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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