水下通信定位識別一體化波形優化方法
【專利摘要】本發明提供了一種水下通信定位識別一體化波形優化方法，面向水下網絡態勢感知與態勢信息交互能力的提升需求，通過分析水聲通信信號波形參數與水聲定位測距精度、網內成員識別概率間的關系，提出水下通信定位識別一體化波形優化設計方法和準則，給出水聲通信信號參數對定位、識別性能的約束關系，通過優化設計的方法實現水下一體化波形。本發明可有效擴展現有通信波形功能，達到了在實現數據傳輸的同時實現了距離——距離定位和網內成員識別功能的效果，為提升水下多節點網絡化協同能力提供重要基礎，為水下網絡化信息系統的研制提供技術支撐。
【專利說明】
水下通信定位識別一體化波形優化方法
技術領域
[0001] 本發明屬于水下網絡信息系統應用技術領域。
【背景技術】
[0002] 由于電磁波在水中傳播時衰減嚴重，而聲波是人類迄今為止已知的唯一能在水中 遠距離傳播的能量形式，海洋中的探測、通信、定位、導航和識別主要是利用聲波實現的。因 此，對水下通信定位識別一體化波形優化的研究主要集中在對水聲通信、定位、識別的研究 之上。
[0003] 水聲通信技術經歷了從模擬通信階段到數字通信的發展過程，主要分為采用非相 干調制和相干調制兩大類。非相干調制方式在抗強多途干擾、大信號起伏和低信噪比上具 有明顯的優勢，但帶寬利用率較低。相干調制方式的傳輸速率更高，但存在計算復雜度高的 問題。
[0004] 水下目標定位的主要手段是依賴于幾何原理的水聲學定位方法。按照接收基陣的 尺寸或應答器基陣的基線長度來分類，水聲定位技術可分為長基線、短基線和超短基線三 種。長基線和短基線系統多米用距尚--距尚系統，而超短基線系統多米用距尚--方位 系統。按照工作方式水聲定位技術可分為同步式水聲定位系統和異步式水聲定位系統，分 別采用球面(或雙曲面)交匯的方法得到目標在信號發射時刻的相對或絕對坐標。
[0005] 網內成員識別是水下網絡信息系統中需要解決的重要問題之一，主要分為協同識 別和非協同識別兩種。"協同"識別中目標的屬性信息是采用事先約定的方式進行交換的。 "非協同"方式中識別方不需要被識別目標的配合，通過主動或被動方式獲取目標的物理特 征和輻射信號后，對數據進行特征提取、分類和特征匹配實現對目標屬性的判別。所以協同 識別方式信息獲取速度快、實時性強、識別率高、容易建立安全和保密的信息交換方式。
[0006] 目前，水下通信、定位、識別技術多是從單一技術的研究為主，缺少對集水聲通信、 定位和識別功能于一體的多功能系統的研究。
【發明內容】
[0007] 為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于水聲傳輸波形的多功能優化設計 流程和方法，在波形設計時綜合考慮定位和識別功能的實現，通過一套傳輸波形實現水下 網絡節點間的通信、定位和識別三種功能，可解決水下節點間的信息分發和態勢形成與共 享等網絡化協同問題，有效支撐水下網絡態勢的形成以及態勢信息的分發與共享。
[0008] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：
[0009] 步驟1，根據系統指定的水下節點距離r，通過聲傳播損失曲線TL = 20 lg r+aXr， 其中，吸收系f
甶不大于30kHz的頻率 范圍內任意選擇一水聲傳輸波形數據信號的中心頻率f記作fo,執行步驟2;
[0010] 步驟2,根據得到的水聲傳輸波形數據信號的中心頻率fo,通過噪聲級計算公式NL = NL(f〇) + 101g( △ f)和海洋環境噪聲譜級曲線，在不大于30kHz的頻率范圍內任意選擇一 水聲傳輸波形數據信號的帶寬A f記作A A，執行步驟3;
[0011] 步驟3,根據得到的水聲傳輸波形數據信號的中心頻率fo和帶寬Afi，以及系統指 定的發射聲源級SL、水下節點距離r和聲納指向性指數DI，通過被動聲納方程SL-TL-(NL-DI) =DT計算得到傳輸波形數據信號檢測閾DT，執行步驟4;
[0012] 步驟4,根據得到的水聲傳輸波形數據信號檢測閾DT，以及不同調制和編碼方式的 水聲傳輸波形誤碼率曲線，任意選擇一種水聲傳輸波形數據信號調制方式和編碼方式，若 在接收信噪比等于檢測閾時滿足系統指定的誤碼率指標，執行步驟5;若在接收信噪比等于 檢測閾時無滿足系統指定的誤碼率指標的調制和編碼方式，返回步驟1，減小傳輸波形信號 的中心頻率fo、帶寬Δ??，或重新選擇調制和編碼方式，執行步驟1~4,直至滿足系統指定的 誤碼率指標；
[0013] 步驟5,根據系統指定的定位工作方式，在時域上數據信號前加一擴頻同步信號； 在不大于30kHz的頻率范圍內任意選擇一同步信號頻帶范圍△ f2,執行步驟6。
[0014] 步驟6,根據得到的水聲傳輸波形的同步信號頻帶范圍Af2,計算系統定位的最小 分辨距離△ d，若滿足系統定位的距離分辨率指標，執行步驟7;若不滿足系統定位的距離分 辨率指標，返回步驟5,增大傳輸波形同步信號的頻帶范圍Af 2,執行步驟5~6,直至滿足系 統定位的距離分辨率指標；
[0015] 步驟7,根據得到的水聲傳輸波形同步信號頻帶范圍Af2,在滿足水下節點距離r 的條件下，任意選擇一水聲傳輸波形同步信號的時間長度Ti，執行步驟8;
[0016] 步驟8,根據得到的水聲傳輸波形同步信號時長h，計算通信定位識別一體化波形 的網內成員識別概率R;若滿足系統識別功能指標，執行步驟9;若不滿足系統識別功能指 標，返回步驟7,增大同步信號時間長度!^，執行步驟7~8,直至滿足系統識別功能指標；
[0017] 步驟9,根據得到的水聲傳輸波形數據信號的中心頻率、帶寬、調制方式和編碼方 式，以及同步信號時長Ti，計算得到通信定位識別一體化波形的數據傳輸速率。
[0018] 本發明的有益效果是:可有效擴展現有通信波形功能，達到了在實現數據傳輸的 同時實現了步驟6的距離一一距離定位和步驟9的網內成員識別功能的效果，為水下網絡化 信息系統的研制提供技術支撐。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明水下通信定位識別一體化波形優化方法工作流程圖。
[0020]圖2為本發明水下節點距離r = 5km條件下的聲傳播損失曲線圖。
[0021]圖3為本發明未編碼(5,31)循環移位擴頻BPSK調制誤碼率曲線圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，本發明包括但不僅限于下述實施 例。
[0023] 本發明面向水下網絡態勢感知與態勢信息交互能力的提升需求，通過分析水聲通 信信號波形參數與水聲定位測距精度、網內成員識別概率間的關系，提出水下通信定位識 別一體化波形優化設計方法和準則，給出水聲通信信號參數對定位、識別性能的約束關系， 通過優化設計的方法實現水下一體化波形，為提升水下多節點網絡化協同能力提供重要基 礎。
[0024]本發明提供一種水下通信定位識別一體化波形優化設計流程與方法，主要包括以 下步驟：
[0025] 1.根據系統指定的水下節點距離r，通過聲傳播損失曲線TL = 20 lg r+α Xr，其 中，吸收系數
為水聲傳輸波形數據信 號的中心頻率，在不大于30kHz的頻率范圍內任意選擇一水聲傳輸波形數據信號的中心頻 率f記作fo,執行步驟2;
[0026] 2.根據得到的水聲傳輸波形數據信號的中心頻率fo,通過噪聲級計算公式NL = NL (fo) + 101g( Δ f)和海洋環境噪聲譜級曲線，在不大于30kHz的頻率范圍內任意選擇一水聲 傳輸波形數據信號的帶寬A f記作△ ，執行步驟3;
[0027] 3.根據得到的水聲傳輸波形數據信號的中心頻率fo和帶寬，以及系統指定的 發射聲源級SL、水下節點距離r和聲納指向性指數DI，通過被動聲納方程SL-TL-(NL-DI) = DT計算得到傳輸波形數據信號檢測閾DT，執行步驟4;
[0028] 4.根據得到的水聲傳輸波形數據信號檢測閾DT，以及不同調制和編碼方式的水聲 傳輸波形誤碼率曲線，任意選擇一種水聲傳輸波形數據信號調制方式和編碼方式，若在接 收信噪比等于檢測閾時滿足系統指定的誤碼率指標，執行步驟5;若在接收信噪比等于檢測 閾時無滿足系統指定的誤碼率指標的調制和編碼方式，返回步驟1，減小傳輸波形信號的中 心頻率f Q、帶寬，或重新選擇調制和編碼方式，執行步驟1~4,直至滿足系統指定的誤碼 率指標；
[0029] 5.根據系統指定的定位工作方式，在時域上數據信號前加一擴頻同步信號；在不 大于30kHz的頻率范圍內任意選擇一同步信號頻帶范圍△ f2,執行步驟6。
[0030] 6.根據得到的水聲傳輸波形的同步信號頻帶范圍Af2,計算系統定位的最小分辨 距離Ad，若滿足系統定位的距離分辨率指標，執行步驟7;若不滿足系統定位的距離分辨率 指標，返回步驟5,增大傳輸波形同步信號的頻帶范圍Af 2,執行步驟5~6,直至滿足系統定 位的距離分辨率指標；
[0031] 7.根據得到的水聲傳輸波形同步信號頻帶范圍Af2,在滿足水下節點距離r的條 件下，任意選擇一水聲傳輸波形同步信號的時間長度h，執行步驟8;
[0032] 8.根據得到的水聲傳輸波形同步信號時長h，計算通信定位識別一體化波形的網 內成員識別概率R;若滿足系統識別功能指標，執行步驟9;若不滿足系統識別功能指標，返 回步驟7,增大同步信號時間長度!^，執行步驟7~8,直至滿足系統識別功能指標；
[0033] 9.根據得到的水聲傳輸波形數據信號的中心頻率、帶寬、調制方式和編碼方式，以 及同步信號時長!^，計算得到通信定位識別一體化波形的數據傳輸速率。
[0034]本發明實施例的步驟如下：
[0035] 1.根據系統指定水下節點距離r = 5km，通過圖2所示的聲傳播損失曲線，選擇水聲 傳輸波形數據信號的中心頻率f 〇= 10kHz。
[0036] 2.根據得到的水聲傳輸波形數據信號的中心頻率fo = 8kHz，通過噪聲級計算公式 和Knudson提出的海洋環境噪聲譜級曲線，選擇水聲傳輸波形數據信號的帶寬△ f 1 = 4kHz。
[0037] 3.根據得到的水聲傳輸波形數據信號的中心頻率fQ=10kHz和帶寬Δ f1 = 4kHz，以 及系統指定的發射聲源級SL= 158dB、水下節點距離r = 5km和聲納指向性指數DI = 0,通過 被動聲納方程計算得到傳輸波形數據信號檢測閾DT = -7dB。
[0038] 4.根據得到的水聲傳輸波形數據信號檢測閾DT，通過圖3所示的誤碼率曲線，選擇 水聲傳輸波形數據信號采用未編碼的（5，31)循環移位擴頻BPSK調制方式，在-7dB時不滿足 系統指定的誤碼率指標BER<1(T 4,在帶寬和編碼、調制方式不變的情況下，減小傳輸波形信 號的中心頻率為fQ = 6kHz，重新計算得到傳輸波形數據信號檢測閾DT = -4dB，滿足系統指 定的誤碼率指標BER<10一4。
[0039] 5.根據系統指定的基于短基線的異步式距離一一距離水聲定位方式和水下節點 距離r，在時域上數據信號前加一直接序列擴頻同步信號，同步信號頻帶范圍為Af2 = 6~ 8kHz 〇
[0040] 6.根據得到的水聲傳輸波形同步信號頻帶范圍△ f2,計算系統定位的最小分辨距 離Δ d= 1.5m，不滿足系統定位的距離分辨率指標△ d<lm，增大傳輸波形同步信號的頻帶 范圍為Δ f2 = 4~8kHz，重新計算系統定位的最小分辨距離Δ d = 0.75m，滿足系統定位的距 離分辨率指標Ad<lm。
[0041] 7.根據得到的水聲傳輸波形同步信號頻帶范圍Af2,在滿足水下節點距離r的條 件下，選擇水聲傳輸波形同步信號的時間長度Ti = 7.5ms。
[0042] 8.根據得到的水聲傳輸波形同步信號時長Ti，計算通信定位識別一體化波形的網 內成員識別概率R = 80%。不滿足系統識別功能指標R>85%，增大同步信號時間長度為h =15.5ms，重新計算得到網內成員識別概率R = 89%，滿足系統識別功能指標R>85%。 [0043] 9.根據得到的水聲傳輸波形數據信號的中心頻率、帶寬、調制方式和編碼方式，以 及同步信號時長Τι，計算得到通信定位識別一體化波形的信息傳輸速率Rb =161bits/s。
[0044]綜上所述，本發明提出的水下通信定位識別一體化波形優化方法效果顯著，依據 本發明方法設計的一體化波形，在發射聲源級SL = 158dB、水下節點距離r = 5km和聲納指向 性指數DI = 0條件下，同時實現了 Rb = 161bits/s的誤碼率BER<1(T4數據傳輸功能、5km范圍 內最小分辨距離A d< lm的距離一一距離定位功能和識別概率R>85 %的網內成員識別功 能。
【主權項】
1. 一種水下通信定位識別一體化波形優化方法，其特征在于包括下述步驟： 步驟1，根據系統指定的水下節點距離r，通過聲傳播損失曲線化= 201gr+axr，其中， 吸收系i在不大于30kHz的頻率范圍內 任意選擇一水聲傳輸波形數據信號的中屯、頻率巧己作時，執行步驟2; 步驟2,根據得到的水聲傳輸波形數據信號的中屯、頻率通過噪聲級計算公式化二化 (fo) + 101g(Af)和海洋環境噪聲譜級曲線，在不大于30kHz的頻率范圍內任意選擇一水聲 傳輸波形數據信號的帶寬A巧己作Δ fi，執行步驟3; 步驟3,根據得到的水聲傳輸波形數據信號的中屯、頻率fo和帶寬Afi，W及系統指定的 發射聲源級化、水下節點距離r和聲納指向性指數DI，通過被動聲納方程化-化-(化-DI)= DT計算得到傳輸波形數據信號檢測闊DT，執行步驟4; 步驟4,根據得到的水聲傳輸波形數據信號檢測闊DT，W及不同調制和編碼方式的水聲 傳輸波形誤碼率曲線，任意選擇一種水聲傳輸波形數據信號調制方式和編碼方式，若在接 收信噪比等于檢測闊時滿足系統指定的誤碼率指標，執行步驟5;若在接收信噪比等于檢測 闊時無滿足系統指定的誤碼率指標的調制和編碼方式，返回步驟1，減小傳輸波形信號的中 屯、頻率時、帶寬Afi，或重新選擇調制和編碼方式，執行步驟1~4,直至滿足系統指定的誤碼 率指標； 步驟5,根據系統指定的定位工作方式，在時域上數據信號前加一擴頻同步信號；在不 大于30曲Z的頻率范圍內任意選擇一同步信號頻帶范圍Δ f2,執行步驟6。 步驟6,根據得到的水聲傳輸波形的同步信號頻帶范圍Af2,計算系統定位的最小分辨 距離Ad，若滿足系統定位的距離分辨率指標，執行步驟7;若不滿足系統定位的距離分辨率 指標，返回步驟5,增大傳輸波形同步信號的頻帶范圍Af2,執行步驟5~6,直至滿足系統定 位的距離分辨率指標； 步驟7,根據得到的水聲傳輸波形同步信號頻帶范圍Af2,在滿足水下節點距離r的條件 下，任意選擇一水聲傳輸波形同步信號的時間長度Ti，執行步驟8; 步驟8,根據得到的水聲傳輸波形同步信號時長Ti，計算通信定位識別一體化波形的網 內成員識別概率R;若滿足系統識別功能指標，執行步驟9;若不滿足系統識別功能指標，返 回步驟7,增大同步信號時間長度Ti，執行步驟7~8,直至滿足系統識別功能指標； 步驟9,根據得到的水聲傳輸波形數據信號的中屯、頻率、帶寬、調制方式和編碼方式，W 及同步信號時長Ti，計算得到通信定位識別一體化波形的數據傳輸速率。
【文檔編號】G01S5/18GK105974364SQ201610550983
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月13日
【發明人】文明, 徐媛媛, 茅迪, 張映霓, 王瑜
【申請人】中國電子科技集團公司第二十研究所