（水声工程专业论文）多途信道中pattern时延差编码水声通信研究.pdf

哈尔滨工程大学博士学位论文f o u r i e r 变换在存有大多普勒频偏时的高速移动水声通信中的应用，包括提出将其应用于声信道参数估计、水声通信同步检测及应用于p a t t e r n 时延差编码通信体制中。研究了深海声道特性，提出将通信固定节点置于声道轴以获取会聚增益，可提高通信距离。在此基础上，结合时间反转镜信道均衡技术及混沌扩频p a t t e r n 时延差编码体制，设计出深海远程水声通信方案。本文对采用的各水声通信关键技术在深海或浅海水文条件下进行了仿真研究，并通过2 次松花湖通信试验，对各水声通信关键技术及通信方案进行了湖试验证。另外，进行了移动水声通信试验，验证了单阵元时间反转镜在收、发节点间存在相对低速运动时的适用性及t r m p d s 系统的鲁棒性。关键词：水声通信；p a t t e r n 时延差编码体制；时间反转镜；多用户水声通信；分数阶f o u r i e r 变换；移动水声通信多途信道中p a t t e r n 时延差编码水声通信研究a b s tr a c tn eu n d e n v a t e ra c o u s t i cc h a n n e li sr a n d o mt e m p o r a la n ds p a t i a lv a r y i n g a n dr e f l e c t i o na tt h eb o u n d a r i e sa n dr a yb e n d i n ga r et w of u n d a m e n t a lm e c h a n i s m so fm u l t i p a t hf o r m a t i o n n ei n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) c a u s e db yt h em u l t i p a t hc h a n n e li so n eo ft h ep r i m a r yb a r r i e r st ou n d e r w a t e ra c o u s t i c w a )c o m m u n i c a t i o n i no r d e rt oa c q u i r eh i 曲i n f o r m a t i o nd a t ar a t ea tl o wb i te r g o tr a t e( b e r ) ，e f f i c i e n tt e c h n i q u e sm u s tb ea d o p t e dt or e d u c et h ei s i p a t t e r nt i m ed e l a ys h i f tc o d i n g ( p d s ) s c h e m em a k e su s eo f t h et i m ed e l a ys h i f tv a l u e so ft h ep a t t e r nt oc o d et h ei n f o r m a t i o n , a n dt h ed u t yc y c l ei sl e s st h a n1w h i c hc o u l de c o n o m i z et h es y s t e mp o w e r t h ep d ss c h e m ea d o p t st h ec o d ed i v i s i o na n dc o r r e c t i n g - - c o d e si no r d e rt oe n a b l ee v e r yi n f o r m a t i o n - - c o d et ob ea g a i n s tt h ei s lw h i c hi sm o r er o b u s ta g a i n a td i s t o r t i o n s ，m u l t i p a t hf a d i n ga n dn o i s ei n t e r f e r e n c ei nt h ec h a n n e ld u et ot h el a r g e rb a n d w i d t h ac o m m u n i c a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e dw h i c hi n t e g r a t e st h es p r e a ds p e 圮t r u n l ( s s ) 谢t l lp d ss c h e m ec a l l e ds s p d sf o rs h o r t s s p d ss c h e m ec o u l da c h i e v eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h es p r e a ds p e c t r u ma n di m p r o v et h ei n f o r m a t i o nd a t ar a t e ，t h a tc o u l db ec o m p e t e n tf o rl o n g r a n g eu w ac o m m u n i c a t i o n , a n di t sm u l t i p l ea c c e s sw o r k i n gi sv a l i df o ru n d e n v a t e ra c o u s t i cn e t w o r k s t u n er e v e r s a lm i l t o r ( t r m ) i sa 舶s hs i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nu n d e r w a t e ra c o u s t i cf i e l dr e c e n t l yw h i c ht a k e sa d v a n t a g eo ft h eh e t e r o g e n e i t yo ft h em e d i u mt om a t c ht h ea c o u s t i cc h a n n e la u t o m a t i c a l l yw i t h o u ta n yt r a n s c e n d e n t a lk n o w l e d g e t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h et h e o r yo ft i m er e v e r s a la r r a yp r o c e s s i n ga n di t sf o c u s i n gc h a r a c t e ri nf i e q u e n c y - a n dt e m p o r a l d o m a i n t r a d i t i o n a l l y , t h et i m er e v e r s a lm i r r o rc a l l e da t r mi sa c t i v e w h i c hn e e d sm o n o s t a t i cs e n s o r , a n dt h es i 驴a lp r o p a g a t e st h r o u g ht h ea c o u s t i cc h a n n e lt w i c el e a d i n gt ol o we f f i c i e n c y f u r t h e r , t h ea r r a yp r o c e s s i n ge n h a n c e st h ec o m p l e x i t y ,w h i c hc o u l dn o ts a t i s f yt h em o d e m sr e q u i r e m e n to fs i m p l es 打u c n i r ea n dl o w - p o w e rc o s t i no r d e rt oo v e r c o m et h e s ed i s a d v a n t a g e sa n dp r o m o t et h et r mt i i哈尔滨t 程大学博士学位论文t ob eu s e di nt h eu w ac o m m u n i c a t i o n , t h es i n g l e - e l e m e n tp a s s i v et i m er e v e r s a lm i i t o r ( p t r m ) a n dv i r t u a lt i m er e v e r s a lm i r r o rf v t r m ) a r ep r e s e n t e di n n o v a t i v e l yi n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef o c u s i n g g a i no fs i n g l e e l e m e n tt r _ mi sc a l c u l a t e d , a n dt h e na t r m p t r ma n dv t r ma r ea n a l o g i c a la n a l y z e d t h ep r o p o s e dp t r mi nt h i sd i s s e r t a t i o n , w h i c hb r e a k st h el i m i t a t i o no ft h ew a v e f o h t ic o n s i s t e n c yo f p r o b es i g n a lw i t hi n f o r m a t i o n - c o d e ，i sd i f f e r e n tf r o ml i t e r a t u r e s t h ea p p l i c a t i o n so ft h es i n g l e - e l e m e n tp t r ma n dv t r mt ot h eu w ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do np d sa n ds s p d ss c h e m ea r ea b l et of o c u st h em u l t i p a t hs i g n a la n da d a p t i v e l ye q u a l i z et h ea c o u s t i cc h a n n e lr e a lt i m e ，f u r t h e rm i t i g a t ei s ia n de q l h a n c es n & w h i c he n a b l eu w ac o m m u n i c a t i o nw i t hl o w b e r t h es c h e m ef o rm u l t i u s e rc o m m u n i c a t i o ni sp r e s e n t e db a s e do nt r m p d ss y s t e m ，w h i c hi ss i g n i f i c a n tf o rr e a l i z i n gt h eu n d e r w a t e ra c o u s t i cn e t w o r k s n ea p p l i c a t i o no ff r a c t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r m ( f r f t ) i nm o b i l eu w ac o m m u n i c a t i o nw h e r el a r g ed o p p l e re x i s t si ss t u d i e da c c o r d i n gt of i t f tt h e o r ya n dc h a r a c t e r s u n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e lp a r a m e t e r se s t i m a t i o n , s y n c h r o n o u sd e t e c t i o n a n dp d ss c h e m eu s i n gf r f ta r ep u tf o r w a r d n ec o m m u n i c a t i o nr a n g ec a nb ee v i d e n t l ye n l a r g e db yl o c a t i n gt h em o d e ma tt h ed e p t hc o r r e s p o n d i n gt om i n i m a ls o u n dv e l o c i t yv a l u ea n dm a k i n gu s eo fc o n v e r g e n c ez o n e ，a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho nt h ep h y s i c a lc h a r a c t e r so fd e e pw a t e rc h a n n e l b a s e do nt h i s ，t h es c h e m ef o rl o n g r a n g ed e e pw a t e ru w ac o m m u n i c a t i o ni so f f e r e du s i n g1 鼢订e h a n n e le q u a l i z a t i o na n dc h a o t i cs s - p d s e v e r yk e yt e c h n o l o g yi ss i m u l a t e db o t hu n d e rd e e pw a t e ra n ds h a l l o ww a t e ra n dv a l i d a t e db yl a k et r i a l sa tl a s t m o b i l eu w ac o m m u n i c a t i o nl a k et r i a l sr e s u l t sf u r t h e rp r o v et h ef e a s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s so ft h es i n g l e e l e m e n tt r ma n di t sa p p l i c a t i o nt op d sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi np r a c t i c e k e yw o r d s ：u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n ；p a t t e r nt i m ed e l a ys h i f tc o d i n gs c h e m e ；t i m er e v e r s a lm i r r o r ；f r a c t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r m ；m o b i l eu n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n ；m u l t i u s e ru n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ni v哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者( 签字) ：缁日期：2 胛7 年莎月害口日第1 章绪论1 1 引言第1 章绪论水声通信一直是水声研究中的一个重要领域，它的工程应用不仅仅局限于军事，而且也在向商业领域延伸【i 】。无线水声通信具有灵活、方便、经济、不存在电缆缠绕等特点，可实现导航、定位、信息交换、通信联络和安全保障所需的信息传输，是实现水下综合信息感知与信息交互的主要手段。在信息化海洋数据采集、海洋资源开发、海洋环境监测等关系到我国可持续发展的战略领域中，水声通信扮演着重要角色。开发深海油气资源要有复杂的技术，需要有母船、水下作业机器人和深海固定开发基站协同作业，水声通信将提供传输监测、遥控和安全保障所需的信息服务。在军事方面，为保证水下作战系统各单元之间信息互联互通的隐蔽性，水声通信将是一种最有前途的水下通信方式。水声通信也是一个快速发展的科研领域。许多当前应用领域，都要求进行实时通信，这不仅是点对点的链路，更要成网络配置的形式。当今水声通信的前景就是由活动和静止节点共同构成的水声数据通信网。国外一些机构已经开始组建水下通信网络，到目前为止，组建、研究的水声信息网近1 0个，部分己投入实际使用。但是国内在水声通信网络化方面的研究几乎是一片空白。高速、稳健的点对点通信是实现水声通信网络化的基础。只有解决了点对点通信才可构建水下信息网，因此美国把它列为2 l 世纪重大研究课题。目前，固定节点间通信技术发展迅速，己进入实用阶段，但移动水声通信尚处于研究阶段，有待进一步提高性能。在2 1 世纪海洋的世纪中，水声技术作为海洋开发的主导技术之一，将拥有更广阔的发展空间。随着海洋资源开发、水下机器人及各种潜器、潜艇水下无线通信等技术的迅速发展，深、浅海中远程水声通信技术研究迫在眉睫，它必将成为制约水下信息领域发展的核心技术之一。哈尔滨t 稃大学博十学位论文1 2 水声信道特性1 2 1 相干多途信道从通信论的观点来看，海洋就是声信道，它较无线电信道要复杂的多【2 。1 4 1 。海洋信道属于不平整双界面随机不均匀介质信道，又是时间弥散的慢衰落信道，能量损失不仅随距离并且随频率增加而变大，因此其可用带宽只有几千赫兹，水声信道信息容量小，传播过程中时变、空变及多途效应严重。就大多数应用场合来看，实验证明声信道可以看作缓慢时变的相干多途信道【”】。所谓相干多途信道模型是指：介质和边界都是时不变的，声源和接收机位置也是确定的，从声源发出的信号沿各种不同的途径到达接收点，它们互相干涉叠加。声信道是一个时变、空变的随机信道，它对声信号的影响主要有两个方面：一是海洋中声传播的方式和能量传播损失；二是对信号所进行的变换，确定性变换导致接收波形的畸变，随机性变换导致信息损失。因而声信道可以看作是对发射波形进行变换的滤波器。若观察或处理时间不是过分长，则声信道可以用时不变的滤波器来描述。采用射线声学的观点，声信号沿不同途径的声线到达接收点，总的接收信号是通过接收点的所有声线传送的信号的干涉叠加，产生复杂的空间干涉图案和复杂的滤波特性。多途信道中的声场强度及接收波形由本征声线的特征声线参数决定。本征声线是指所有到达接收点的、各种对声场有重要贡献的声线的集合。水声信道的多途特性在很大程度上决定了水声通信质量。通信系统方案需要大量实验来验证其性能，欲用于工程实践，则更需要考察该系统方案所能适用的水声信道。信道仿真模型为研究水下声场特性提供了方便而有力的工具，便于在实验室获得大量不同水文分布条件和环境参数的海洋信道模型。模拟海洋中声传播的最早尝试是在第二次世界大战期间。近些年来，计算技术的飞速发展，推动了计算海洋声学的巨大进步，已经拥有包括射线理论( r a yt r a z et h e o r y ) 【1 6 ，m 、简正波理论( n o r m a lm o d e ) 【1 8 9 1 、抛物方程方法( p a r a b o l i ce q u a t i o n ) 2 0 - 2 2 1 、有限元方法等多种预报海洋声场的计算方法，为分析信号的传播特性和空间相干特性提供了重要手段。j e n s e n j 于1 9 8 2 年2第1 章绪论在分析不同声场模型的基础上给出了不同模型的适用情况。本文将采用本实验室的声信道预报软件 2 4 1 在计算机中对水声信道进行仿真建模。该软件可模拟不同水文条件、不同海况以及各种海底介质的海洋声信道环境，提供信道冲激响应函数( c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e ，c i r ) 。该系统根据水文条件、海面和海底的声学特性、目标的位置和深度等参数，利用射线声学的方法建立海洋多途信道模型。通过将某些实际水文条件下的理论值与实验数据进行比较，表明该软件建立的多途信道仿真模型具有较好的精度，为研究声场特性提供了方便而有力的工具。1 2 2 浅海声信道浅海声道【2 5 】的含义是：在海洋某一深度下，当声波在其中传至远处时，声波经受海面和海底多次反射，被限制在海洋的上下边界之间，海面和海底的声学特性对声场有重要影响。从声学意义上讲，浅海指水平传播距离至少数倍于海水的深度；从地理学意义上讲，浅海是指港口和海湾等内海以及深度小于1 0 0 浔( 1 浔= 1 8 5 2 米) 的大陆架近海，它往往向外伸展到大陆架的边缘。在浅海中，声传播损失依赖于海面、海水介质和海底的许多物理参数。声信号起伏是海洋传播的明显特征之一，即使在相同位置、不同时刻发出的相同信号，到达固定接收点的信号也会随时闯而变化。其一方面原因，海水本身是不均匀的，含有温度不均匀性及海水处于湍流运动状态等，导致各种传播途径之间产生时变的干涉效应，使接收到的是时变信号。另一方面，海面反射声是起伏的在近距离，粗糙海面反射声起伏是很大的，但它随距离的增大而趋于减小，因为这时对海面的掠射角变小，而海面的作用越来越趋于全反射。另外，浅海中海底的声学特性也十分复杂，往往按密度或声速分层，其对确定传播损失起着很大的作用，比海面反射复杂得多。图1 1 给出了实测得到的某浅海声速分布，海深约为1 0 5 m 。哈尔滨t 程大学博士学位论文l l 岛f 盛1 四f l g1 s 1 翩瓢时i 畔嘶叫图1 1 浅海声速分布f i g1 1t h es o u n d - s p e e dp r o f i l eo f t h es h a l l o ww a t e r改变收、发节点间相对水平和垂直位置即可得到不同的信道冲激响应函数。下面列举了2 种典型海洋信道：j l ! i 1 1 i j i f ”_ 兰口e( 砷c i r l。“品：p ”“”( b ) c i r 2( c ) s p e c t r u mo fc i r4第1 章绪论 h z( d ) s p e c t n 】i no f c l r 2图1 2 浅海信道冲激响应及其频谱f i g1 2t h ec h a n n e li m p u l s er e s p o n s ea n ds p e c t r u mo f t h es h a l l o w w a t e r其中图1 2 ( a ) 为收、发节点分别位于水深1 0 m 、2 0 m ，水平相距1 0 k m 时的信道冲激响应，其频谱示于图( c ) 。此时，收、发节点处于表面声道，由于海水静压力形成了一个正声速梯度层，传播特性良好，直达声幅度明显大于多途信号幅度。图( b ) 为收、发节点分别位于水深5 0 m 、6 0 m ，水平相距1 0 k m时的信道冲激响应，其频谱示于图( d ) 。此时，收、发节点间声道处于负梯度较大的温跃层，声速随深度增加而急剧减小，多途扩展比较严重且多途信号的幅度较大，会产生较为严重的码间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s r ) 。另外，从图1 2 ( c ) 、( d ) 中可以看到，信道为一个“梳状滤波器”，其频率特性相间出现“通带”和“止带”，称为“子通带”。这意味着不同频率分量的信号经过声信道传播后，位于止带的频率分量信号的幅度较小且信号波形畸变将较为严重。如图1 1 所示，水深1 0 2 0 m 的水层为均匀水层，而5 0 - - 6 0 m 为负梯度水层，对比图( c ) 与图( d ) 可得出结论：均匀层的平均子通带带宽，宽于负梯度层子通带带宽。1 2 3 深海声信道深海声道【1 5 , 2 6 - 2 9 1 是由深海声速分布的特性所构成。如果海底对声传播的影响可以忽略不计，则所考虑的海域便是理论上的深海。深海声速分布存在一极小值，其所在的水层称为声道轴。折射效应决定了声线在传播过程中趋于弯向声速较小的水层，因而，在深海声道中，始于声源的一部分声线由于未经受海面和海底反射所引起的声能损失而保留在声道内口5 1 。由于传播损失罩壹兰e哈尔滨- t 程大学博士学位论文较小，特别当声源位于声道轴附近时，沿声道轴均为会聚区( c o n v e r g e n c ez o n e s ) ，声信号可沿声道轴传得很远，且在声道会聚区的信道冲激响应有效宽度较小【3 0 i 。不同海区在不同季节其声道轴深度是不同的【2 5 1 。在南海，海深平均超过2 0 0 0 m ，均有典型的深海声道声速分布且常年存在，声道轴位于1 0 0 0 一1 2 0 0 m 。在太平洋、大西洋等深海的某些区域，由于声速剖面在某个深度( 声道轴)发生弯曲，致使声波发生折射和反射现象，声能量的扩散也集中在相对狭小的区域内( 会聚区) ，这时的波导亦具有无形的边界。在北极海区，深海声道轴位于冰层覆盖的海面或近海面处。利用射线声学模型，绘出了某季节南海的声线图，如图1 3 所示。其中图( a ) 为声源位于声道轴附近时的声线图；图( b ) 为声源位于1 5 0 m 深的声线图。( a ) 声源位于声道轴附近时的声线图( ”声源位于1 5 0 m 深的声线图图1 3 深海声线图f i g1 3r a yd i a g r a mo f t h ed e e pw a t e r6第1 章绪论。、十、八ul 。八ll 10( a ) 声源位于声道轴附近时的传播损失( b ) 声源位于1 5 0 m 深时的传播损失图1 4 深海声传播损失曲线f i g1 4c u r v eo f t r a n s m i s s i o nl o s so f t h ed e 印w a t e t图1 4 为图1 3 相应的声传播损失曲线，信号为频带2 - - 4 k h z 内的带限信号。深海声道中的传播损失包括了波阵面扩展产生的几何损失及吸收损失。由图1 3 ( a ) 可以看到沿着声道轴，几乎在所有距离上都是声会聚区，其传播损失示于图1 4 ( a ) ，可以看到沿声道轴的传播损失很小，6 0 k i n 处的传播损失只有8 6 d b ，与图1 4 ( b ) 对比，可以看出相同距离下，收、发节点均位于声道轴时的传播损失要明显小。目前实际应用中，利用声波在声道中超远传播的特点，可传送失事的飞机和船只的呼救信号，监测水下的地震、火山爆发和海啸等。所以若将通信节点布设在声道轴上，则可实现远程水声通信。另外，从图1 4 ( b ) 可以看出，在水平距离6 0 k m 范围内观测到有3 个很强的会聚区，宽度约为5 1 a n ，会聚区峰值比球面波扩展高出5 d b 左右，这与图1 3 ( b ) 的声线图是一致的。因此亦可利用这3 个会聚区，提高通信距离。在深海声道中，信道的冲激响应函数十分稳定、声信号起伏小。对于水声通信来说，若将收、发节点均置于声道轴附近，一方面是多途扩展导致的码间干扰小，另一方面是传播损失小。利用深海信道特性，将有利于实现远程、高质量水声通信。现在潜器的下潜深度一般为2 5 0 4 0 0 m ，随着各种大深度潜器的研发和应用，潜器潜深到10 0 0 m 或更大深度将是普遍的。另外，开发海洋资源，亦需要深海通信的支持。因此，这种利用声道轴特性进行通信将成为一种很有前途的对潜通信方式，并可为深海资源开发及海洋研究提供信息传输服务。7哈尔滨工程大学博士学位论文1 3 国内外水声通信发展简介随着海洋开发、海洋军事的发展，水声通信( u n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n , u w ac o m m u n i c a t i o n ) 在二战后开始出现并得到重视，直到7 0 年代末期，还一直采用模拟系统p 2 】。8 0 年代初期，随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，水声通信技术也因此得到了迅速的发展，新一代的水声通信系统开始采用数字调制技术。与模拟通信相比，数字通信具有抗干扰性强，可对时间、频率扩展进行一定程度的均衡，便于加密、纠错，设备易于集成化等优点。近年来，水声通信系统均使用数字通信方式，研制出多种水声调制解调器( m o d e m ) ，其调制技术的主流为幅移键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控调制( p s k ) 田】。幅移键控( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g , a s k ) 是指用数字基带信号控制载波幅度以进行信息传递的一种调制技术。由于水声信号幅度起伏的影响而造成多级a s k 在解调时难以设置适当的检测阀值，因而水声通信中的幅移键控大多使用通断键控( o o k ) 方式。该方法的功率利用率极低，抗多途干扰能力也很弱，只适用于一些通信速率要求不太高的场合。我国的某型声纳的电报工作方式就采用了通断键控方式。频移键控( f r e q u e n c ys h i f t k e y i n g ，f s k ) 系统作为一种能量检测( 非相干检测) 系统，对水声信道的时间和频率扩展有很强的适应能力。相当长的时间内，f s k 调制方式被认为是水声通信中的最佳调制方式。频移键控调制的不足在于：需要较宽的频带宽度，频带利用率低，并要求有较高的信噪比。当存在多普勒频移时，必须设置一定的频率冗余度，这样就不能充分利用有限的水声信道带宽。另外，频移键控调制虽然回避了载波相位恢复的问题，但并没有解决多途引起的码间干扰问题。一些系统采用在连续的码元问插入一定的间隔来消除码间干扰，造成通信速率的降低。相移键控调制方式在水声通信中使用开始于上世纪8 0 年代初，有差分相移调制( d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g ，d p s k ) 和绝对相移调制( p s k ) 之分，是发展最快、成果最多的领域【1 】。相移键控具有较高的能量和频谱效率，但多途现象使其面临载波恢复的难题。在相干接收发展中具有里程碑意义的是在接收机中使用了判决反馈均衡器( d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z a t i o n , d f e ) 和8第1 章绪论数字锁相环( d i g i t a lp h a s e - l o c k e dl o o p 。d p l l ) 。然而水声信道的复杂性又使得这一体制面临着众多的理论和技术难剐1 l ，深海信道的多途时延扩展达几百毫秒至数秒，而在浅海通常也有几十毫秒，自适应均衡技术大多仅适用于小的多途时延扩展情况【9 】而无法在深海应用。目前，相移调制通信技术在实际应用中还仅局限于深水垂直信道及近距离水平信道等多途效应影响较小和较为稳定的水声信道中。近年来水声通信新技术研究发展也很迅速，如正交幅度调制( q a m ) 、空间分集技术及与自适应技术的结合1 3 4 - 3 7 1 等。另外，目前被认为是4 g 备选方案的多载波正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 3 8 , 3 9 1 技术，受到水声高速率数据传输的青睐 4 0 - 4 2 1 。但由于o f d m 许多固有缺点使其在水声信道中的应用受限，例如易受多普勒频偏和时变信道的影响、大的峰值平均功率比( p a r ) 及载波间干扰抵消等。国内在该领域起步较晚。自上世纪八十年代中后期，第一批研究单位包括哈尔滨工程大学、中科院声学所和厦门大学，开始研究现代水声数字通信技术。九十年代末至本世纪初，又有7 1 5 所、西北工业大学等单位先后开展了水声通信技术的研究。哈尔滨工程大学多年来取得了一系列成绩，提出了p a t t e r n 时延差编码通信体制【4 ，研究了o f d m 、m f s k 、q p s k 、自适应均衡等技术，信道仿真技术【2 4 】，矢量信号处理及矢量通信技术一5 ，蜘，成功完成了多次湖上和海洋长距离数据和图像传输；中科院声学所对扩谱通信技术进行了研究；厦门大学主要研究了水声语音、图像传输技术 4 7 - 4 9 1 ；西北工业大学主要研究了远程遥控技术 5 0 - 5 3 】；东南大学对水声通信网络中数据链路传输协议等进行了仿真研究【沣钢。相对于西方发达国家，目前国内水声通信技术水平相对落后，其中的一个重要原因是投入太少，无法与美国数十亿美元的投入相比。尽管如此，在点对点通信技术方面国内的跟踪面较宽，几乎研究了文献上所有的信道编码及信道均衡技术，有关的实验研究也较深入，积累了一定的技术储备。西方发达国家对水声通信领域的研究、开发非常重视，包括美国海军水下作战中心( n u w c ) 、美国海军研究局( o n r ) 、美国麻省理工学院( m r r ) 、w o o d sh o l e 海洋研究所、英国海洋研究所( n i o ) 等多家研究单位。目前点对9哈尔滨工程大学博士学位论文点通信已经非常成熟，现重点已发展到水下组网通信。到目前为止，国外一些机构组建、研究的水声信息网近1 0 个，部分己实际使用。例如美海军自1 9 9 8 年起多次进行海洋万维网( s e a w e b ) 【】4 j 的海底无线水声通信网络试验，是一个包括浮标网关、潜艇、a u v 、浮标、船基，卫星、飞机等构成了一个大范围的立体化通信网络，旨在推进未来海军性能最好的水下信息作战系统d a d s ( d e p l o y a b l ea u t o n o m o u sd i s t r i b u t e ds y s t e m ，可部署自治分布系统) ，该系统既可用于全球信息化海战，也可用于信息化的海洋研究与开发；美国建立的水下自治采样网络( a u t o n o m o u so c e a n o g r a p h i cs a m p l i n gn e t w o r k ，a o s n ) ，可以提供多个网络节点间交换数据的功能，主要用于采集不同海洋参数数据；欧共体在m a s t 计划的支持下，发展了一个系列化的水声通信网络研究计划，其中a c m e 计划的目标是适用于浅水通信网络的稳健通信和网络协议，系统目前已进行过两次海试；英国n e w c a s t l e 大学研制出的a c o u s t i cm o d e m 系列，也是为水下通信和网络化通信而服务的。高速、稳健的点对点通信是实现水声通信网络化的基础，以水声调制解调器和组网通信技术为典型的规范化产品的开发和应用逐步得到重视并投入应用。如美国国际水下公司为潜水员开发的8 通道水下无线对讲机，可在潜泳的同时进行语音通信，现己装备美国海军和英国皇家海军；l i n k q u s e t 公司u w m 系列产品以通信速率见长，其中u w m 7 0 0 0 在通信速率5 5 0 0 b p s 时，通信距离可达7 k m ；b e n t h o s 公司于1 9 9 9 年收购了d a t a s o m c 公司，其产品a t m 系列，采用m f s k 调制方式，通信速率1 0 0 - - 2 4 0 0 b p s ，是美国海军主要选用的水声m o d e m ，并被应用于s e a w e b 试验。1 4 水声通信关键技术简介本文涉及多方面水声通信关键技术，包括p a t t e r n 时延差编码水声通信体制及其与混沌扩频通信的结合，单阵元被动式、虚拟式时间反转镜信道均衡技术，多用户通信，分数阶f o u r i e r 变换及移动水声通信技术等，并将这些关键技术有机的结合起来，应用于水声通信中，为构造由静止和移动节点共同组成的水声通信网打下基础。1 0第1 章绪论1 4 1p a t t e r n 时延差编码水声通信体制p a t t e m 时延差编码( p a t t e r nt i m ed e l a ys h i f tc o d i n g ，p d s ) 通信体n t 4 3 , 删是由哈尔滨工程大学在上世纪9 0 年代提出的，该体制属于脉位编码( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n , p p m ) 。脉位编码在【5 8 州无线遥控及超宽带通信中被广泛使用；在水声中，海洋要素( 如温、盐、深等) 的水声遥测婶删也常采用该方式传输信息。p p m 调制具有很多优点：调制电路成熟简单，传输稳定，在速率要求不高的情况下，对信道随机不均匀性有较强的抗干扰能力。p a t t e r n 时延差编码水声通信体制将信息编码技术和信道编码技术相结合，具有抗水声多途干扰韵能力。数字信息调制于p a t t e r n 码出现在码元窗的时延差信息中，不同的时延差值代表不同的信息。图1 5 为p a t t e r n 时延差编码示意图。万- _ 万：刁。 i 塑：丝i0f dt d + t pt o图1 5p a t t e m 时延差编码f i g1 5p a t t e mt i m ed e l a ys h i f tc o d i n g图中乃表示时延差值，为p a t t e r n 码出现在码元窗的位置；死为p a t t e r n 码脉宽；t o 为码元宽度。码元占空比( d u t y c y c l e ) r = 巧t o ，其数值小于1 ，可以节省系统功耗，这对水声通信来说是很有价值的。p d s 通信系统采用码元的多种不同波形( p a t t e r n ) 来进行码元分割，其优点是所占频带较窄，且能稳健地适应水声多途信道通信。另外，还采用频率分割来划分通信频道，在接收端利用带通滤波器来实现通信链信道分割，成倍提高通信速率。p a t t e m 码型选取至关重要，直接关系到p d s 体制抗码间干扰的能力。本文采用移相、移频编码，选取出一组相关性能优良的p a t t e r n 码，但由于所能得到的码型有限且归一化互相关系数略大，需进一步改进。水声信道可用带宽是非常有限的，所以为了选取更多的p a t t e r n 码型，只能加大码元脉宽。本文借鉴混沌扩频通信的码元选取思想，将扩频通信与p d s 通信体制相结合，哈尔滨工程大学博十学位论文提出一种适用于水声环境的通信方案。既获取了扩频通信的一系列优良特性，又明显提高了扩频通信速率，可胜任远程水声通信；其多通道工作方式为实现网络化水声通信奠定了基础。1 4 。2 时间反转镜信道均衡技术1 4 2 1 时间反转镜技术发展简介声学中时间反转的概念是光学中相位共轭法( p h a s ec o n j u g a t i o n p c ) 的引申，频域中的相位共轭法在时域中可以用时间反转法实现。声学时间反转镜( t i m er e v e r s a l m i r r o r , t r m ) 试验首先是在超声领域【7 “，由法国巴黎大学的m a f i n k 教授等人在超声实验室完成的。试验结果表明t r m 可在各种不同的非均匀介质中补偿介质对信号的畸变，形成聚焦；当介质中存在多个目标时，t r m 可通过叠代在反射最强的目标处形成聚焦。该试验同时验证了t r m 技术可在非均匀介质实现最优聚焦，因为t r b t 实现了非均匀介质传递函数的时、空匹配滤波。在非均匀介质中t r m 的聚焦效果较一般的时延聚焦技术更为稳健。删在超声领域中的真正实用性应用是f i n k 教授阮7 3 1 于1 9 9 2 年进行的t r m 粉碎l 肾结石的试验。现在，超声t r m 己应用到实际的工业生产和医学领域 7 4 - 8 3 】，包括超声检测、成像和肾结石、胆结石的粉碎等等，可以克服介质存在的不均匀性所引起的相位差畸变和波形、图像失真。自上世纪八十年代末以来，在水声时间反转镜技术方面进行深入研究的代表人物有美国华盛顿大学应用物理实验室的d r d o w t i n g 教授( 现工作于密歇根州立大学) ，以及美国加利福尼亚大学海洋物理实验室的wa k u p e r m a n 教授。d o w l i n g 教授最早提出主动式时间反转镜 s 4 1 ，对其应用于水声领域作了定义和基本的理论分析，并对各种不同阵型的t r m 技术进行了理论推导【郴】，研究了介质存在运动时对t r v l 性能的影响 8 9 - 9 5 1 ，并首先提出被动式时间反转镜9 印及人工时间反转镜( a r t i f i c i a l t i m er e v e r s a l ) 【朔。k u p e r m a n 教授领导的研究群，在美国海军研究局( o 伍c eo fn a v a lr e s e a r c h o n r ) 的支持下，对时间反转镜进行了试验研究，发表了大量的学术论文，推动了时间反转镜技术在水声中的实用。第一次声学时间反转镜浅1 2第1 章绪论海试验【9 s 】是于1 9 9 6 年4 月在意大利西海岸进行的，这是首次通过海上试验验证了时间反转镜原理。随后，在1 9 9 6 至2 0 0 4 年期闻，几乎每年都要进行一次海上试验 9 5 - 1 0 6 】，取得了可喜的成绩。国内声学时间反转镜超声技术的研究起步较晚，中国科学院声学研究所在汪承灏院士【1 0 7 以1 3 1 领导下先后进行了流体、固体、分层介质及弯曲表面等介质中时间反转镜自适应聚焦和检测的理论、实验研究，并研制了数字式时间反