高的通道对应的多普勒因子作为多普勒估计。此方法的估计精度取决于多普勒因子步进值，在对估计精度要求高的应用中，在接收端需要进行大量相关运算，且需要事先存储大量不同多普勒的同步信号副本，计算量大且占用存储空间。块多普勒估计法在一个发送数据帧的前后插入对多普勒不敏感的同步信号(如线性调频信号)，在接收端将接收数据与已知同步信号进行相关，根据帧前后两个相关峰的间距估计出接收端帧长，并与发射端帧长进行对比，最终获得多普勒估计。此方法计算量小，易于实现，但在大多普勒情况下，信号相关峰会降低，此时该方法将不适用于低信噪比环境，且在时变多径环境下，相关器输出会有多个相关峰，且各峰具有随机的幅度大小，当选取的前后两个相关峰不对应同一路径，会给多普勒估计带来较大误差。延迟互相关法采用与块多普勒估计法同样的帧结构，但直接提取接收端的前一个同步信号与整段接收信号做相关，再根据相关器输出的两个相关峰距离估计帧长，这种方法提高了信号间相关性，在时变多径水声信道中也能取得较好性能。但是这种基于帧长变化的多普勒估计方法需要存储一整帧数据，无法实现实时估计，且多普勒估计精度与帧长有关，帧长越长估计精度越高，而帧长若大于信道相关时间，又会降低前后两个接收同步信号间的相关性，降低算法性能，且这类方法估计的是一帧时间内的目标平均多普勒，当目标在帧长时间内多普勒变化较大时，估计值将产生较大偏差。

与上述方法相比，基于双曲调频(hyperbolic frequency modulation，HFM)信号的多普勒估计方法具有无需存储大段数据，可实现实时多普勒估计；对信道时变速度的要求低，只需假设信道在同步信号的时间范围内保持不变；计算复杂度低，易于实现；估计瞬时多普勒，精度高等优点，从而被广泛应用于水声通信系统中。

双曲调频信号可表示为

其中

其中f_l和f_h分别是双曲调频信号的扫频起始频率和扫频终止频率，T是信号持续时间。当f_l＜f_h时称为升调频双曲调频信号，简称升双曲调频信号，当f_l＞f_h时称为降调频双曲调频信号，简称降双曲调频信号。

双曲调频信号的瞬时频率可表示为信号相位对时间的导数除以2π，即

这是一个双曲函数，这也是双曲调频信号名称的由来。

对宽带信号s(t)的多普勒效应的建模可表示为

r(t)＝s[(1+α)t] (2.4)