低信噪比大多普勒水声伪随机信号捕获方法及系统技术方案

本发明专利技术属于水声通信同步头捕获技术领域，公开了一种低信噪比大多普勒水声伪随机信号捕获方法、系统及设备，通过重叠平均的方式实现部分重构，将重叠平均涉及的码片个数设置为重叠因子，将指定尾部区域的PN码片进行重叠平均，置换为新的PN码片，头部区域PN码不变，得到新的PN码；将本地PN信号完成部分重构后，按照一定频偏步长间隔取多个多普勒节点，并根据多普勒因子进行基带波形插值，形成多个多普勒形变PN波形信号，而后进行非相关累积，完成本地波形压缩；在出现FFT输出频谱峰值超过峰均比阈值时，认为完成时域粗同步。本发明专利技术为低信噪比、大多普勒水声通信中PN同步信号的时域捕获、频域同步提出解决方案。频域同步提出解决方案。频域同步提出解决方案。

【技术实现步骤摘要】
低信噪比大多普勒水声伪随机信号捕获方法及系统


[0001]本专利技术属于水声通信同步头捕获
，尤其涉及一种低信噪比大多普勒水声伪随机信号捕获方法、系统及设备。

技术介绍

[0002]目前，水声通信中同步头信号主要有调频同步信号和扩频伪随机同步信号(以下简称PN同步信号)两大类，调频同步信号特别是双曲调频同步信号对多普勒不敏感，适用于UUV等水下移动平台大多普勒场景，然而其时频特征明显，军事应用中隐蔽性较差，且对海洋生物带来不利噪声影响；扩频伪随机同步信号谱能量密度低，广泛适用于军事应用场景和生物友好场景。PN信号作为同步前导信号时，由于其对多普勒极为敏感，可完成时域捕获的同时准确估计多普勒，为下一步准确开窗、多普勒补偿提供重要参考。为了解决PN信号在多普勒背景下相关增益严重衰减的问题，需开展PN同步信号捕获，以实现通信在时域和频域同步。
[0003]需要指出的是，由于较好的抗干扰能力，PN同步信号一直以来大量应用于低轨道卫星通信系统(LEO)传输中。目前水声扩频信号捕获技术大量借鉴深空通信中同步算法，然而，由于水下载波频率小、声传播速度低，水下多普勒现象较射频无线通信更为严重，水声通信多普勒因子是无线电射频通信的103以上，在大多普勒移动水声通信扩频同步信号捕获中现有主流算法存在不能完全适用的情况。
[0004]当前，水声PN信号捕获技术基本沿用LEO扩频信号捕获技术，包括时频二维搜索的串行搜索方法(模糊度函数方法)、圆周相关伪随机码相位并行搜索方法、部分相关
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快速傅里叶变换(PMF
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FFT)频域并行搜索方法等，近年来新产生的时频域压缩捕获算法、折叠(XFAST)或双折叠捕获算法等均是以上三种基础捕获算法的改进或融合。基于时频二维搜索的模糊度函数方法最早被提出，在时域和频域分别采用一定步长进行模糊度函数搜索，该算法计算开销大，在大多普勒背景下会引起通信解码滞后延迟；圆周相关伪随机码相位并行搜索方法是通过频域相乘实现圆周卷积相关运算、通过补零FFT实现长时域信号并行搜索，然而由于在频域基于一定步长的串行搜索，在大多普勒背景下运算量较大；PMF
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FFT频域并行搜索方法通过时域切片加窗得到部分相关值，对相关结果进行FFT，当FFT谱峰值超过阈值认为实现同步捕获，可实现频域并行搜索，适用于多普勒频偏范围较大的应用场景。
[0005]传统PMF
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FFT算法。接收信号经带通滤波、下变频处理后，截窗处理后均分为M组，与本地基带PN信号对齐后进入X级部分匹配滤波器(PMF)。N为待捕获PN码长度，采样因子即单码片采样点数为k，则有Nk＝MX。M个PMF输出结果进行FFT补偿处理，当输出FFT幅值超过设定阈值，认为当前接收信号为PN码同步信号，相位误差1/2T
c
，同时FFT幅值最大值对应的频率即多普勒频偏估计值，频偏估计误差1/MXT
c
。首先对扩频同步信号进行建模，不失一般性这里本专利技术采用BPSK调制。设载波频率f
c
，发送信号幅度B，脉冲成型滤波器为g，N为待捕获PN码长度，单个码片持续时间T
c
，扩频信号伪随机码(PN码)对应码片序列为c＝[c1c2…
c
N
]，则PN码对应的发射端发送通带信号可表示为：
[0006][0007]水声信道冲击响应函数(CIR)可以表示为：
[0008][0009]这里L为接收节点接收到的本征声线数量，a
l
与τ
0l
分别代表第l条本征声线到底接收节点的幅度与相对时延。这样，经过水声多径信道后接收信号可表示为：
[0010][0011]其中，为卷积，n(t)为加性噪声。接收信号与本地载波振荡器混频后低通滤波，完成下变频即载波剥离，得到基带信号。然而，在多普勒背景下载波产生冗余频偏，下变频后的信号被频偏调制，导致信号相位在PN码内发生跳变，不失一般性，将初始相位设为0，则下变频输出结果可用下式表示：
[0012][0013]其中β为多普勒因子，s[(1+β)t]为信号波形压缩扩展项，exp(j2πβf
c
t)为载波相位跳变影响项。由于在弱多普勒背景下信号波形压缩扩展是缓变项，传统算法主要聚焦载波相位跳变的影响。然而，在PN码较长且水下多普勒因子β较大时，时域压缩扩展不再是一个可近似忽略项。
[0014]将(5)式信号按照采样率离散化后与本地基带PN信号x均分M段，每段X个采样点对齐相乘求和，得到M个部分相关值：
[0015][0016]传统算法认为，假设β较小情况下，(5)式中波形形变项中β近似为零，根据PN信号性质，当进入图1延迟线的接收信号与本地基带PN信号时域同步时，PMF
‑
FFT输出的幅频响应(忽略噪声信号)为:
[0017][0018]此时，取其最大值后幅频响应输出结果是受部分相关sinc函数调制的规则扇贝结构。实际上，水声传播频率无法达到如此高频率，这里仅作为高载波频率、低多普勒因子对照组，可以看出，此时在图中横坐标所示的频移范围内扇贝结构明显，峰值连线变化幅度小，扩展了多普勒容限，实现了频域并行搜索的效果。在卫星通信中，载波可以达到103MHz，由式(6)至式(7)的假设是合理的，即常见应用背景下(103Hz级的频偏)PMF
‑
FFT谱峰连线变化较小。
[0019]传统PMF
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FFT算法是针对多普勒因子较小的无线电领域卫星通信设计的，在移植到水声通信PN同步头捕获过程中，由于水声通信多普勒因子是无线电射频通信的103以上，
造成水下大多普勒背景下发生严重的PN信号波形形变，使得PN时域同步的情况下也存在码片对齐错位的问题，使得传统PMF
‑
FFT算法在大多普勒水声PN信号捕获中存在适用性问题，需要开展相应的适用性改进。
[0020]不失一般性，下文仿真及试验均采用以下参数设置：PN码的码片数量为2047，降采样后采样因子k为4，分组数M设为512，每组4码片(最后一组3码片)，载波频率fc＝7KHz，码片宽度Tc＝0.5ms。不同载波背景下传统PMF
‑
FFT方法幅频响应图，其中载波频率280KHz为对照组(无水声通信物理意义)，载波频率28KHz、14KHz、7KHz分别对应水声通信中常用的高、中、低频段，为了实现相对低传播损失、远距离传播，扩频通信往往采用中低频段，以下仿真及海上试验采用7KHz载波。可以看出，在水声通信常用频段，PMF
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FFT输出幅值随多普勒频偏的增大而迅速衰减，且载波频率约低，衰减越剧烈。
[0021]这里采用常见的加窗、补零技术改善7KHz载波下PMF
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FFT幅频响应效果。其中，加窗采用汉宁窗，补零采用2倍M点补零。可以看出，加窗、补零只是减弱了扇贝损失效应，然而幅值随着多普勒迅速降低的趋势没有得到遏制。综上可以看本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低信噪比大多普勒水声伪随机信号捕获方法，其特征在于，基于部分重构
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波形压缩算法的捕获方法在出现FFT输出频谱峰值超过峰均比阈值时，认为完成时域粗同步。波形压缩后多普勒估计模糊的问题提出二次驻留串行搜索，实现多普勒估计，即将
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20Hz、
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10Hz、0Hz、10Hz、20Hz各频偏插值波形作为本地PN信号分别引入传统PMF
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FFT，当FFT频谱峰值超过阈值时，对应频偏值即为多普勒估计值。2.如权利要求1所述的低信噪比大多普勒水声伪随机信号捕获方法，其特征在于，包括：通过重叠平均的方式实现部分重构，将重叠平均涉及的码片个数设置为重叠因子，将指定尾部区域的PN码片进行重叠平均，置换为新的PN码片，头部区域PN码不变，得到新的PN码；将本地PN信号完成部分重构后，按照一定频偏步长间隔取多个多普勒节点，并根据多普勒因子进行基带波形插值，形成多个多普勒形变PN波形信号，而后进行非相关累积，完成本地波形压缩；波形压缩后多普勒估计模糊的问题提出二次驻留串行搜索，实现多普勒估计，基于部分重构
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波形压缩算法的捕获系统在出现FFT输出频谱峰值超过峰均比阈值时，认为完成时域粗同步。3.如权利要求1所述的低信噪比大多普勒水声伪随机信号捕获方法，其特征在于，所述低信噪比大多普勒水声伪随机信号捕获方法的部分重构是通过重叠平均的方式实现的，将重叠平均涉及的码片个数设置为重叠因子(O)，k
·
O即重叠平均长度，将指定尾部区域的PN码片根据式(8)进行重叠平均，置换为新的PN码片，头部区域PN码不变，得到新的PN码：其中R为PN尾部重构的起始码片位置，得到新的PN码较重构前减少(O
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1)/2个码片，对应码片位置补零；将得到的重构PN码k倍重复采样后经过滤波成型得到新的基带PN信号，均分为M组与接收信号进行部分相关，并完成后续PMF
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FFT流程；重叠因子取3时重构，当采取重叠因子为3的扩频码重构时，在PN序列头部对齐时，重构码可以实现多普勒压缩形变1个码片以内的全码片有效相关；重构范围为PN信号尾部1/2，重叠因子取3。4.如权利要求1所述的低信噪比大多普勒水声伪随机信号捕获方法，其特征在于，所述低信噪比大多普勒水声伪随机信号捕获方法的波形压缩的
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15dB信噪比条件下部分重构多普勒容限半...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩树平，胡耀辉，徐景峰，韩宇博，李智忠，李厚全，赵桁，杨刚，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军潜艇学院，
类型：发明
国别省市：