【摘要】：水聲信道具有復雜的時變和空變特性,海面的波動、水體溫度的變化、不同海區(qū)海底介質的差異等,都會對聲波傳播過程產(chǎn)生影響,導致接收信號產(chǎn)生多路徑時延擴展、載波相位起伏、多普勒擴展等問題。因此,對水聲信道狀態(tài)的合理評估和信道響應的準確估計具有很大的挑戰(zhàn)性。然而,水聲信道估計對水聲通信、水下目標探測、跟蹤、識別等均十分重要,尤其是在非合作的水下應用場景中,對水聲信道傳輸函數(shù)的盲估計已成為一項具有重大挑戰(zhàn)又亟待解決的課題。論文圍繞水聲通信中盲信道估計問題,利用海洋環(huán)境信息并結合聲傳播的物理特性開展研究,以實現(xiàn)未知源信號先驗信息條件下的信道解卷和信號解析。其中,由于海底的聲學參數(shù)很難通過直接測量的方式準確獲得,使基于聲傳播模型的應用效果存在較大的不確定性。本文采用聲學反演的方式通過遺傳算法獲得最優(yōu)的盲信道估計結果,并利用海試數(shù)據(jù)驗證了反演算法的有效性。針對低頻盲信道估計,論文提出的模基盲信道估計方法充分利用了聲傳播特性以及聲學環(huán)境信息,在未知信號先驗信息的條件下估計信道響應并恢復原始信號波形。首先,模基方法建立了聲傳播模型與信道估計之間的關聯(lián),利用海洋的環(huán)境參數(shù)作為先驗信息用于建立合適的聲傳播模型;其次,采用匹配場處理方法進行聲源定位以獲取盲信道估計的關鍵信息;最后基于簡正波模型計算信道傳輸函數(shù)。利用SWellEx-96實驗數(shù)據(jù)對該方法進行驗證,并同模濾波與合成時反相結合的盲信道估計方法、波束形成與合成時反相結合的盲信道估計方法進行性能對比,顯示了結合匹配場處理的信道估計方法應用于信道響應盲估計的可行性和有效性。對于高頻盲信道估計,由于隨著信號頻率的升高波長變短,接收陣陣元的間距變得稀疏,接收陣對聲線的到達角度的分辨能力下降。同時,高頻信號對傳播環(huán)境參數(shù)更為敏感,模型失配問題嚴重。因此,上述直接采用聲傳播模型與接收信號進行匹配處理的方法性能明顯下降。本文提出將差頻處理與空域濾波相結合的方法處理高頻接收信號,并結合合成時反方法進行盲信道估計。經(jīng)過仿真及KAM11實驗數(shù)據(jù)驗證,該方法在處理高頻信號盲信道估計時對失配具有寬容性。針對接收陣元個數(shù)較少的情形,作為對�；ば诺拦烙嫹椒ǖ难a充,論文設計了一種基于壓縮感知的盲估計方法以應用于稀疏多徑水聲信道估計。該方法利用多陣元接收系統(tǒng)中子信道之間的相關性建立目標函數(shù),基于稀疏貝葉斯學習算法重構得到稀疏水聲信道的沖激響應。論文通過建立非合作水聲通信系統(tǒng)模型,對該算法進行了仿真分析,結果表明在信噪比較高的條件下,該算法可以較為準確估計信道時延和幅度,進而通過信道均衡實現(xiàn)對通信信號的有效解調(diào)。調(diào)制識別技術是非合作水聲通信應用場景中另一項關鍵技術,在未知調(diào)制信息內(nèi)容以及調(diào)制參數(shù)的情況下,實現(xiàn)從接收信號中辨識信號所采用的調(diào)制樣式并估計出相應的調(diào)制參數(shù),為后續(xù)的信號分析與解調(diào)提供依據(jù)。論文在盲信道估計獲得信道沖激響應的基礎上,利用高階累積量特征的調(diào)制識別算法實現(xiàn)了水聲通信調(diào)制信號的識別與解析,并通過仿真進行驗證。此外,基于最大似然比的調(diào)制識別算法實現(xiàn)對水聲正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)多載波信號的識別與解析,重點研究實測OFDM水聲通信信號的參數(shù)估計、子載波調(diào)制方式識別等技術,并用KAM11海試實測信號驗證算法的可行性。
【圖文】：

通信系統(tǒng)可以做出優(yōu)化調(diào)整，比如自適應調(diào)制編碼（Ａｄａｐｔｉｖｅ邋Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋Ｃｏｄｉｎｇ，逡逑ＡＭ＆Ｃ）、通信速率、功率控制以及位置調(diào)整。發(fā)射端根據(jù)接收端通過海上電磁波通信反逡逑饋的信道狀態(tài)，對信道編碼和調(diào)制方式和進行調(diào)整，處理流程如圖１．１所示。該方法的局逡逑限性在于其反饋信息的傳輸方式，完全處于水下的通信系統(tǒng)無法利用電磁波傳輸反饋信息，逡逑而利用聲波傳輸則存在時延較大的問題。模基信道估計方法可以克服上述困難，因為水聲逡逑通信系統(tǒng)所處的環(huán)境信息可以通過測量得到，那么結合聲傳播模型即可在發(fā)射端估計信道逡逑的狀態(tài)信息，如圖１．１紅色框中所示。Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ將�；诺罓顟B(tài)信息應用在自主水下航行逡逑器（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ邋Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ邋Ｖｅｈｉｃｌｅ，，邋ＡＵＶ）平臺，提出一種環(huán)境自適應的框架［５４］，邋—方面用逡逑于提高水聲通信質量，另一方面用于ＡＵＶ路徑規(guī)劃。�；诺拦烙嬂昧谁h(huán)境信息實現(xiàn)逡逑６逡逑

接收信號在幅度和相位上較原始信號有較大的偏差。因此，對非合作水聲通信逡逑信號的調(diào)試識別需要結合盲信道估計與信道均衡技術以抑制信道對接收信號的影響，從而逡逑提高調(diào)制識別正確率，如圖１．２中虛線方框所示。該部分內(nèi)容在文獻中尚未有系統(tǒng)的研究，逡逑論文將根據(jù)接收的頻率特征研究與之對應的盲信道估計與信道均衡方法。逡逑邐邋邐１逡逑偵聽Ｉ邋＿｜盲信悐邐Ｉ￣信道￣邋！邋ｒｗｗｗｉ邋解調(diào)與ｆｃ｜恢復逡逑信號估計均衡ｒｒｉ制分類解密ｍ信息逡逑Ｉ邐，邐Ｔ逡逑Ｓｆ邋Ｈ邋調(diào)制邋１邐４Ｓ逡逑圖１．２非合作水聲通信系統(tǒng)原理框圖逡逑Ｕ論文主要研究內(nèi)容逡逑論文圍繞水聲通信系統(tǒng)中盲信道估計問題，利用海洋環(huán)境信息并結合聲傳播的物理特逡逑８逡逑
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.3;P71

【參考文獻】

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本文編號：2626235