[发明专利]基于单阵元被动时反“双扩展”效应的信号检测及定位方法

说明书

技术领域

本发明属于浅海信道信号检测领域，涉及信号检测、水声通信两个学科。主要涉及一种基于单阵元被动时反“双扩展”效应的信号检测及定位方法。

背景技术

作为水声信息传输通道的海洋介质是复杂多变的，其水声信道具有时变、空变、频变特性。由于传播损失，多径效应，频散效应，水中的不均匀性，边界的不平整等等，均会引起不同类型的畸变，从而使信号处理的工作复杂化。时反处理是近年来水声信号处理技术研究中的一个热点。它在静态声场的基础上，利用声场传输的收发互易性，实现了接收的时反信号在时间上和空间上的聚焦。水声时反的空时聚焦性能主要源于波动方程时反不变性，即水声信道的互易性。基于多径信道，时反可以自适应修正多径信道的各个路径的时延差，使时反后的接收信号在时域窗上同相叠加从而聚焦，因此时反聚焦要求水声信道保持时不变性。基于被动时反信号检测方式，国内外学者就水声信道时不变性给出了被动时反的多种应用：单阵元定位、垂直阵定位、迭代时反技术、混响抑制、基于前向预测的混响抑制以及结合自适应均衡的水声通信等等。

单阵元定位是利用矢量传感器来获取水压的矢量信息，从而对目标方位进行估计；垂直阵定位在利用时延估计目标方位的基础上，通过时反能量聚焦技术达到远距离目标定位的能力；迭代时反技术源于时反聚焦，迭代多次时反可获得更好地有效信号聚焦性能，使系统处理增益得到提高以及达到多目标识别的选择性聚焦能力；混响抑制及基于前向预测的混响抑制是在混响传统抑制方法的基础上，通过比较得出时反在混响抑制上更为优越；结合自适应均衡的水声通信从码间干扰出发比较传统的均衡方法和时反法，由于时反可以自适应匹配信道从而有效消除码间干扰，相比传统的均衡方法要好。以上这些应用的前提主要是基于信道时不变性出发，即假设在阵元检测、定位或者通信的过程中，信道冲击响应函数保持不变，而实际水声信道是时间以及空间的复杂函数，不可能保持恒定不变。尤其当目标、阵元存在相对运动下，信道冲击响应函数会随着目标以及阵元的位置变化而发生改变，从而发生时延扩展及频率扩展，因此结合时反聚焦研究实际水声信道信号检测非常必要。

对于目标、阵元存在相对运动时，阵元接收信号相比目标信号发生多普勒频移，而多径信道的存在会产生时延扩展造成接收信号相干。目前相位相干通信在水声通信中的应用越来越广，但接发双方存在的相对运动降低了相干检测时码元同步的精度，造成自适应均衡器的发散，导致相干接收机算法性能下降，甚至无法正常工作。所以要改善通信质量特别是运动环境下的通信质量，必须对多普勒进行跟踪和补偿。已有的水声通信中多普勒估计都是基于模糊函数方法，其实现的方法有两类：一种是多普勒频移预估计方法，另一种估计方法是多普勒频移块估计方法。

多普勒频移预估计方法基于每一帧信号的开始都将发射一段训练信号，通过模糊函数的方法粗略估计出多普勒频移大小后，去除接收信号中的偏移频率，然后通过对信号作插值处理，完成补偿；多普勒频移块估计方法根据多普勒频移会引起信号时间长度变化的性质，利用数据帧长的变化来估计多普勒频移，采用线性插值进行多普勒频移的补偿。以上这两种方法对于一条路径传播下的多普勒频偏能有效估计，但对于多径信道下存在时延和多普勒频移分量却无法有效估计。因此针对“双扩展”效应，即多径信道时延扩展和多普勒频率扩展两种情况下，基于单阵元如何结合被动时反进行有效检测目标信号是本发明的出发点。综合上述水声通信内容可知，本发明虽然主要基于水声信号检测领域进行研究，但同时对水声通信质量的提高也很有帮助。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于单阵元被动时反“双扩展”效应的信号检测及定位方法，不仅可以弥补多径信道各个路径时延，还能恢复目标信号频率消除频率扩展影响，从而同相叠加形成声源主频率上的能量聚焦。

本发明的思想在于：时不变性下的时反研究已经较为深入。相比传统的信号检测方法，时反法简单采取“先进后出”的措施处理接收信号，使信道冲击响应函数自适应匹配而无需如传统信号检测方法要求对信道进行估计，从而自动减小了信道估计的误差。在信道匹配的基础上，时反进一步使接收信号在时域或空域达到能量聚焦，提高了系统处理增益，提供了有效检测信号新方法。因此，利用被动方式下的时反法进行信号检测不但简洁方便，而且性能更加优越。