浅海环境中模基盲信道估计方法研究

发布时间：2020-04-13 17:25

【摘要】：水声信道具有复杂的时变和空变特性,海面的波动、水体温度的变化、不同海区海底介质的差异等,都会对声波传播过程产生影响,导致接收信号产生多路径时延扩展、载波相位起伏、多普勒扩展等问题。因此,对水声信道状态的合理评估和信道响应的准确估计具有很大的挑战性。然而,水声信道估计对水声通信、水下目标探测、跟踪、识别等均十分重要,尤其是在非合作的水下应用场景中,对水声信道传输函数的盲估计已成为一项具有重大挑战又亟待解决的课题。论文围绕水声通信中盲信道估计问题,利用海洋环境信息并结合声传播的物理特性开展研究,以实现未知源信号先验信息条件下的信道解卷和信号解析。其中,由于海底的声学参数很难通过直接测量的方式准确获得,使基于声传播模型的应用效果存在较大的不确定性。本文采用声学反演的方式通过遗传算法获得最优的盲信道估计结果,并利用海试数据验证了反演算法的有效性。针对低频盲信道估计,论文提出的模基盲信道估计方法充分利用了声传播特性以及声学环境信息,在未知信号先验信息的条件下估计信道响应并恢复原始信号波形。首先,模基方法建立了声传播模型与信道估计之间的关联,利用海洋的环境参数作为先验信息用于建立合适的声传播模型;其次,采用匹配场处理方法进行声源定位以获取盲信道估计的关键信息;最后基于简正波模型计算信道传输函数。利用SWellEx-96实验数据对该方法进行验证,并同模滤波与合成时反相结合的盲信道估计方法、波束形成与合成时反相结合的盲信道估计方法进行性能对比,显示了结合匹配场处理的信道估计方法应用于信道响应盲估计的可行性和有效性。对于高频盲信道估计,由于随着信号频率的升高波长变短,接收阵阵元的间距变得稀疏,接收阵对声线的到达角度的分辨能力下降。同时,高频信号对传播环境参数更为敏感,模型失配问题严重。因此,上述直接采用声传播模型与接收信号进行匹配处理的方法性能明显下降。本文提出将差频处理与空域滤波相结合的方法处理高频接收信号,并结合合成时反方法进行盲信道估计。经过仿真及KAM11实验数据验证,该方法在处理高频信号盲信道估计时对失配具有宽容性。针对接收阵元个数较少的情形,作为对模基盲信道估计方法的补充,论文设计了一种基于压缩感知的盲估计方法以应用于稀疏多径水声信道估计。该方法利用多阵元接收系统中子信道之间的相关性建立目标函数,基于稀疏贝叶斯学习算法重构得到稀疏水声信道的冲激响应。论文通过建立非合作水声通信系统模型,对该算法进行了仿真分析,结果表明在信噪比较高的条件下,该算法可以较为准确估计信道时延和幅度,进而通过信道均衡实现对通信信号的有效解调。调制识别技术是非合作水声通信应用场景中另一项关键技术,在未知调制信息内容以及调制参数的情况下,实现从接收信号中辨识信号所采用的调制样式并估计出相应的调制参数,为后续的信号分析与解调提供依据。论文在盲信道估计获得信道冲激响应的基础上,利用高阶累积量特征的调制识别算法实现了水声通信调制信号的识别与解析,并通过仿真进行验证。此外,基于最大似然比的调制识别算法实现对水声正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)多载波信号的识别与解析,重点研究实测OFDM水声通信信号的参数估计、子载波调制方式识别等技术,并用KAM11海试实测信号验证算法的可行性。
【图文】：

自适应调制编码,方案,通信系统

通信系统可以做出优化调整，比如自适应调制编码（Ａｄａｐｔｉｖｅ邋Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋Ｃｏｄｉｎｇ，逡逑ＡＭ＆Ｃ）、通信速率、功率控制以及位置调整。发射端根据接收端通过海上电磁波通信反逡逑馈的信道状态，对信道编码和调制方式和进行调整，处理流程如图１．１所示。该方法的局逡逑限性在于其反馈信息的传输方式，完全处于水下的通信系统无法利用电磁波传输反馈信息，逡逑而利用声波传输则存在时延较大的问题。模基信道估计方法可以克服上述困难，因为水声逡逑通信系统所处的环境信息可以通过测量得到，那么结合声传播模型即可在发射端估计信道逡逑的状态信息，如图１．１红色框中所示。Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ将模基信道状态信息应用在自主水下航行逡逑器（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ邋Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ邋Ｖｅｈｉｃｌｅ，，邋ＡＵＶ）平台，提出一种环境自适应的框架［５４］，邋—方面用逡逑于提高水声通信质量，另一方面用于ＡＵＶ路径规划。模基信道估计利用了环境信息实现逡逑６逡逑

原理框图,盲信道,论文,信道均衡

接收信号在幅度和相位上较原始信号有较大的偏差。因此，对非合作水声通信逡逑信号的调试识别需要结合盲信道估计与信道均衡技术以抑制信道对接收信号的影响，从而逡逑提高调制识别正确率，如图１．２中虚线方框所示。该部分内容在文献中尚未有系统的研究，逡逑论文将根据接收的频率特征研究与之对应的盲信道估计与信道均衡方法。逡逑逦邋逦１逡逑侦听Ｉ邋＿｜盲信悐逦Ｉ￣信道￣邋！邋ｒｗｗｗｉ邋解调与ｆｃ｜恢复逡逑信号估计均衡ｒｒｉ制分类解密ｍ信息逡逑Ｉ逦，逦Ｔ逡逑Ｓｆ邋Ｈ邋调制邋１逦４Ｓ逡逑图１．２非合作水声通信系统原理框图逡逑Ｕ论文主要研究内容逡逑论文围绕水声通信系统中盲信道估计问题，利用海洋环境信息并结合声传播的物理特逡逑８逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.3;P71

【参考文献】