基于ZoomFFT的反多普勒频移算法在水声通信中的应用

引言 水声通信中,信号发射机与接收机之间的相互运动和水体的流动都将引起信号的多普勒频移;多普勒频移通常会降低匹配滤波器的检测能力,当其超出一定的容限之后,通信的可靠性会严重降低,以至于无法正常通信.     

用双曲线调频信号实现水声通信的频偏估计和同步

水声通信的信道带宽相对较窄,为实行高速通信,需要选择高频带利用率的传输方式。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）技术允许子载波重叠,在水声通信中具有良好的应用前景。但OFDM的解调对于频率偏移和时间偏移非常敏感,而水声中的频率多普勒偏移相当大。通过仿真和实验表明：在信噪比较低的情况下,使用双曲线调频信号作为导频信号,可以准确地计算出频率偏移,同时实现数据传输的时间同步。     

MIMO水声通信中的空时分组扩展编码方案探讨

采用多输入多输出（MIMO）结构和空时编码可以使水声通信系统获得分集增益,改善系统性能。针对水声信道中的频率选择性衰落,研究了一种用于MIMO水声通信系统的空时分组扩展编码方案（STBSC）,利用正交扩频编码克服了水声信道中多径干扰对空时分组编码（STBC）信号正交性的破坏。给出了方案的系统模型和实现框图,采用MIMO水声模型对方案的性能进行了仿真。仿真结果表明,STBSC方案在多径水声信道中可以得到完全发射分集。最后介绍了方案的水库试验,试验结果表明了方案的有效性。     

一种精确的水声通信时间同步信号设计

提出了采用HFM（Hyperbolic Frequency Modulation,HFM）和CW（Continuous Wave,CW）构成的组合信号,实现精确的时间同步。根据HFM信号的匹配相关捕获同步信号,由CW信号的ZoomFFT算法估计Doppler扩展,再根据Doppler扩展的估计补偿时间同步误差。     

矢量传感器在频率调制通信系统中的应用

本文将矢量传感器应用于频率调制的水声通信系统中,利用声强解码代替传统的声压解码.借鉴QPSK信号星座图,发明了一种BFSK信号解调后的显示方法,该方法可直观的显示出信噪比系统带宽和误码情况.仿真研究结果表明,基于矢量传感器的通信系统利用声强解码可以扩大通信距离,降低误码率.     

一种有效的水声通信多普勒处理方法

在水声通信中,由于发射和接收平台之间的相对运动,多普勒频移是无法避免的。多普勒频移使信号频率和相位发生变化,降低载波估计的精度,造成自适应均衡器的发散,使整个系统的性能下降。文中设计了一种应用于水声多载波相干调制系统的多普勒处理方法,采用块估计和线性插值以抵消多普勒频移的影响。仿真结果表明,该方法能有效地抵消多普勒频移对多载波相干调制系统的影响。在信噪比为-10dB、数据率为100bit/s的条件下,系统允许相对运动速度可达到±10m/s。     

水声脉冲信号检测的新方法

水声脉冲信号是由一个运动平台上的发射器发射的。信号的调制方式、载频、幅度、脉宽以及周期均为未知。该文介绍了一种水声脉冲信号检测的新方法。水声脉冲信号接收机输出的短时谱重心是不断起伏的。起伏在高信噪比时会变得很小,而在低信噪比(或无信号)时会变得很大。由于,起伏的绝对偏差移动平均可用来度量起伏的大小,因此,它可以被用来检测水声脉冲信号。还介绍了新检测方法的原理、算法以及仿真结果。在海洋噪声、运动载体的辐射噪声以及小的多途干扰背景中,该方法能可靠地检测水声脉冲信号,并能同时对信号的一些参数作出估计。     

基于深度神经网络的水声FBMC通信信号检测方法

针对传统水声滤波器组多载波（Filter Bank Multi-Carrier,FBMC）通信接收端需经过信道估计和均衡才可恢复出发送符号,系统复杂度高且信道估计精度不佳等问题。文章将深度神经网络融入到水声多载波通信当中,提出一种基于深度神经网络的水声FBMC信号检测方法。在训练阶段通过大量的数据迭代、调试超参数和优化算法来改善深度神经网络参数,使其具有预期的估计效果。利用训练完成的深度神经网络模型取代传统FBMC通信系统接收端的信道估计、均衡等模块,自适应地学习水声信道状态信息,同时避免了固有的虚部干扰影响。在测试阶段直接将频域序列作为网络的输入来预测发送的二进制序列,仿真结果表明所提出的基于深度神经网络的FBMC信号检测方法相比传统信道估计算法有更好的误码率性能。     

H序沃尔什快速变换及其在水声扩频通信中的应用

严重的多途衰落、多普勒频偏是水声通信中引起误码的主要原因,扩频通信技术的抗多途、抗干扰性能使之适合用于水声通信。然而,要想较好地解决多途衰落和多普勒频偏问题,须对接收信号进行多途分量的提取和多普勒频率搜索。这将使程序的运算量大为增加,一般的相关算法无法满足数据处理的实时性。沃尔什快速变换能够快速的实现矢量和矩阵的相关运算,将其应用到水声扩频通信中的扩频编解码、频率搜索和多途分集,可以保证接收信号的实时处理。从而,在信道多途比较严重、环境噪声较强的浅海信道中,能够实现长距离、低信噪比、低误码率、高保密性的实时扩频通信。通过湖试和海试,验证了此水声扩频通信系统的上述优良性能。     

北极高速水声通信实验初步研究

因海冰覆盖和独特的声速剖面特征,北极水声信道有其特殊性,为研究、开发和利用北极,需要开展北极水声通信研究。2017年夏季在北冰洋中心区开展了一次距离1.26 km、通信速率为1.2 kbps的冰下水声通信实验。实验结果表明通信系统的载波频率偏高、声接收端背景噪声级较高以及水声信道上界面的海冰分布较为复杂是导致实验结果误码率偏高的主要原因,提出了相应的改进措施和建议。实验过程中,水声通信设备系统工作良好无故障。此次实验为极地水声通信装备的研制、极地水声通信的研究与应用积累了宝贵经验。     

Approximate Cramer-Rao bound on Doppler error in correlation-processing relatively narrowband noise radar

Limitations on accuracy of Doppler estimation in continuous-wave noise radar with correlation processing are studied. Second-order properties of output of the correlation receiver are evaluated and an approximate Cramer-Rao bound on errors of Doppler measurement is derived. The accuracy of Doppler measurements is found to be affected by the following factors: power spectral density of noise signal, frequency response of the low-pass filter in correlator, observation time, velocity of the target and signal to noise ratio. It is shown that the random nature of the transmitted signal induces additional fluctuations at the output of correlator which limit the accuracy even in the infinite signal to noise case. Qualitative extension of the results to a case covering multiple targets and clutter is made. It is argued that the performance will decrease and that increasing transmitted power may not provide significant improvement when clutter is present.     

一种新的相位编码信号多普勒补偿算法研究

相位编码信号是一种多普勒频率敏感信号,而且码长越大,对多普勒频率越敏感,严重影响了雷达对高径向速度目标和远距离目标探测的能力。该文在分析伪码序列与多普勒容限关系的基础上,提出一种新的伪码调相准连续波雷达的多普勒补偿算法。该算法将回波信号取平方后送到动目标检测(MTD)滤波器中,通过提取回波信号中的多普勒频率信息,进行多普勒补偿。从仿真结果可以看出,该算法能够有效地降低多普勒频率对脉冲压缩结果的影响,验证了方法的可行性。     

宽带声学多普勒流速剖面仪的中频正交采样算法

宽带声学多普勒流速剖面仪(Broadband Acoustic Doppler Current Profile,BBADCP)发射由伪随机编码调制的正弦信号,信号带宽在频域上产生展宽,成为带通信号。宽带回波信号的处理多采用正交解调的方法,但此方法对采样率的要求较高,硬件较难实现。利用数字中频正交采样法来实现,大大降低了采样频率,并且针对BBADCP解模糊速度的要求,进行了宽带回波信号的仿真试验,结果证明插值的数字中频正交采样法适合于BBADCP的信号处理。     

Special relativity corrections for space-based lidars

The theory of special relativity is used to analyze some of the physical phenomena associated with space-based coherent Doppler lidars aimed at Earth and the atmosphere. Two important cases of diffuse scattering and retroreflection by lidar targets are treated. For the case of diffuse scattering, we show that for a coaligned transmitter and receiver on the moving satellite, there is no angle between transmitted and returned radiation. However, the ray that enters the receiver does not correspond to a retroreflected ray by the target. For the retroreflection case there is misalignment between the transmitted ray and the received ray. In addition, the Doppler shift in the frequency and the amount of tip for the receiver aperture when needed are calculated. The error in estimating wind because of the Doppler shift in the frequency due to special relativity effects is examined. The results are then applied to a proposed space-based pulsed coherent Doppler lidar at NASA's Marshall Space Flight Center for wind and aerosol backscatter measurements. The lidar uses an orbiting spacecraft with a pulsed laser source and measures the Doppler shift between the transmitted and the received frequencies to determine the atmospheric wind velocities. We show that the special relativity effects are small for the proposed system.     

基于频偏应答的ADCP流速现场校准方法研究

针对声学多普勒流速剖面仪(ADCP)现场校准困难的问题,介绍了一种基于频偏应答的ADCP流速现场校准方法。通过声信号应答器,设置回发信号相对于发射信号的频偏实现速度矢量的模拟,并以频率为溯源量,对ADCP发射的信号及应答器回发频偏信号进行频率校准,进而实现ADCP流速参数的现场校准。研制了一套基于频偏应答的ADCP流速现场校准装置,在实验室消声水池条件下,以四波束300kHz ADCP为校准对象,开展了1～2m/s的流速校准实验,进行不确定度分析。结果表明,该装置对流速校准的不确定度达到1％模拟流速＋7mm/s,验证了该校准方法的可行性。     

X波段镜像抑制混频器设计

随着微波通信技术的迅速发展,作为微波接收机主要部件之一的混频器也向小型化,多功能化发展。利用ADS工具辅助设计和调试了一个X波段镜像抑制混频器。对常用混频器的结构进行了改进,通过测试结果可以看出,这种改进能实现较高的镜频抑制度和较低的变频损耗,且各端口间的隔离度也较好。混频器工作频率10.5GHz,中频1GHz,混频管采用HSMS-8101,基板为Rogers5880,其介电常数为2.2。     

基于线性调频信号二次相位变换的主动声呐目标速度估计

分数阶傅里叶变换常用于主动声呐线性调频信号的分析,通过搜索变换参数可以估计目标的相对速度.但是由于其参数搜索计算量偏大,在自主式水下航行器等计算力有限的小平台难以实时处理.针对该问题提出了一种基于二次相位变换的线性调频信号速度估计方法,根据多普勒频移后线性调频信号的二次相位变换的解析解,分析了二次相位变换后变换域频谱展...     

Channel modeling of light signals propagating through a battlefield environment: analysis of channel spatial, angular, and temporal dispersion

Free-space optical communication (FSOC) is used to transmit a modulated beam of light through the atmosphere for broadband applications. Fundamental limitations of FSOC arise from the environment through which light propagates. We address transmitted light signal dispersion (spatial, angular, and temporal dispersion) in FSOC that operates in the battlefield environment. Light signals (photons) transmitted through the battlefield environment will interact with particles of man-made smoke such as fog oil, along the propagation path. Photon-particle interaction causes dispersion of light signals, which has significant effects on signal attenuation and pulse spread. We show that physical properties of battlefield particles play important roles in determining dispersion of received light signals. The correlation between spatial and angular dispersion is investigated as well, which has significant effects on receiver design issues. Moreover, our research indicates that temporal dispersion (delay spread) and the received power strongly depend on the receiver aperture size, field of view (FOV), and the position of the receiver relative to the optical axis of the transmitter. The results describe only specific scenarios for given types of battlefield particles. Generalization of the results requires additional work. Based on properties of the correlation, a sensitive receiver with a small FOV is needed that can find the line-of-sight photons and work with them.