长基线四点接收水声跟踪系统定位计算公式及性能分析

本文对四点接收水声跟踪系统给出了定位方程，从方程出发可得四组三点接收解，最小二乘解，三组平均解和四组平均解。在接收阵为正方形条件下，最小二乘解等于三组平均解。考虑影响定位误差的测距误差中包含随机误差和同步钟漂移误差，后者对四接收点是相同的，分别计算了由这两因素引起的的定位误差系数（ｇξ为漂移定位误差系数，ｇη为随机因素引起的定位误差系数）。分析表明，各种解的ｇξ均有相同的上限／２。各种解的ｇη均与目标的位置（Ｒ，θ）有关，当距离Ｒ较大时，随方位θ的变化不明显，ｇη是Ｒ的线性函数，但是四组平均解和三组平均解的ｇη比三点接收解的ｇη为小，相应于等效阵线度增加４１％和３２％。在接收阵线度较小条件下，采用四点接收能降低定位误差，这是有实用价值。     

水声定位系统在海洋工程中的应用

以海洋资源的勘探与开发为主要目的的大洋勘探、海洋开发以及海洋工程中,广泛需要声学定位系统提供水下定位服务。以水声定位技术与系统为关注对象,介绍了水声定位系统的国内外现状、技术发展趋势,以及水声定位系统在海洋油气开发、海底矿石开采、未来海洋空间站以及海底打捞、勘探等作业中的应用需求,并对影响水声定位系统性能的因素进行了分析总结。     

水声扩频通信中的RAKE接收机合并性能

针对水声信道中存在着多径效应问题,对直接序列扩频系统的RAKE接收机分集技术进行了研究,水池试验验证了扩频通信理论研究结果的有效性。     

基于混沌的水声定位信号设计及性能分析

针对水声信道中复杂的噪声环境及各种干扰对定位准确度的影响,利用扩频通信技术的抗干扰、抗噪声能力,提出一种基于混沌的扩频信号产生方法。将该信息作为水声定位信号,通过相关法得到精确时延,进而可以计算出节点间的距离,通过在水声信道下对其性能进行分析。仿真结果表明:该扩频信号相关特性理想,具有很强的抗干扰能力,测距准确度高,适合用作水声定位信号。     

判决反馈自适应均衡技术在水声数据传输系统中的应用

在海洋石油的开发生产中，可以用水声数据传输系统对水下生产装置和设备进行遥测遥控。影响浅海、中距离水声数据传输系统可靠性的主要因素之一，是水声信号传播中的多径效应干扰。文章针对计算机模拟实现的多径传播的水声接收信号，采用判决反馈自适应均衡(DEF)技术，消除多径效应引起的码间串扰，提高了水声数据传输系统的可靠性。文中给出了DFE的结构，采用FTF算法实现了DFE，并分析了算法实施后的抗干扰性能。计算机模拟实验表明，采用DFE后，传输系统的误码率降低了1．4倍。     

时频编码在水声通信中的应用

研究了一种采用脉冲时延差和多频码元组合编码的水声通信技术。该技术利用多个频率分不同时隙去填充一个CW脉冲组成mbits的码元,用码元之间的时延值再携带nbits的信息,在接收端采用时延估计和频率检测技术进行解码,使得在保持较高通信速率的前提下,将码元间距扩展到足够宽,有效地克服了由于水声多途效应产生的码间干扰,减小了频带占用率,提高了通信可靠性。海试表明,采用TD-MFM技术数据传输速率较高,系统易于实现且稳健性较好。与FSK通信方式相比,其功耗大约减少75%,且误码率低,约为10-3-10-5。但该方案若有一个码元的时延测量错误,会导致后继一个码元也出错,因此,其纠错技术较复杂,相关研究正在进行中。     

基于FFH/MFSK的深海远程水声通信技术

为实现深海远程水下通信,提出了一种FFH（Fast Frequency Hopping）/MFSK（快跳频/多频移键控）通信方案。该方案利用快跳频技术对已调MFSK信号进行二次调制,借助频率分集,可有效地抑制远程水声信道因多途传播而引起的频率选择性衰落,从而更好地实现远程低信噪比条件下可靠通信。同时采用深海声道作为通信系统水声波导,将通信节点置于声道轴以大幅提高通信距离。仿真及湖试结果证明了所提方案的良好性能。     

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。     

基于OFDM编码的水声通信差分解码技术

正交频分复用（OFDM）具有良好的抗频率选择性衰落性能,抗多径和脉冲噪声能力强,同时具有在高效带宽利用率情况下的高速传输能力以及简单的实现方法。OFDM在应用中也存在一些问题,例如对频率偏移和相位噪声敏感等。研究了基于正交频分复用编码的水声通信差分解码技术。所提出的差分解码方案通过测量相邻OFDM信号的相位差进行解码,从而降低了信道时变特性对水声通信系统的影响,特别是相位误差的累积效应。湖上试验数据差分解码的结果显示了所提方案的有效性,极大地降低了通信系统的误码率。     

基于傅里叶扩压频调制技术的水声通信

为提高水声语音通信的抗干扰能力和稳定性,克服窄频信道数字传输误码所造成的断续和延时,采用了经过超声波信号频率扩展、模拟信道传输和频率压缩还原处理的傅里叶扩压频调制技术(Fourier transform spread-compres‐sion spectrum technique,FSCT)传输语音信号。利用一定带宽的超声波模拟信号传输语音,可以避开海洋背景噪声和多径效应对数字通信的干扰,实现实时水声通信。试验结果表明,该方法具有较强的抗多径干扰的能力,能有效提升水声通信的通信质量。     

水下目标定位标校系统研究

为了给出水下目标的精确大地坐标,设计了以浮筒作为载体的水下目标定位标校系统,具有灵活方便的优点。研究了影响系统定位误差的相关因素,并分析了系统综合定位精度,编写了标校系统显控软件,将差分GPS数据和方位姿态数据进行数据处理,解算出水下基准位置坐标。对标校系统进行了陆上验证试验,结果表明作为模拟目标的水下位置基准定位误差小于1m,可为水声定位系统提供海上定位校验的位置标准。     

一个基于FPGA的低复杂度水声直扩系统设计

基于现场可编程门阵列(FPGA),设计并实现了一个低复杂度的支持码分多址接入(CDMA)机制的水声直接序列扩频(UDSSS)通信系统--UADSSS/CDMA,给出了系统的整体设计和信道编码电路、信号捕获电路的详细设计.信道编码采用规则重复累积(RA)码,解码迭代算法采用低复杂度的最小和算法,给出了一种快速运算的电路设计;信号捕获电路采用延迟相关捕获算法,给出了一种低复杂度的基于流水线结构的电路设计.进行了水声试验平台测试、湖试、海试等性能测试,结果表明,系统在抑制多径干扰和支持多用户通信方面具有良好的性能:试验平台测试显示,单用户通信的误码率为10-4数量级,存在两个用户干扰的误码率为10-3数量级;湖试显示,零误码的数据包为74.8%;海试显示,零误码的数据包为34.4%.     

浅海信道有效声速估计及其在水声定位中的应用

提出了基于本征声线视在搜索的浅海信道有效声速估计方法。在给定海面海底及垂直声速分布条件下,该方法能快速准确地估计浅海信道中任意两点的有效声速以及有效声速空间分布物理图像。因该方法采用本征声线视在搜索思想,计算量大为减小,易于实际工程应用。随后探讨了其在长基线水声定位解算中的应用。海试与应用结果表明,该方法可以提高长基线定位系统对浅海信道复杂水文的适应能力。     

一种高性能低功耗水声引信滤波器的设计

水声引信要求滤波器必须有较低的功耗和较快的阻带衰减。基于高性能开关电容滤波器LMF100设计一种适于水声引信的带通滤波器。采用了两种设计带通滤波器的方法,通过实际测试对两种方法作了比较,最终设计出了过渡带窄、截止频率精确可调、阻带衰减快、低功耗的带通滤波器,并给出了实际调试的结果。     

Pattern时延差编码水声定位的时延估计研究

基于Pattern时延编码体制,针对水下超短基线定位系统设计了呼叫信号的正、负调频时延编码结构,并提出利用二次互相关技术进行时延估计。该方法在一定程度上能够提高呼叫方的可检测信噪比,同时在复杂环境下对信道中包括直达波在内的多径信号能量进行累加,能够准确地完成峰值检测,进而达到提高时延估计精度的目的。海试实验结果表明二次相关法在不同信噪比条件下能有效地抑制界面反射产生的多径干扰。     

一种窄带水声信号数字处理系统

针对窄带水声接收机参数估计精度低、目标识别能力差的弱点,提出了数字鉴宽的概念及方法,利用复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device, CPLD)实现对窄带水声信号宽度的精确识别.该方法可广泛适用于数字滤波和机械滤波窄带水声接收电路,鉴宽结果性能稳定、可靠,可满足大多数窄带水声系统对信号及其宽度识别的精度要求.同时,根据实际水声系统对水声接收机增益调节的需要,提出了利用MSP430单片机及 D/A器件实现水声接收机手动及自动增益控制的方法,它可应用于各种水声接收电路中.所提出的窄带水声信号处理方法有算法简便、实用的优点,使用的理想效果在实际应用中得到了验证.     

矢量水听器在水声通信系统中的应用

将矢量水听器应用于水声通信系统,利用矢量水听器的指向性屏蔽强干扰。建立了基于矢量水听器的多载波正交频分复用(OFDM)系统模型,对各向同性噪声场中矢量水听器的增益进行了推导,为抑制相干干扰提供了新的解决方案,并进行了仿真验证。仿真研究表明,该方案能够有效地增强系统的抗各向同性干扰的能力,达到提高信噪比的目的,降低了误码率,增加了系统的稳健性。湖上试验验证了该方法的有效性,表明基于矢量水听器的水声通信系统可为实现高速水声通信提供一种有效的途径。     

多载波水声信道估计技术及其研究进展

简述了水声信道与正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统之间的必然联系,概述了基于导频符号的信道估计算法、自适应信道估计算法、子空间信道估计算法以及压缩感知稀疏信道估计方法在水声通信中的应用现状,总结了各种算法的特点,比较了各种算法的优缺点,并指出了未来水声信道估计的发展方向。     

一种新型的滤波器组在水声应答器中的应用

针对某型水声应答器中处理信号频带变宽,信号中叠加了多个频率分量以及实时性要求高的问题,提出一种基于频域信道化技术的滤波器组方法。首先给出该滤波器组的理论推导,并对滤波器组进行加窗处理,给出了FFT的长度和移动重叠点数等参数对该滤波器组的影响,最后进行了数值仿真,并进行了湖试试验数据处理。结果证明该方法可有效解决信号的信道串漏问题,验证了该滤波器组的正确性和可行性。该方法通过对信号信道化处理,减小了滤波处理的运算量,提高了数据的信噪比,便于后续的目标检测。该滤波器组算法简单、易实现、运算量小,在水声应答器信号处理中有一定的工程借鉴价值。