时间反转镜技术在扩频水声通信中的应用研究

发布时间：2019-11-05 04:18

【摘要】：水声信道的复杂性严重影响着水声通信系统的质量,其严重的多途干扰使得高质量水声通信变得十分困难。时间反转镜技术可以利用水声信道的物理特性对水声信道实现时间和空间上的聚焦,将时间反转镜技术应用在扩频水声通信系统中必将有效地提高系统性能,实现高质量通信。本文主要研究时间反转镜技术在扩频水声通信中的应用。论文首先对时间反转镜技术原理进行了理论分析并研究单矢量时间反转镜技术,以满足水声通信中追求节点结构简单功耗低的要求。随后研究了判决反馈均衡器,并将其与时间反转镜相结合,提出了时反镜判决反馈均衡算法,该算法可稳定高效的实现信道均衡。扩频通信技术具有很好的抗干扰、抗多径的能力,能够在较低信噪比条件下工作,且具有很好的组网能力。本文以直扩系统为基础提出差分扩频水声通信、循环移位扩频水声通信以及组合扩频水声通信,并将单矢量时间反转镜应用到上述点对点扩频通信系统中,保证各个扩频系统能够高效可靠的解码。水声信道的系统冲激响应函数对空间变化十分敏感,这使得不同空间位置上的水声信道的冲激响应函数具有弱相关性。单矢量时间反转镜技术利用水声信道的这一物理特性可应用在多用户水声通信中,聚焦期望用户,屏蔽非期望用户实现空分多址。另外,本文研究单矢量有源平均声强器算法,可以对频带多用户的方位信息分别估计,并以此对矢量水听器进行电子旋转实现定向通信。将单矢量有源平均声强器和时间反转镜相结合,提出具有水声特色的空分多址技术,并与码分多址系统相结合实现高质量多用户水声通信。本文对所研究的算法进行了计算机仿真实验和湖试验证,结果表明:时间反转镜技术与水声扩频通信系统相结合提高了水声扩频系统的性能,为高质量点对点水声通信和多用户水声通信提供可靠的保障。
【图文】：

示意图,时间反转,示意图,阵元

图２．１时间反转镜试验示意图逡逑－逦ＴＲＭ试验示意图如图２．１所示。试验中分别布放两个垂直阵，其中一个阵列由收发逡逑合置水所器（Ｓｏｕｒｃｅ－ｒｅｃｅｉｖｅ邋ａｒｒａｙ，邋ＳＲＡ）构成，另一个垂直接收阵（Ｖｅｒｔｉｃａｌ邋ｒｅｃｅｉｖｅ逡逑ａｒｒａｙ，ＶＲＡ）置于远处。点声源ＰＳ位于由ＳＲＡ、ＶＲＡ组成的垂直平面内，且紧靠近于逡逑ＶＲＡ１５＇逡逑时间反转镜的试验过程如下：声源ＰＳ发射宽带脉冲，，ＳＲＡ各个阵元将接收到的信逡逑号做时间反转处理后发送回去，ＶＲＡ各阵元接收波形被采集处理。逡逑下面利用公式对时反镜原理进行扼要说明［５＼逡逑如图２．１所示，假设ＰＳ源离ＶＲＡ邋３号阵元最近。设ＰＳ源元发射信号为外），ＳＲＡ逡逑阵第＆号阵元接收到的信号＆（／）为（不考虑噪声）：逡逑ｒｋ｛ｔ）邋＝邋ｓ｛ｔ）＊ｈｙｋ｛ｔ）逦（２－１）逡逑式中，心（０为ＰＳ源（在３号阵元附近）与ＳＲＡ阵第Ａ号阵元之间的信道冲激响应。本文逡逑采用的信道模型均为相干多途信道模型，因此有：逡逑＝逦（２－２）逡逑／逡逑式中

原理图,时间反转,矢量,原理图

（ｂ）逡逑图２．３单矢量时间反转镜原理图逡逑单阵元时间反转镜的实现方案如图２．３所示。方案（ａ）和方案（ｂ）的差别在于是否进行逡逑信道估计。方案（ａ）中的探测信号选取为线性调频信号作为探测信号，在接收端的处理过逡逑程为：逦：逡逑接收到的探测信号Ａ（／）：逦？逡逑Ｐｒ（０邋＝邋Ｐ（０＊Ｋ０邋＋邋ｎｒ（ｔ）逦（２－２１）逡逑式中，为加性噪声干扰项。—般选用线性调频信号。将探测信号Ａ＿（／）在时间逡逑上做反转处理得到＆（－／）并与接收到的信号＆（／）做卷积：逡逑Ｃ邋以０＊ｐｒ（－0逡逑＝［ｉ＇（0邋＊邋ｈ｛ｔ）邋＋邋ｎｓ邋（／）］邋＊邋［ｐ（－ｔ）邋＊邋ｈ（－ｔ）邋＋邋ｎｐ｛－ｔ）］逦（２－２２）逡逑＝ｓ（ｔ）＊邋ｐ（－ｔ）＊［ｈ（ｔ）＊ｈ（－ｔ）］邋＋邋ｎ］（ｔ）逡逑式中，＝以／”／＾（－／丨＋以－／）＊／＾／）为噪声千扰项；／？（／）＊／？（－／）为上小节讨论的０函逡逑数在接收阵元个数为１时的形式，此时水声信道的多途效应已得到聚焦。最后将ｒ，（／）与逡逑探测信号ｐ（／）作卷积运算，以消除Ｍ－／）的干扰：逡逑ｒ（ｔ）邋＝邋ｒｔ（ｌ）＊ｐ（ｌ）逡逑（２－２３）逡逑＝＾（／）＊邋ｐ（－0＊邋ｐ（ｔ）＊邋ｈ（ｔ）＊逦ｎ（ｔ）逡逑即信号ｗｏ最终经过的“信道”可以表示为：逡逑？逡逑９逡逑
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN929.3

【引证文献】