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基于阵列接收的水声扩频通信技术研究及实现

摘要

无论采用何种水声通信模式，水声信号在传播过程中信道特性复杂且未知，对水声

通信性能产生巨大影响。以往常常关注信道中多径干扰和多普勒的影响，但是水声信号

的波达方向，也是信道的一种信息。对于单个接收传感器来说，多径干扰会严重影响通

信质量，对于阵列接收可以利用波达方向进行波束形成，抑制多径干扰，提高信噪比，

从而提高通信性能。但是水下信道多径干扰严重，当收发相对运动时信道结构随时变化，

且扩频信号工作的信噪比较低，导致一些高分辨阵列信号处理算法失效，以上一系列问

题对阵列信号处理算法在水声扩频通信中的实际应用造成严重影响。故本文将针对实现

基于阵列接收的水声扩频通信系统，开展水声扩频通信算法和阵列信号处理算法的研究。

本文首先对单阵元水声扩频通信开展研究，介绍了扩频通信的基本原理，重点分析

了多普勒效应对扩频信号影响，并介绍了时频二维搜索和拷贝相关多普勒估计两种方法。

然后介绍了载波相位对通信性能的影响及其解决办法，最后通过实验对水声扩频算法进

行验证。

针对水声扩频信号的阵列处理算法，分为波达方向估计和宽带波束形成两类开展研

究分析。本文提出了基于m序列的MUSIC算法和空时分簇DOA估计两种适合扩频信

号的DOA估计算法，并与常规波束形成和非相干信号子空间方法进行性能对比。针对

扩频信号波束形成问题，介绍了相移、延时求和、频域和MVDR波束形成算法，力图

在不同的应用背景下，选择合适的波束形成算法。

接着，将阵列信号处理算法引入水声扩频通信中，考虑水声信号的空时分簇特性，

进行波束分集接收算法的分析和研究。通过仿真和多个外场实验证明，波束分集接收可

以充分利用阵列增益和路径增益，有效地提高通信性能。

最后，对基于阵列接收的水声扩频通信系统进行工程化实现，并加以测试，在实际

的使用中验证了阵列接收后扩频通信性能得到提升。本文主要的研究目的，就是为将阵

列信号处理应用在水声扩频通信中提供可靠的算法，达到提升水声扩频通信性能的目的。

关键词：水声扩频通信；DOA估计；波束形成；波束分集接收

基于阵列接收的水声扩频通信技术研究及实现

ABSTRACT

Nomatterwhatkindofcommunicationmode,thepropagationcharacteristicsofthe

underwateracousticchannelhaveagreatinfluenceontheeffectivenessandreliabilityof

underwateracousticcommunicationsystems.Theinfluenceofmultipathinterferenceand

Dopplerisoftenaconcerninthepast,butthedirectionofarrival(DOA)oftheunderwater

acousticsignalisalsoakindofchannelinformation.Forasinglereceivingsensor,themultipath

interferencewillseriouslyaffectthecommunicationquality.Forarrayreceiving,theDOA

canbeusedforbeamformingtosuppressthemultipathinterferenceandimprovethesignal-to-

noiseratio,toimprovethecommunicationperformance.However,theunderwaterchannelhas

aseriousmulti-path,thechannelstructurechangesatanytimewhentherelativemotionof

transmittingand