一种水下探测通信一体化发射信号设计与处理方法

技术领域

本发明属于水下目标探测技术领域以及水声通信技术领域，特别是涉及水下探测通信一体化发射端的信号设计和接收端信号处理方法。

背景技术

探测通信一体化技术(Integrated System of Underwater Detection andCommunication，ISUDC)研究起源于空中雷达，经过可行性分析、理论研究与试验验证，现已经应用到相关装备中。由于雷达可用频带宽、阵列孔径大、电磁波传播速度快，雷达通信一体化系统常采用分时、分频以及分波束等工作体制。

但是对于水下的声呐系统，由于可用频带窄、阵列孔径小且水声传播速度慢，如果采用分时工作体制，探测盲区大；而有限的带宽也不适合使用分频工作体制；分波束体制需要大孔径阵列以获得尖锐的波束，同时能量被分割，降低了探测、通信距离。与之相比，全共享体制通过发射共用的波形，其共享程度高，频谱、能量利用率高，使其成为越来越受关注的研究方向。但全共享信号使探测与通信同时在同频段进行，后续信号处理较为困难，如何设计全共享信号以及相关信号的处理方法研究，成为水下探测通信一体化研究的重点。

在全共享体制中，全共享信号主要分为三类：通信与探测独立产生波形叠加的全共享波形、基于目标探测波形的全共享波形、基于通信波形的全共享波形。由于水下的特殊性，广义正弦调频(Generalized Sinusoidal Frequency Modulation，GSFM)被用于水下主动声呐的目标探测领域。GSFM信号与传统脉冲探测信号不同，是连续信号，可以有效降低虚警概率。而且，GSFM信号彼此几乎正交，即使在占用相同频带的情况下，它们也具有近似的模糊函数(AF)，在距离和多普勒频移方面具有近距离目标的最佳分辨率。与此同时，考虑到将通信的基带信号作为通信信息的载体，并将其调制为GSFM信号的形式，即使用通信基带信号与GSFM探测信号的乘积作为一体化波形，这样即保证了探测性能，又可以充分利用探测波形能量携带通信信息，保证了一体化波形的通信性能。因此，将GSFM信号和通信基带信号乘积作为水下探测通信一体化信号的设计是切实可行的。

但是，由于采用了基于探测波形的全共享波形的体制，在双基地或者多基地声呐系统中，接收端所接收的通信信号和目标探测回波信号之间混叠，很难从一体化信号之中单独的分离出通信信号和目标测信回波信号，且接收端对于发射端原始发射信号的未知，这对之后的通信信号解码，直达波信号抵消以及探测信号恢复等造成了很大的困难。现有的信号处理方法主要集中在将接收端信号默认为通信或探测信号分别处理，或者通过提前在接收端输入发射的探测信号波形解决。然而，实际情况下，分别处理会造成需要专门的通信接收和探测接收，系统会过于复杂，而且，接收信号的波形会随着水下信道的变化产生畸变，传统方法难以应对水下时变复杂的环境，如何快速正确的对水下时变情况下一体化信号进行处理就显得至关重要。

发明内容

为了解决现有多基地水下探测通信一体化信号分离困难的问题，本发明提出一种基于多基地的水下探测通信一体化信号设计方法，以及相应的接收端信号处理方法。该方法充分利用广义正弦调频(Generalized Sinusoidal Frequency Modulation，GSFM)信号正交性强，分辨率良好的特点，将GSFM信号作为一体化信号的载体；首先利用探测信号与通信信号的基带信号乘积作为一体化信号，使得通信信号充分利用探测信号的能量；然后利用一种改进的单通道盲分离算法，对接收端信号进行分离，得到独立的探测信号和通信信号，最后对分离后的通信信号进行解码，对分离后的探测信号进行直达波信号抵消以及目标探测处理。

本发明的技术方案为：

一种水下探测通信一体化发射信号设计与处理方法：

在发射端，产生并发射信号的过程为：

步骤1：将所需发送的通信信息进行编码，通过通信信号调制方法，得到相对应的通信基带信号；

步骤2：使用GSFM信号作为探测信号与步骤1中所得通信基带信号相乘，得到一体化发射信号波形；

步骤3：将一体化发射信号波形经过波形产生器，功率放大器之后，通过发射基阵发射；

在接收端，接收信号的过程为：

步骤4：对接收信号加一个常数值，之后取对数，转化为加性信号形式；对于得到的加性信号进行归一化处理，再将归一化的向量数据进行白化处理；

步骤5：对得到的白化信号进行盲分离，得到分离矩阵；

步骤6：将步骤5得到的分离矩阵与取对数的接收信号相乘，得到分离后的矩阵，对分离出来的波形分别进行恢复，得到分离出来的探测信号和通信信号波形；

步骤7：将所分离出来的通信信号进行解码，恢复得到通信信息；所分离出来的探测信号，用于阵列信号处理。

进一步的，步骤1中采用最小高斯频移键控GMSK方法将编码调制为通信基带信号。

进一步的，采用最小高斯频移键控GMSK方法将编码调制为通信基带信号的具体过程为：

若在一个脉冲内，要发送给用户的符号序列为：

a

其中，M为调制顺序，N

其中，h是GMSK信号的调制指数，T

其中，对于GMSK其整形脉冲g(t)表示为：

其中，B表示GMSK调制过程中3dB带宽，

进一步的，步骤2中，得到一体化发射信号波形为

S

其中S

式中rect(t)为矩形函数，T是信号脉宽，f

式中调制指数

进一步的，步骤4中，假设接收到的观测信号表达为X，则加性信号为X

进一步的，步骤5中，对得到的白化信号进行盲分离的过程为：

步骤5.1：首先初始化分离矩阵ω；

步骤5.2：获得新的分离矩阵，表示为：

ω

其中白化后的向量表示为X

步骤5.3：对ω

步骤5.4：令

根据该迭代步骤，最终得到收敛的分离矩阵ω

进一步的，步骤6中，将步骤5得到的分离矩阵ω

Y＝ω

其中，Y＝[X

对分离出来的波形分别进行恢复，就可以得到分离出来的探测信号和通信信号波形，即：

J为盲分离并还原出来的探测信号波形和通信信号波形所表示的矩阵，即J＝[X

有益效果

本发明设计了一种探测通信一体化波形并提出了相对应的信号处理方法。信号发射部分以广义正弦调频信号作为载体，与通信基带信号相乘作为发射信号。在接收端使用一种改进的盲分离算法作为信号处理方法。

本发明的优点在于：

(1)做到水下探测通信一体化，设计出的波形具有同时探测和通信的能力；

(2)设计出的一体化波形对应信号处理算法，可以分离一体化信号，分别得到探测和通信信号；

(3)使用盲分离的算法，在未知发射波形的情况下，可以在接收端对信号进行分离，且保证了通信性能和探测性能；

(4)在通信误码率较高情况下，依然可以保证探测效果，依然可以保证一体化信号的相关性，保证一体化信号探测性能；

(5)处理后的信号进行通信解码以及探测信号恢复更方便直观。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1水下多基地探测通信一体化波形设计及处理流程图

图2一种基于水下的乘性信号盲分离算法流程图

图3最小高斯频移键控信号作为通信基带信号时一体化波形宽带模糊函数

图4分离出的通信信号与原始通信信号波形

图5分离出的通信信号与原始通信信号误码率曲线

图6分离出探测信号和原始探测信号互相关峰均比

图7不同通信误码率和信噪比下一体化信号与原始一体化信号互相关的峰均比曲线

图8不同通信误码率和信噪比下分离出探测信号与原始探测信号互相关峰均比曲线

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中的水下探测通信一体化信号设计与处理方法，其原理流程图如图1所示，具体步骤为：

在多基地的发射端，产生并发射信号的过程为：

步骤1：将所需发送的通信信息进行编码，通过任意一种通信信号调制方法，得到相对应的通信基带信号。

本实施例中，将所需发送的通信信息进行编码，通过调制得到相对应的基带通信信号S

若在一个脉冲内，要发送给用户的符号序列为：

a

其中，M为调制顺序，N

其中，h是GMSK信号的调制指数，它决定了该信号在每个符号周期内的相位变化量。随着h的增加，一个符号周期内就会越容易区分时域和频域。T

其中，对于GMSK，其整形脉冲g(t)可以表示为：

其中，B表示GMSK调制过程中3dB带宽，

步骤2：使用GSFM信号作为探测信号与步骤1中所得通信基带信号相乘，得到一体化发射信号波形。

为了充分利用探测波形能量，本实施例设计的信号为乘性信号。

GSFM信号属于调频信号，波形表达式为：

式中rect(t)为矩形函数，T是信号脉宽，f

式中调制指数

使用得到的GSFM信号与步骤1中所得通信基带信号相乘，得到探测通信一体化发射信号波形S

S

步骤3：一体化发射信号波形S

在多基地的接收端，接收信号的过程为：

在接收端，这里采用一种改进的单通道盲分离算法对接收到的信号进行处理，假设接收到的观测信号表达为X。

步骤4：在接收端使用盲分离算法对探测通信信号分离，由于盲分离算法只能分离加性信号，所以在接收端对观测信号取对数，将相乘的信号转变为加的形式，同时为避免信号中出现负值，先对接收到的信号加一个常数值K，之后取对数，转化为加性信号形式后进行后续处理。即X

对于得到的加性信号进行归一化处理，即减去其均值使其具有零均值。在进行归一化后，对向量数据进行白化处理：对取对数后的观测向量X

/>

其中，E是X

步骤5：对得到的白化信号进行盲分离，其算法流程图如图2所示，具体分离算法迭代过程为：

步骤5.1：首先初始化分离矩阵ω。

步骤5.2：获得新的分离矩阵，表示为：

ω

其中白化后的向量表示为X

步骤5.3：对ω

步骤5.4：令

根据该迭代步骤，最终得到收敛的分离矩阵ω

步骤6：将步骤5得到的分离矩阵ω

Y＝ω

其中，Y＝[X

对分离出来的波形分别进行恢复，就可以得到分离出来的探测信号和通信信号波形，即：

J为盲分离并还原出来的探测信号波形和通信信号波形所表示的矩阵，即J＝[X

步骤7：将所分离出来的通信信号进行解码，恢复得到通信信息；所分离出来的探测信号，可以用于探测信号波形恢复，直达波信号抵消等阵列信号处理。

为说明本发明提出波形设计方法可以有效的运用于水下探测，对发射波形S

为说明本发明所提出信号分离算法的有效性，模拟当采取本方法得到的波形经过水声信道的传播，在不同的环境噪声下，接收端使用本发明提出的算法，分离出探测信号和通信信号。在分离通信信号性能方面，分离出来的通信信号波形如图4所示，可以看出分离后的信号更直观的表示了通信波形。同时通信误码率也通常检验分离一体化信号效果，如图5所示，在误码率上，所使用的盲分离算法也保证了通信误码率，通信性能良好。在分离出探测信号性能方面，如图6所示，用分离出来的探测信号与原始探测信号做互相关的峰均比，与原始探测信号自相关的峰均比做对比，可以看出，本发明提出的基于水下信道的盲分离算法，可以有效的分离出探测信号，且分离出的探测信号与原探测信号相关性较强，这可以有利于之后在接收端的波形恢复以及直达波干扰消除工作。

现有的方法很少考虑在探测通信一体化中，如果发生通信误码，是否会影响系统的探测性能，本实例在通信信号编码时加入一定的误码率，模拟通信信号产生误码情况下的一体化波形，经过水声信道的传播，在不同的环境噪声下，接收端使用本发明提出的算法，分离出探测信号和通信信号。分别求得一体化信号与原始一体化信号互相关的峰均比曲线和分离出探测信号与原始探测信号互相关峰均比曲线，如图7和图8所示，可以看出，在不同通信误码率情况下，对于一体化波形和分离出的探测信号并不会产生大的影响，这对于之后双基地接收端一体化波形的恢复和直达波干扰的抵消十分重要，也证明了本发明提出波形设计算法和对应盲分离处理算法的优越性。

综上所述，本发明提供了水下探测通信一体化发射信号设计与处理方法。在发射端使用GSFM信号与通信基带信号相乘，得到一体化发射信号波形。并提出为了接收端将会使用盲分离算法对探测通信信号分离，盲分离算法只能分离加性信号，考虑在接收端对观测信号取对数，为避免信号中出现负值，在发射端先分别对探测信号和通信信号加入一个常数值。在接收端，采用一种新的适用于水下探测通信一体化波形的盲分离算法对信号进行处理。本发明提出的波形设计方法，设计出的波形相关性强，充分利用了探测信号的能量，且对通信信号误码的抗误码性能强，在高误码率的情况下依旧可以保持较好的探测性能。与之相对应的提出的适用于水下探测通信一体化波形的盲分离算法，可以较好的分离出探测信号与通信信号且更加直观，分离出的探测信号与原始探测信号相关性强，在高通信误码的情况下依旧保持较好的相关性，这有利于后续的一体化波形恢复以及直达波抵消工作。总的，本发明的优点在于：(1)做到水下探测通信一体化，设计出的波形具有同时探测和通信的能力；(2)设计出的一体化波形对应信号处理算法，可以分离一体化信号，分别得到探测和通信信号；(3)使用盲分离的算法，在未知发射波形的情况下，可以在接收端对信号进行分离，且保证了通信性能和探测性能；(4)在通信误码率较高情况下，依然可以保证探测效果，依然可以保证一体化信号的相关性，保证一体化信号探测性能；(5)处理后的信号进行通信解码以及探测信号恢复更方便直观。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。