应用于波浪滑翔机平台的跨介质协同感知水声通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信技术领域，尤其涉及应用于波浪滑翔机平台的跨介质协同感知水声通信方法。

背景技术

波浪滑翔机作为一类工作于水-气界面的新型无人系统平台，具有跨水-气界面、可长期值守、部署回收方便、无人化等突出优点，近年来在水下信息传输、探测、定位、监测等领域得到广泛的研究和应用。

对于波浪滑翔机平台的水声通信系统，因水声通信系统换能器吊放深度较浅，其声传播过程受海面影响大，风、波、浪、潮、涌等不确定海洋水文气象条件下的动态海面反射是造成水声信道时变的主要原因，也是影响这类载具水声通信性能的主要因素。

目前波浪滑翔机并无专用的水声通信方法或设备，通常采用直接搭载现有水声通信设备的方式为波浪滑翔器提供水下通信能力，因而并未充分考虑波浪滑翔机作为一类工作于水-气界面的新型无人系统平台的特殊性。

时间反转技术可通过时反聚焦有效抑制多径，是近几年水声通信研究的热点方向之一。保证时间反转性能的前提是：在处理时间窗内信道保持相对稳定，而实际水声信道往往呈现复杂、随机的时间变化特性。为了保证时变条件下时反通信接收机性能，通常将副本信道响应设计为周期性地更新以处理时间变化。为了消除残留的码间串扰，通常在时反处理器之后采用单信道判决反馈均衡器形成经典的时反接收机结构，其中时反处理器通过传统的估计算法周期性地更新以处理时间变化。

在一些现有技术中，通过采用周期性地执行最小二乘估计以逐块更新信道冲激响应，以使时反处理器适应时变环境。但是，在复杂海洋环境条件下水声信道受不同机理、不同时变尺度非平稳现象综合影响，这类周期性更新时反处理器的更新周期在实际水声通信应用场景中难以实时优化确定。特别是，快变水声信道下不合适的更新周期导致时反处理性能急剧下降，严重影响水声通信性能；而在慢变水声信道下，过小的更新周期造成了用于信道估计的系统开销增大，导致通信效率下降。

现有技术中还提出了一种采用卡尔曼滤波跟踪时间反转信道的时反接收机结构，将卡尔曼滤波估计器驱动的时反处理器与单信道判决反馈均衡器相结合。然而，卡尔曼滤波基于线性时变模型的前提并不能保证符合水声信道动态时变特性。同时，在慢变水声信道情况下采用卡尔曼滤波也会带来不必要的系统复杂度开销。

实际上，考虑到不同于水声通信系统搭载的水下平台载具如AUV、ROV、载人潜水器等传统工作于水下的潜器，波浪滑翔机这类水-气界面的无人载具平台具备海洋水文气象现象的测量条件，因而可从跨介质协同感知的角度获取导致水声信道时变的动态海面特征参数(如浪高)并为时间反转水声通信接收机提供优化水声通信接收处理的先验信息，而传统水声通信系统在设计和工程应用中均未考虑这一特点。

发明内容

为解决传统水声通信系统未考虑到从跨介质协同感知的角度获取导致水声信道时变的动态海面特征参数(如浪高)并为时间反转水声通信接收机提供优化水声通信接收处理的先验信息的技术问题，本发明提出了应用于波浪滑翔机平台的跨介质协同感知水声通信方法。

本发明提出了应用于波浪滑翔机平台的跨介质协同感知水声通信方法，方法包括：

利用搭载于波浪滑翔机平台上的浪高仪获取浪高参数，基于浪高参数、海面波浪动态特性的关联关系进行海面动态参数的跨介质协同估计；

对于慢变水声信道，采用浪高参数对应的平稳时间设置时间反转水声通信接收机的信道更新时间，周期性获取水声信道特性保证时间反转接收机参数与信道的适配；

对于快变水声信道，采用时反信道估计减少周期性更新信道估计次数。

在一些具体的实施例中，浪高仪获取浪高参数H进行波浪周期T估计,波浪周期

在一些具体的实施例中，对于慢变水声信道，具体包括：

假设第i信道的冲激响应为h

在接收端，通过按照波浪周期T进行周期性更新信道估计获得水声信道响应h′

在一些具体的实施例中，对于时间反转处理后级联一个单通道判决反馈均衡器进行残余多径抑制。

在一些具体的实施例中，对于快变水声信道，将时反信道估计嵌入时间反转接收机，获取时反信道q(t)的估计q′(t)，响应于时反信道估计误差Error超过预设阈值E

在一些具体的实施例中，时反信道估计误差Error通过对时反信道q(t)估计与各通道水声信道估计h

本发明提出了应用于波浪滑翔机平台的跨介质协同感知水声通信系统，其特征在于，系统包括：

波浪滑翔机平台：波浪滑翔机平台上的搭载有浪高仪用以获取浪高参数，基于浪高参数、海面波浪动态特性的关联关系进行海面动态参数的跨介质协同估计；

水声信道处理单元：配置用于对于慢变水声信道，采用浪高参数对应的平稳时间设置时间反转水声通信接收机的信道更新时间，周期性获取水声信道特性保证时间反转接收机参数与信道的适配；对于快变水声信道，采用时反信道估计减少周期性更新信道估计次数。

在一些具体的实施例中，浪高仪获取浪高参数H进行波浪周期T估计,波浪周期

在一些具体的实施例中，对于慢变水声信道，具体包括：

假设第i信道的冲激响应为h

在接收端，通过按照波浪周期T进行周期性更新信道估计获得水声信道响应h′

在一些具体的实施例中，对于快变水声信道，将时反信道估计嵌入时间反转接收机，获取时反信道q(t)的估计q′(t)，响应于时反信道估计误差Error超过预设阈值E

本发明面向波浪滑翔机这类近年来发展迅速的新型无人化载具平台，公开了一种应用于波浪滑翔机平台的跨介质协同感知优化水声通信方法，该方法利用工作于水-气界面的波浪滑翔机载具平台水上部分浪高仪跨介质获取的浪高等动态海面特征参数，进行搭载于波浪滑翔机水下部分的水声通信系统的水声通信协同感知优化，即水声信道时变参数适配及针对性处理，从而为波浪滑翔机提供了一类适配平台工作特点的水声通信方法。。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本申请的一个实施例的应用于波浪滑翔机平台的跨介质协同感知优化水声通信方法的流程图；

图2是本申请的一个具体的实施例的波浪滑翔机跨介质协同感知优化水声通信示意图；

图3是本申请的一个具体的实施例的跨介质协同感知快变慢变信道判断流程图；

图4是本申请的一个具体的实施例的协同感知优化水声通信接收机工作流程图；

图5是本申请的一个实施例的应用于波浪滑翔机平台的跨介质协同感知优化水声通信系统的框架图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

根据本申请的一个实施例的应用于波浪滑翔机平台的跨介质协同感知优化水声通信方法，图1示出了根据本申请的实施例的应用于波浪滑翔机平台的跨介质协同感知水声通信方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

S100：利用搭载于波浪滑翔机平台上的浪高仪获取浪高参数，基于浪高参数、海面波浪动态特性的关联关系进行海面动态参数的跨介质协同估计。

在具体的实施例中，图2示出了本申请的一个具体的实施例的波浪滑翔机跨介质协同感知优化水声通信示意图，如图2所示，在波浪滑翔机载具平台在利用平台搭载于水面部分的本领域通用的浪高仪获取浪高参数后，可基于浪高、海面波浪动态特性的关联关系进行海面动态参数的跨介质协同估计，进而可通过设置门限进行慢变、快变水声信道分类判别。

在具体的实施例中，在时变水声信道条件下传统时间反转水声通信接收机需结合周期性更新信道估计来保证处理性能，对于不确定海洋环境条件下时变水声信道而言，周期T的合适取值难以保证，不合适的周期T往往导致时间反转性能急剧下降，或通信效率明显降低。考虑到波浪滑翔机这类典型的水-气界面平台具备海洋动态特性获取能力，本申请公开的跨介质协同感知优化水声通信方法中，直接通过波浪滑翔机载具平台配备的浪高仪获取的浪高参数以跨介质协同感知的方式进行水声信道时变程度评估，从而依据设定的门限对水声信道快变、慢变进行类别判断。

在具体的实施例中，图3示出了本申请的一个具体的实施例的跨介质协同感知快变慢变信道判断流程图，如图3所示，波浪艇平台这类典型的水-气界面载体在通过跨介质协同感知获得浪高参数H后，可根据公式

S201：对于慢变水声信道，采用浪高参数对应的平稳时间设置时间反转水声通信接收机的信道更新时间，周期性获取水声信道特性保证时间反转接收机参数与信道的适配，并最大化可用通信效率。

在具体的实施例中，考虑到海洋水声信道严重多径效应造成的码间干扰，时间反转计算通过估计信道特性并进行空、时时间反转聚焦处理可有效抑制多径并利用多径能量提供通信性能。对于多通道水声通信系统，假设第i信道的冲激响应为h

在接收端，通过按照周期T进行周期性更新信道估计获得水声信道响应h′

每个通道经过各自的时反预处理器后信号为r

采用水声信道估计方法如最小二乘、正交匹配追踪算法进行周期性信道估计，获得周期性更新信道特性h′

S202：对于快变水声信道，采用时反信道估计减少周期性更新信道估计次数。考虑到时间反转处理后，与原始水声信道响应相比，时间反转处理结构下等效的时间反转信道响应呈现出慢得多的时变性，因此采用时反信道估计可有效减少周期性更新信道估计的次数，提高通信效率。

在具体的实施例中，对快变水声信道，时间反转处理后等效的时间反转信道q(t)将表现出比原始水声信道更慢的时间变化。

参考图4所示的协同感知优化水声通信接收机工作流程图，将时反信道估计嵌入时反接收机，获取时反信道q(t)的估计q′(t)，仅当时反信道估计误差Error超过预设阈值E

在具体的实施例中，基于跨介质协同感知优化获取的信道动态特性参数，在快变水声信道情况下，只需在时反信道估计误差Error大于预设阈值E

本发明面向波浪滑翔机这类近年来发展迅速的新型无人化载具平台，充分利用波浪滑翔机平台工作于水-气界面的特点，采用波浪滑翔机平台水面部分搭载的浪高仪获取浪高参数并以跨介质协同感知的方式估算水声信道动态特性，进而进行慢变、快变水声信道判别分类，基于多通道时间反转水声通信接收机进行了适合于波浪滑翔机的协同优化设计，从而为波浪滑翔机提供了一类适配平台工作特点的水声通信方法。

图5示出了根据本申请的一个实施例的应用于波浪滑翔机平台的跨介质协同感知优化水声通信系统的框架图，该系统包括海面动态参数的跨介质协同估计单元501和水声信道处理单元502。

在具体的实施例中，海面动态参数的跨介质协同估计单元501：波浪滑翔机平台上的搭载有浪高仪用以获取浪高参数，基于浪高参数、海面波浪动态特性的关联关系进行海面动态参数的跨介质协同估计；水声信道处理单元502：配置用于对于慢变水声信道，采用浪高参数对应的平稳时间设置时间反转水声通信接收机的信道更新时间，周期性获取水声信道特性保证时间反转接收机参数与信道的适配；对于快变水声信道，采用时反信道估计减少周期性更新信道估计次数。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。