基于探通一体化的声纳波形设计方法及应用研究.pdf

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U.D.C:

ADissertationforthedegreeofD.Eng

ResearchonDesignMethodandApplication

forSonarWaveformbasedonIntegratedDetection

andCommunication

Candidate:MenWei

Supervisor:Prof.YinJingwei

AcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineering

Specialty:UnderwaterAcousticEngineering

DateofSubmission:May14，2023

DateofOralExamination:May17，2023

University:HarbinEngineeringUniversity

基于探通一体化的声纳波形设计方法及应用研究

摘要

水声探测和通信是保证无人水下潜航器（UUV）生存、作战和高效协作的关键技术，

而基于分立的声纳系统实现探测和通信功能会带来资源竞争和相互干扰等诸多问题。探

索实现水下探测通信一体化是解决上述问题，进而提升UUV作战效能的有效途径。虽

然探测和通信可以通过共享干湿端资源实现硬件集成，但共享波形需结合特定应用场景

下的特定需求进行有效设计，给水下探测通信一体化的实现带来极大挑战。本文从声纳

波形的探测、通信和发射三方面性能考虑，针对UUV集群面临的不同探测和通信场景，

重点围绕基于SIMO和MIMO声纳的探测通信一体化开展声纳波形设计与优化、目标

探测和信息解调等关键技术研究。具体而言，本文的主要贡献和创新性研究成果可总结

为如下内容：

首先，基于自适应M元扩频调制的探测通信一体化波形设计方法。针对常规基于

探测信号的一体化波形通信速率低、探测不稳定等问题，提出了一种基于自适应M元

扩频调制的一体化波形设计方法，通过广义正弦调频（GSFM）波形索引嵌入信息符号，

在不影响单脉冲探测性能的前提下实现高可靠性信息传输，同时波形集的自适应更新可

有效减少所需正交波形的数量，进而提高通信速率。为解决低信噪比下信息解调易受波

形间非正交影响导致误码严重的问题，提出广义M元能量检测算法，引入训练符号增

大解扩频矩阵维度并对其进行逐符号更新，显著提升了抗非正交干扰能力。在此基础上，

为进一步提升一体化波形的探测和通信性能，提出了基于多目标遗传算法的GSFM参

数优化方法，通过目标检测概率和通信误码率的分析，验证了所提方法相比传统方法的

性能优势。

其次，基于脉内相位调制的探测通信一体化波形设计方法。针对UUV集群协同对

信道复用技术的需求，提出了GSFM脉内相位调制的一体化波形设计方法，所设计波形

具有“图钉”型模糊函数和高效的信息嵌入能力，同时借助特征参数变换可实现码分信

道复用。为解决频率选择性衰落信道下一体化波形信息解调性能下降的问题，本文一方

面在接收端采用多途信道压缩与均衡技术降低码间干扰，另一方面在发射端通过增大带

宽比例系数抑制残留载波干扰。数值仿真分析表明增大比例系数会降低一体化波形的信

道复用能力。对此，提出了多频带并行调制优化模型，划分多个子频带并行嵌入通信信

息，有效缓解了一体化波形在通信传输和信道复用之间的性能冲突。

哈尔滨工程大学博士学位论文

再次，基于交错正交频分复用（OFDM）的搜索通信一体化波形设计方法。MIMO

声纳通过发射正交波形可获得虚拟孔径，有效提高目标探测空间分辨率。以此为基础，

本文利用多通道交错OFDM信号同时实现目标