水下声信道ch3

1、1水下声信道水下声信道Underwater AcousticUnderwater Acoustic主讲 生雪莉 副教授2Chapter 3 Coherent Multipath ChannelsContents3.1 System Function of Multipath Channels3.2 Copy Correlator & Matched Filter3.3 Ambiguity3.4 The Response of Copy Correlation in Multipath Channels3.5 Adaptive Correlator3.6 The Response of

2、Adaptive Correlator in Multipath Channels3.7 Cross-Correlators Behavior in Multipath Channels3.8 Matched Field Processing23Chapter 3 Coherent Multipath Channelsl 非但要预报非但要预报TL，还要讨论信道对信号波形的变换，还要讨论信道对信号波形的变换l 海洋信道是海洋信道是部分相干部分相干，部分非相干部分非相干的的l 90%的前向传播能量是相干的的前向传播能量是相干的4相关：描述两路信号波形相像程度。相关：描述两路信号波形相像程度。Cha

3、pter 3 Coherent Multipath Channels相干：相位信息可利用，可进行有效相干处理。相干：相位信息可利用，可进行有效相干处理。2121221( )()lim( )()TTTx t x tx t x tdtT各态历经21221( )( )()TTRx t x tdtTmax( )1R max( )0R 完全相关，波形相同完全相关，波形相同不相关，波形不相像不相关，波形不相像5Chapter 3 Coherent Multipath Channels思考：什么是相关思考：什么是相关？什么是相干什么是相干？二者有何关系二者有何关系？相干是相关的必要条件相关相干相干相关不相关

4、不相干独立不相关，不相关独立不相干独立6Chapter 3 Coherent Multipath Channels例如：例如：11( )( )( )x ts th t22( )( )( )x ts th t121212( )()( )( )()()( )()( )()x t x ts th ts th ts t s th t h t若若 和和 相差很大，相差很大， 和和 不相关不相关 但但 和和 是相干的是相干的 1( )Hf2( )Hf2( )x t1( )x t1( )x t2( )x t相干是指相位信息可利用相干是指相位信息可利用相干处理增益高于能量处相干处理增益高于能量处理理思考：直达

5、声和反射声，相干思考：直达声和反射声，相干？相关相关？7Chapter 3 Coherent Multipath Channels相干多途信道相干多途信道确定性信道确定性信道非但关注传播损失非但关注传播损失TL，尤其关注波形变换，尤其关注波形变换多途效应：多途效应：脉冲信号被展宽，波形被畸变脉冲信号被展宽，波形被畸变 频谱被变换，频谱没有展宽频谱被变换，频谱没有展宽 接收信号与源信号相关性减弱接收信号与源信号相关性减弱 接收信号与源信号是相干的接收信号与源信号是相干的8Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.1 System Function of Mul

6、tipath Channel模型的前提模型的前提 平整海面和海底，分层介质是确定性的，发射和接收传感器静止平整海面和海底，分层介质是确定性的，发射和接收传感器静止 不动，没有色散不动，没有色散 多途相干信道被看作一个时不变滤波器多途相干信道被看作一个时不变滤波器相干多途信道模型的描述相干多途信道模型的描述从声源发出的信号从声源发出的信号沿各种不同的途径到达接收点沿各种不同的途径到达接收点，它们，它们互相干涉叠加互相干涉叠加，从而产生复杂的空间干涉图案和复杂的滤波特性，接收信号因而产生畸从而产生复杂的空间干涉图案和复杂的滤波特性，接收信号因而产生畸变，而和发射波形有重大区别变，而和发射波形有重大

7、区别9Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.1 System Function of Multipath Channel本征声线：本征声线：通过接收点的一簇声线通过接收点的一簇声线 ，决定信道冲激响应函数，决定信道冲激响应函数时不变系统时不变系统(,)iiA 互相干涉叠加互相干涉叠加( )()NiiiyA S()iiA S 沿各种不同的途径到达接收点沿各种不同的途径到达接收点10Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.1 System Function of Multipath Channel( )( )( )Y f

8、S fH f( )()( )( )( )()NiiiNiiiy tA ss th ts tA ( )()NiiihA 2( )iNjfiiH fAe 只需计算本征声线只需计算本征声线(,)iiA，即可计算信道的系统函数，即可计算信道的系统函数( )( )FThH f 声信道是线性时不变的声信道是线性时不变的 冲激响应函数的傅里叶变换是系统的系统函数冲激响应函数的傅里叶变换是系统的系统函数 怎么得到怎么得到( ),( )hH f11Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.1 System Function of Multipath Channel 相干多途信

9、道特点：相干多途信道特点： 时域特性时域特性时延展宽时延展宽12Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.1 System Function of Multipath Channel 幅频特性幅频特性 相频特性相频特性深海信道的传输函数例子幅频特性深海信道的传输函数例子幅频特性 深海信道的传输函数例子相频特性深海信道的传输函数例子相频特性 不是全通滤波器不是全通滤波器是梳状滤波器是梳状滤波器非线性相位非线性相位 相干多途信道特点：相干多途信道特点：13Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.1 System Functi

10、on of Multipath Channel相相干干多多途途信信道道特特点点 存在确定性时延扩展存在确定性时延扩展 对波形和频谱进行确定性变换对波形和频谱进行确定性变换 对信号波形产生了畸变对信号波形产生了畸变 没有频率展宽没有频率展宽 是一梳状滤波器是一梳状滤波器 相间出现子通带和止带相间出现子通带和止带 平均子通带宽，平均止带宽平均子通带宽，平均止带宽平均子通带宽通带占有率平均止带宽平均子通带宽14Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.1 System Function of Multipath ChannelFT1222dBB12,dBB时延扩展

11、，例如：例如：1280256,300dms BHzms BHz,2BTFT影响相干多途信道的因素：影响相干多途信道的因素：15Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.1 System Function of Multipath Channel00.050.10.150.20.250.30.35-2-1.5-1-0.500.511.52t/s8009001000110012001300140015001600170000.10.20.30.40.50.60.70.80.91f/Hz归一化幅度00.010.020.030.040.050.060.070.080

12、.090.1-2-1012345678x 10-4time/s8009001000110012001300140015001600170000.10.20.30.40.50.60.70.80.91f/Hz归一化幅度16Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.1 System Function of Multipath Channel均匀层浅海传输函数的例子均匀层浅海传输函数的例子负梯度浅海传输函数的例子负梯度浅海传输函数的例子17Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.1 System Function of Mult

13、ipath Channel相干多途信道特点：相干多途信道特点： 良好水文子通带大，良好水文子通带大， 恶劣水文子通带窄恶劣水文子通带窄 正梯度水文子通带大，正梯度水文子通带大， 负梯度水文子通带窄负梯度水文子通带窄 浅海子通带大，浅海子通带大， 深海子通带窄深海子通带窄 相干多途信道对声纳设计、应用的启示相干多途信道对声纳设计、应用的启示思考：正梯度水文子通带大，思考：正梯度水文子通带大， 负梯度水文子通带窄负梯度水文子通带窄？18Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.2 Copy Correlator & Matched Filter介绍了相干

14、多途信道后，须研究介绍了相干多途信道后，须研究相干处理相干处理首先研究首先研究下，主动声呐的下，主动声呐的最佳处理器最佳处理器理想条件：理想条件：信号是确知的（除了幅度和到达时间以外）信号是确知的（除了幅度和到达时间以外）背景干扰是白色的，背景干扰是白色的，平稳的平稳的信号和干扰相互独立信号和干扰相互独立最佳准则：最佳准则：输出最大信噪比输出最大信噪比19Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.2 Copy Correlator & Matched Filter 匹配滤波器的物理概念：匹配滤波器的物理概念：若信号为：若信号为：( )( )FTs t

15、S f输出各频率分量同相迭加：输出各频率分量同相迭加：()( )( )jfS fS fe2()()( )( )( )( )jffY fS fH fS fe一般来说：一般来说：()22( )( )( )jfjftjftH fH feeSfe)()()(fjefSfH20Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.2 Copy Correlator & Matched Filter*01( )()h tkz tt在理想条件下，信号在理想条件下，信号 的最佳滤波器是匹配滤波器的最佳滤波器是匹配滤波器( )z t0,)()()(12*0fefkZfHfHftj

16、 拷贝相关器的物理概念：拷贝相关器的物理概念：21Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.2 Copy Correlator & Matched Filter证明：证明：干扰是白色的，故设干扰是白色的，故设0( )/2N fN20( ) d2NNIH ff目标信号目标信号( )( )FTz tZ f22( )( )djftSIZ f H f ef输出信杂比输出信杂比d为：为：2220( )( )d( ) d2jftZ f H f efdNH ff 最佳准则：最佳准则： 输出最大信噪比输出最大信噪比22Chapter 3 Coherent Multi

17、path Channels3.2 Copy Correlator & Matched Filter证明：证明：输出信杂比输出信杂比d为：为：使之最大化，利用施瓦茨不等式使之最大化，利用施瓦茨不等式:bababaxxvxxuxxvxud)(d)(d)()(222为解析函数为解析函数( )( )u xv x、当当)()(*xkvxu，即，即2( )( )jftH fk Zfe时，上式取等号时，上式取等号0,)()()(12*0fefkZfHfHftj2220( )( )d( ) d2jftZ f H f efdNH ff23Chapter 3 Coherent Multipath Chan

18、nels3.2 Copy Correlator & Matched Filter 匹配滤波器的输出信噪比匹配滤波器的输出信噪比22222000( )( )d( )( )d( ) d( ) d222jftZ f H f efZ f ZffdNNH ffH ffEN02N信号总能量信号总能量2( )( )jftH fk Zfe2( ) dEZ ff噪声功率谱密度噪声功率谱密度24Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.2 Copy Correlator & Matched Filter 匹配滤波器的频域输出及特征匹配滤波器的频域输出及特征12(

19、 )( )jftH fK Zf e0110222()()2()( )( )( )( )( )( )jftjftjffjf ttY fZ fH fK Z fZf eeK Z fee02()( )( )jftjfZ fZ fee输入：输入：滤波器系统函数：滤波器系统函数：输出：输出：思考：思考： 的物理意义是什么的物理意义是什么？12jfte25Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.2 Copy Correlator & Matched Filter 匹配滤波器的时域输出及特征匹配滤波器的时域输出及特征0()z tt输入：输入：滤波器系统函数：滤波器

20、系统函数：输出：输出：*01( )()h tkz tt匹配滤波拷贝相关思考：匹配滤波和拷贝相关分别描述的匹配滤波器的什么特性思考：匹配滤波和拷贝相关分别描述的匹配滤波器的什么特性？二者为二者为何等价何等价？26Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.2 Copy Correlator & Matched Filter002/222/()E NBEBSTGBTSNBSS输出功率信噪比输入功率信噪比 匹配滤波器的信噪比增益匹配滤波器的信噪比增益信号总能量信号总能量信号总平均功率信号总平均功率噪声功率谱密度噪声功率谱密度带宽带宽时间长度时间长度SET02

21、NBTE27Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.2 Copy Correlator & Matched FilterX 增益与信号参数的关系增益与信号参数的关系 B增大，增大，G增大增大 T增大，增大，G增大增大实际上，以谱级定义的信杂比增益为：实际上，以谱级定义的信杂比增益为：10log210log2(1)10GBTTBTG当，X 输出信杂比与波形无关输出信杂比与波形无关X 若为长若为长CW脉冲，脉冲，FFT（样本长度为脉宽）是匹配滤波器（样本长度为脉宽）是匹配滤波器02,EdESTN2GBT思考：思考：若为长若为长CW脉冲，脉冲，FFT（样

22、本长度为脉宽）是匹配滤波器（样本长度为脉宽）是匹配滤波器？28Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.2 Copy Correlator & Matched FilterX 拷贝相关器的工程实现拷贝相关器的工程实现不幸在海洋中，多途信道畸变了波形，接收波形不不幸在海洋中，多途信道畸变了波形，接收波形不是确知的，有相关损失是确知的，有相关损失X 拷贝相关器的工程限制拷贝相关器的工程限制29Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.3 Ambiguity 模糊度函数是拷贝相关器有多普勒频移和时延差时的输出，模糊度函数

23、是拷贝相关器有多普勒频移和时延差时的输出，它是信号的属性它是信号的属性 由于相关器是最佳滤波器，所以模糊度函数十分重要由于相关器是最佳滤波器，所以模糊度函数十分重要 相关器是最佳的时延差估计器相关器是最佳的时延差估计器 模糊度函数描述了信号的时移差和多普勒频率的测量特性，模糊度函数描述了信号的时移差和多普勒频率的测量特性，描述了信号的测量特性描述了信号的测量特性 时延差的测量能力，频率测量能力是首先受信号波形限制的时延差的测量能力，频率测量能力是首先受信号波形限制的Chapter 3 Coherent Multipath Channels接收信号只有时延变化时接收信号只有时延变化时011012

24、22()()2()( )( )( )( )( )( )jftjftjffjf ttY fZfH fZ fZf eeZ fee00212()( )( )( )jftjftjfZfZ f eZ fee101( )( )( )() ()y tz th tKz tt z tt dt接收信号有时延、频移变化时接收信号有时延、频移变化时0101012202()()2()0( )( )( )()()()jftjftjfvfvjf ttY fZfH fZ fvZfv eeZ fvee000210()20( )()()jftjfvjftZfZ fv eZ fvee012201( )( )( )()( , )jv

25、 tjvty tz th tz ttvez tt edt 31Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.3 Ambiguity001202021*2()()( , )d)jvtjv tjfttjfz tt eZ fvzvdtfett eZfv e X 只和信号有关只和信号有关( , )v X 01220( )()()jftjftY fZ fvZfv ee10*( ,0)( )()(d)()dtz t z tz ttz ttt X *(0,0)( )( )d( ) ( )dz t z ttZf Z ff32Chapter 3 Coherent Multipat

26、h Channels3.3 Ambiguity不作证明，给出模糊度函数的特性：不作证明，给出模糊度函数的特性：1)0 , 0(1)0 , 0(),(v1dd),(2vv),(),(vv 33Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.3 AmbiguityX 时间（距离）分辨力和频率（速度）分辨力时间（距离）分辨力和频率（速度）分辨力001202021*2()()( , )d)jvtjv tjjfttfz tt eZ fv evdtz tt ev efZf 121*2( )( )( , )d()()jvtjftz t z tt eZfvvdtfeZ f 34C

27、hapter 3 Coherent Multipath Channels3.3 Ambiguity模糊度函数曲面下的体积为常数！模糊度函数曲面下的体积为常数！线性调频脉冲的模糊度函数线性调频脉冲的模糊度函数CW脉冲的脉冲的 的模糊度函数的模糊度函数35Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.3 Ambiguity V形调频脉冲的模糊度函数形调频脉冲的模糊度函数X 设计信号使模糊度函数主峰极窄，则体积在裙边中设计信号使模糊度函数主峰极窄，则体积在裙边中图钉函数图钉函数114122BTTB11fTB 宽带长脉冲是图钉函数36Chapter 3 Coherent

28、 Multipath Channels3.4 The Response of Copy Correlation in Multipath Channels拷贝相关器在时不变信拷贝相关器在时不变信道中的工作原理图道中的工作原理图 NiiitAth10)()(0011( )( )( )( )()()NNiiiiiis tz th tz tAtAz t*01*0011( )( )()d()()d()()d(,0)NiiiNNiiiiiiRs t z ttAz tz ttAz tz ttA 0000( ,0)( ,0)(,0)()()diiiiRz tz tt 001202021*2()()( , )

29、d)jvtjv tjjfttfz tt eZ fv evdtz tt ev efZf 若信号带宽很宽，则多途在若信号带宽很宽，则多途在时延上可分辨，相关器输出时延上可分辨，相关器输出一系列峰和旁瓣，像噪声，一系列峰和旁瓣，像噪声，不能综合多途能量不能综合多途能量37Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.4 The Response of Copy Correlation in Multipath Channels 海洋信道冲激响应海洋信道冲激响应LFM拷贝相关输出拷贝相关输出38Chapter 3 Coherent Multipath Channels3

30、.5 Adaptive Correlator拷贝相关器在多途干涉条件下有相关损失及信道失配。拷贝相关器在多途干涉条件下有相关损失及信道失配。如何与多途如何与多途信道匹配信道匹配 自适应相关器自适应相关器 脉冲序列自适应增强器脉冲序列自适应增强器 自适应线谱增强自适应线谱增强FFTFFT平均周期图平均周期图 信道特性时变、空变，只有自适应处理器才能与信道匹配！信道特性时变、空变，只有自适应处理器才能与信道匹配！自适应信号处理自适应信号处理 美美 B. 维德罗维德罗梁国龙教授梁国龙教授 “现代信号处理现代信号处理”参考书参考书: :39Chapter 3 Coherent Multipath Ch

31、annels3.5 Adaptive Correlator自适应相关器原理图自适应相关器原理图 ( )( )( )m ts tn t)(ty)(t40Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.5 Adaptive Correlator)(kd41Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.5 Adaptive Correlator自适应相关输出波形峰选序列自适应相关输出波形峰选序列42Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.6 The Response of Adaptive Corre

32、lator in Multipath Channels1( )( )( )( )( )( )()( )Nioiix ts tn tz th tn tAz tn t只考虑信号分量只考虑信号分量*11112111()( )()()(,0)( )(,0)NNssijoiojijNNijojoiijNNNiijojoijijijRAAz tz tAAAAA 大量大量综合了多途能量综合了多途能量小量小量实验证明：有实验证明：有3dB8dB思考：自适应相关器在相干多途信道中提高检测能力的基本原理？思考：自适应相关器在相干多途信道中提高检测能力的基本原理？43Chapter 3 Coherent Multi

33、path Channels3.7 Cross-Correlators Behavior in Multipath Channels 声纳信号处理是时空处理，理论上说须时空统一处理，工程上是声纳信号处理是时空处理，理论上说须时空统一处理，工程上是时间和空间处理分开进行的时间和空间处理分开进行的空间处理方法空间处理方法：X 多波束，形成窄波束，空间增益为指向性增益多波束，形成窄波束，空间增益为指向性增益10log10logsDIGN无指向性接收干扰声强指向性接收干扰声强条件：各向同性干扰场，各阵元独立条件：各向同性干扰场，各阵元独立44Chapter 3 Coherent Multipath Ch

34、annels3.7 Cross-Correlators Behavior in Multipath Channels空间处理方法空间处理方法：X 分裂阵互相关分裂阵互相关思考：理想条件下，相关是最优的时延估计器？思考：理想条件下，相关是最优的时延估计器？45Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.7 Cross-Correlators Behavior in Multipath Channels 阵信号处理阵信号处理阵信号处理是声纳中最重要的信号处理，以等间距直线阵为例：阵信号处理是声纳中最重要的信号处理，以等间距直线阵为例： 各阵元的干扰是互相独立的各阵

35、元的干扰是互相独立的在各向同性噪声场中，干扰的空间相关半径为在各向同性噪声场中，干扰的空间相关半径为246Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.7 Cross-Correlators Behavior in Multipath Channels 满足空间采样定理满足空间采样定理 输入输入否则波束有栅瓣，有负极大否则波束有栅瓣，有负极大2d平面波假定：目标在远场，信道是相干的平面波假定：目标在远场，信道是相干的 平面波假定平面波假定 输出输出)(),(),()()(21txtxtxtXtxNTidcitxtytynniniin1sin)()()( 引导方位

36、引导方位sinndc47Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.7 Cross-Correlators Behavior in Multipath Channels1212( , )( , )(,)Rxtxt rr( , )( , )( )iiiixtstn trr 互相关的输出什么样互相关的输出什么样 互相关为何提高检测能力互相关为何提高检测能力48Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.7 Cross-Correlators Behavior in Multipath Channels模型（模型（Model）121

37、2( , )( , )( )(,)( )( , )(,)()Rstn tstn tstst rrrr小量121212212( , )()()()()(),iijjijzijijijiziijzijijiijRAz tA z tA AAA Aij 大量大量小量小量1212( , )( , )(,)Rxtxt rr49Chapter 3 Coherent Multipath Channels3.7 Cross-Correlators Behavior in Multipath Channels互相关抗干扰原理互相关抗干扰原理X 两个基元分得足够开两个基元分得足够开 干扰是互相独立的干扰是互相独立的 信号是相关的信号是相关的 二个阵元间距小于信道相干长度二个阵元间距小于信道相干长度X 测向原理测向原理12112sinsinidccd