一种水声定位系统的声速修正方法 葛 亮1,吴怀河2 (1.中国海洋大学工程学院,山东青岛 266071;2.东阿县水利局,山东东阿 252000) 摘要:海水中声速沿深度方向分布较为复杂,致使准确定位难以实现。为提高定位精度,必须进行声速修正。提出了一种查表法,建立有效声速表进行声速迭代修正,此方法适用于各种定位系统。 关键词:水声定位;声速修正;有效声速 中图分类号:S625.5;S153.4 文献标识码:A 文章编号:1000-2324(2006)04-0647-04 收稿日期:2005-3-20 作者简介:葛亮(1981- )男,山东泰安,硕士,研究方向为水声定位。 CORRECTI ON OF SOUND VELOCITY I N ACOU STI C P O SI TION I NG SYSTE M Ge L iang 1,WU H ua i-he 2 (1.Engi n eeri ng I n stitute ,Ocean Un i v .of Ch i n a ,Q i ngdao 266071 2.W ater C onservan cy B ureau ofDonge ,252000,Ch i n a) Abst ract :I n sea w ater it is hard to achieve accurate location because o f the sound velocity vary i n g w ith depth .So the correction of sound ve loc ity must be considered carefully to get a better positi o n accuracy .ESV (E ffective Sound V elocity )and A tab le-look -up m ethod i s estab lished for correcti n g the sound ve loc ity by buildi n g up a ESV (E ffective Sound Ve loc ity)table .The m ethod can be applied to all k i n ds o f positi o ning sys te m s . K ey W ords :Acoustic positi o n i n g ;Correction o f sound velocity ;ESV 在利用时延进行距测量的水声定位系统中,一般是将水下目标点到各接收点的传播时延与声速相乘来计算目标与个接收点的距离差,从而求解目标坐标实现定位。由于水下沿深度方向存在声速梯度,导致声线发生弯曲。为提高定位精度,实现精确定位,必须进行声速修正。 1 海水中的声传播速度 海水是一种非均匀介质,声传播速度不为常数,由实验结果和理论分析,已得出了一些表示声速与温度、盐度和深度的方程。式(1)是其中一个典型的式子 [1] c =1449+4.6T -0.055T 2+0.0003T 3+(1.39-0.012T )(S -35)+0.017T (1) 式中,c 为海水声速(米/秒),T 为温度( ),S 为盐度,Z 为深度。海水的盐度和温度本身也是深度的函数,为研究方便,将声速视为深度的函数。在分层海洋介质中,由于声速梯度没有水平方向的变化,因此声线在传播时的掠射角只是深度的函数,故声线将随深度变化而发生弯曲。图1为深海的典型声速剖面 图[2]。在浅海,声速随深度的变化受到更多因素的影响,因而其规律性不如深海那样明显。应该说明,声速在水平方向也是变化的,只是这种变化十分缓慢,在数十千米范围内通常忽略不计。2 水声定位测距原理 图2所示为一常规定位问题。图中,O (x,y,z )为定位目标,N 个传感器所在位置为(x i ,y i ,z i ),i =1, N 。通过对目标与传感器之间脉冲信号的时间测量来实现对目标O 点的坐标位置解算,实现定位。 山东农业大学学报(自然科学版),2006,37(4):647-650Journa l o f Shandong A g ricu lt ura lU n i versity (N atura l Sc i ence)
水声通信技术研究进展及应用 摘要：水声通信是当前唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式，由于其在民用和军事上都有重大意义，水声通信的研究一直是国内外研究的热点。文章介绍了水声 通信的历史，分析了水声通信发展的关键技术，讨论了水声信道的特点、系统组 成和国内外的发展现状。最后对未来的水声通信技术作了预测。 关键词：水声通信，通信信道，声纳，正交频分复用，声纳信号处理 1 引言 当今世界已进入了飞速发展的信息时代，通信是这一进程中发展最为迅速、进歩最快的行业。陆地和空中通信领域包括的两个最积极、最活跃和发展最快的分支--Internet网和移动通信网日臻完善，而海中通信的发展刚刚崭露头角。有缆方式的信息传输由于目标活动范围受限制、通信缆道的安装和维护费用高昂以及对其他海洋活动（如正常航运）可能存在影响等缺点，极大地限制了它在海洋环境中的应用。另外由于在浑浊、含盐的海水中，光波、电磁波的传播衰减都非常大，即使是衰减最小的蓝绿光的衰减也达到了40dB/km，因而它们在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类海洋活动的需要。在非常低的频率（200Hz以下），声波在海洋中却能传播几百公里，即使20 Hz的声波在水中的衰减也只有2—3dB/km，因此水下通信一般都使用声波来进行通信。而在这个频率范围内，声波在水中（包括海水）的衰减与频率的平方成正比，声波的这个特性导致了水下声信道是带宽受限的。采用声波作为信息传送的载体是目前海中实现中、远距离无线通信的唯一手段。 海洋水下信道是一个极其复杂的时间-空间-频率变化、强多径干扰、有限频带和高噪声的信道，这是至今还存在的难度最大的无线通信信道。研究水声通信必须综合物理海洋学、声学、电子技术和信号处理等多种学科和技术的知识，现在水声通信的研究已经成为各国科学和工程技术人员研究的热点之一。另外，海洋声学技术尤其是水声通信技术是国际发达国家对我国实行封锁的领域，因此研制具有自主知识产权的水声通信技术意义深远。 2 水声通信的历史 水声通信的历史可以追溯到1914年，在这一年水声电报系统研制成功可以看作是水下无线通信的雏形。世界上第一个具有实际意义的水声通信系统是美国海军水声实验室于1945年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率8。33kHz，主要用干潜艇之间
华北电力大学 文献综述 | | 题目DSP水声·声呐·雷达方面的应用 课程名称 DSP系统设计 | | 专业班级：电子1102 学生姓名：管俊豪 学号：201003020203 成绩： 指导教师：尚秋峰日期： 2014.07.3
DSP在水声和声呐及雷达信号处理系统中的应用 一、基本概念：DSP简介——数字信号处理器（DSP）是一种具有特殊结构的微处理器，特别适合于数字信号处理运算。它是当今发展最为迅速和前景最为可观的技术之一。自从20世纪80年代第一片DSP芯片诞生至今。其性能得到了极大的提高。应用领域取得了不断的拓展。日前它己经成为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电产品不可或缺的基础器件, 尤其在通信领域,数字信号处理器以其实时快速地实现各种数字信号处理算法的优点从而得到了广泛的应用。随着超大规模集成电路技术（VLSI）的高速发展。DSP的性价比也在不断提高。 二、学科发展状况 数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信号处理技术已经在通信、实时信号处理、安全保密、图像处理等领域得到了极为广泛的应用。 三、该领域所应用DSP芯片 TMS320VC5416、TMS320DM642、TMS320C5402型号的DSP处理器，采用流水线结构，集成度高、扩展性好、处理功能强、功耗低具有强大的运算能力、高度的并行性和广 泛的应用性，特别适合数字信号处理，完全可以对数据进行实时处理，且其功耗低、 价格适中。综合看来TMS320C5000，TMS3320C6000系列在此应用范围内应用较广。 四、典型应用方案 1、DSP在雷达信号处理中的应用 FFT是雷达信号处理的重要工具。DSP内部的硬件乘法器、地址产生器（反转寻址）和多处理内核，保证DSP在相同条件下，完成FFT算法的速度比通用微处理器要快2到3个数量级。因此，在雷达信号处理器中，大量采用DSP完成FFT/IFFT，以实现信号的时-频域转换、回波频谱分析、频域数字脉冲压缩等。
一、水声定位技术简介 自从1912年在美国出现了第一台水声测深仪以后，开始有了水声助航设备。二战中，对水下目标的探测和测量受到了重视，并在战后得到了迅速的发展。1958年，美国华盛顿大学应用物理实验室在达波湾建成了三维坐标跟踪水下武器靶场。这种水下定位跟踪技术在六十年代后期得到广泛应用，成为鱼雷靶场的主要测试方法。迄今为止，国内外水下武器靶场使用的水下定位跟踪系统有多种类型，按其安装方式可分为固定式跟踪系统、活动式(船载)跟踪系统和轻便式跟踪系统。固定式跟踪系统的水下测量设备大多数固定在海底，其范围大、费用高，只能在固定海区使用；活动式跟踪系统的全部设备都固定安装在活动平台上，试验时随活动平台开往试验海区；轻便式跟踪系统的体积和重量相对较小，可以随时布放和回收，并可通过飞机、车辆和船只从一个试验区运送到另一个试验区。这三种水下定位跟踪系统虽然在结构上有较大差别，但在原理上均是依赖于几何原理的水声学定位方法。根据接收基阵的基线可以将水声定位技术分为三类：长基线(LongBase-Line)、短基线(Short Base-Line)、超短基线(Ultra Short Base-Line)。表1.1列举了这三种水声定位技术的典型基线长度。 目标声源到各个基元间的距离确定目标的位置。短基线水声定位系统的基阵长度一般在几米到几十米的量级，利用目标发出的信号到达接收阵各个基元的时间差，解算目标的方位和距离。超短基线定位系统的基阵长度一般在几个厘米到几十厘米的量级，它与前两种不同，利用各个基元接收信号间的相位差来解算目标的方位和距离。 若按照工作方式来划分，以上三种定位系统都可以选择使用同步信标工作方式或应答器工作方式。采用同步信标工作方式，要求在待测目标或测量船上都安装高精度同步时钟系统，信标按规定的时刻定时发射信号，并据此确定目标位置。应答器工作方式要求在应答和测量船上都安装询问(应答)发射机和接收机。 通常所说的水声定位系统所测得的目标位置统)结合起来进行坐标变换，就能得到水下目标在大地几何坐标中的位置或轨迹。坐标，都是相对于某一参照物的位置而言。这个参照物有时就是基阵的载体(通常相对坐标系的某一个轴线和舰船的艏艉线重合)，它并不真正给出目标的大地几何坐标位置。然而水声定位系统和其他的导航系统(如近年来获得广泛应用的卫星导航定位系统)结合起来进行坐标变换，就能得到水下目标在大地几何坐标中的位置或轨迹。 二、水声定位系统 迄今为止，水下目标定位跟踪的主要手段仍是依赖于几何原理的水声学定位方法。通常用声基线的距离或激发的声学单元的距离来对声学定位系统进行分类。水声定位系统，根据所实施的原理和测量手段不同，又可分为“方位--方位”、“方位--距离”和“距离--距离”三种测量系统。大部分的长基线、短基线系统都属于后者。距离测量水声定位系统是通过测量水下声源所辐射的声信号从发射到接收所经历的时间及声速来确定声源到各接收点的距离，从而实现对目标进行定位的。
关于水声被动定位技术及其发展趋势 导读:世界各国都加紧了对被动定位技术的研究和开发。匹配场声源定位是国际上新兴的水声定位方法。水下GPS技术的设计灵感来自于GPS,该技术可以用于潜艇定位。动目标分析,水声被动定位技术及其发展趋势。关键词:被动定位,匹配场,水下GPS,动目标分析 1.引言声纳按照工作方式一般分为主动声纳 和被动声纳。对于被动声纳,由于它不发射声波,它具有很好的隐蔽性,且具有作用距离远、不容易被发现等优点,在军事领域中有着很好的应用前景。近年来,世界各国都加紧了对被动定位技术的研究和开发,被动定位技术受到广泛的重视。随着水中兵器作用距离和打击精度的提高,对被动声纳的定位性能提出了更高的要求,远程定位问题引起人们的广泛关注,出现了多种新型的定位方法。 2.传统被动声纳定位技术及面临的问题 传统的被动定位技术 传统的水声被动定位技术是六十年代研究开发出来的,这类定位技术利用沿不同距离路径传播的水下声脉冲间的时间差或相位差对水面、水中目标进行定位,其典型代表就是三子阵法和球面内插法。三子阵被动测距方法是己经实用化了的被动定位技术,它是六十年代后期出现的噪声测距方法。它利用时延估计技术求出到达三个基阵的相对时延,然后得到目标的方位和距离。但是,三子阵定位方法对水声信道进行了简化,三子阵系统是在同一平面内进行定位的,它不考虑信道声速的垂直分布,也不考虑信道的多途效应。,动目标分析。,动目标分析。不过这种定位方法算法简单,而且对近距离声源定位能达到较高的精度,目前在工程上已经得到广泛应用。 传统被动声纳定位技术面临的问题 传统被动定位方法在理论和实际应用中都存在很大的缺陷,主要表现在以下两个方面。 远程定位精度不高 传统的被动定位方法,利用球面波或柱面波波前曲率的变化,通过测量各基元的相对时延,估计目标的距离和方位。测距精度与时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因素有关,其中时延测量精度是关键,然而对于
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水声信号处理领域若干专题研究进展 作者：李启虎， LI Qihu 作者单位：中国科学院声学研究所 刊名： 应用声学 英文刊名：APPLIED ACOUSTICS 年，卷(期)：2001,20(1) 被引用次数：26次 引证文献(26条) 1.王成.王英民.陶林伟.甘甜等效试验法在双基地声纳试验中的应用[期刊论文]-压电与声光 2010(3) 2.王永衡基于无线电的声纳浮标阵式水声定位系统研究[期刊论文]-中国科技博览 2010(34) 3.郭良涛.黄建国.韩晶.阎振华基于DSP的小型数字语音通信平台设计[期刊论文]-计算机测量与控制 2009(6) 4.綦辉.蔡云祥.宋裕农基于UUV支持的水下协同作战研究[期刊论文]-火力与指挥控制 2009(3) 5.孙凤宇浅海水声语音通信软件无线电系统设计研究[期刊论文]-中国科技信息 2008(18) 6.何成兵.黄建国.张涛.阎振华单载波频域均衡高速水声通信仿真研究[期刊论文]-系统仿真学报 2007(23) 7.郑翠娥.孙大军.张殿伦.李想超短基线定位系统安装误差校准技术研究[期刊论文]-计算机工程与应用 2007(8) 8.周浩.蒋兴舟.袁志勇基于波束域MUSIC方法的高分辨方位估计[期刊论文]-海军工程大学学报 2007(2) 9.刘林泉.梁国龙.吴波.周志强.李宏伟一种低能耗的水声通信编码方案的研究[期刊论文]-声学技术 2007(1) 10.陈家财超声水处理功率放大技术研究[学位论文]硕士 2007 11.李姗.江南.黄建国基于随机水面阵列构形的水下GPS定位算法[期刊论文]-仪器仪表学报 2006(z3) 12.韦周芳.黄建国基于MFSK的多载波水声通信系统及实验研究[期刊论文]-无线通信技术 2006(2) 13.SUN Guiqing.LI Qihu.ZHANG Bin Acoustic vector sensor signal processing[期刊论文]-声学学报（英文版） 2006(1) 14.杨娟基于干涉谱分析的单水听器被动定位技术研究[学位论文]硕士 2006 15.徐复被动声纳仿真信号源研究与实现[学位论文]硕士 2006 16.罗丹噪声目标广义互相关被动测距研究[学位论文]硕士 2006 17.陈勇水声远程通信的联合频率相位调制技术研究[学位论文]硕士 2006 18.尹力.仲顺安.陈越洋.党华水声通信系统中信号同步的一种实现方法[期刊论文]-信号处理 2005(z1) 19.马雯.黄建国.张群飞用MFSK调制实现水声远程信息传输[期刊论文]-电讯技术 2004(5) 20.李洪升基于计算智能的声呐盲波束形成算法研究[学位论文]博士 2004 21.梁迅光纤水听器数据的网络传输及集群处理[学位论文]硕士 2004 22.赵羽矢量阵阵处理研究[学位论文]博士 2004 23.宋新见数字式噪声目标被动测距声纳研究[学位论文]博士 2004 24.马雯.黄建国基于时延编码的远程水声通信技术研究[期刊论文]-计算机工程与应用 2002(9) 25.潘仲明.杨俊.王跃科超声波扩频测距及其信道自适应均衡技术[期刊论文]-国防科技大学学报 2002(6) 26.马雯.黄建国.张群飞用时延编码实现远程水声通信[期刊论文]-电讯技术 2002(4) 本文链接：https://www.doczj.com/doc/3a16434169.html,/Periodical_yysx200101001.aspx
空间滤波器水声信号预处理方法研究 王少娟,张智敏,姚金杰,王黎明 （中北大学信息探测与处理技术研究所， 山西太原030051）摘要:浅水水声信道受多径传播、时变和空变等特性的影响，由水听器直接观测到的信号大多是信噪比低、 多种信号叠加而成的复杂信号，难以准确提取特征信息及信源分离。针对以上问题，提出基于空间滤波器的多源复杂水声信号的预处理方法。该方法通过Hilbert 变换将直接观测信号构造成解析信号来抑制虚像，使用波束形成算法来实现对方向角的选择，在指定方位角下得到期望信号。仿真及试验结果表明：信噪比为0dB 时，通过空间滤波器对多源复杂水声信号进行预处理，可以有效地抑制噪声，并有效区分处于同一时间段、同一频段的多个源信号，经处理后的信号与源信号的相似度可达0.9853，对实际信号处理也可达到较好的效果，解决时频域很难处理的问题，进而为后续的研究工作提高精度。 关键词:浅水水声信道；空间滤波；波束形成；Hilbert 变换；信源分离文献标志码:A 文章编号:1674-5124(2017)01-0116-06 Study on preprocessing method of underwater acoustic signal based on spatial filter WANG Shaojuan ，ZHANG Zhimin ，YAO Jinjie ，WANG Liming （Institute of Signal Capturing &Processing Technology ，North University of China ，Taiyuan 030051，China ） Abstract:Due to characteristics including multipath propagation ，time-varying and space-varying features of shallow water underwater acoustic channel ，signals directly detected by hydrophone are mostly complex signals superposed by various signals with low signal to noise ratio.Thus ，the feature information and accurate source separation cannot be obtained.To solve these problems ，a preprocessing method of multi-source complex underwater acoustic signal based on spatial filter is put forward.The method constructs the signals observed directly into analytic signals through Hilbert transforming to suppress the virtual image and uses beamforming algorithm to select the direction angle and obtain desired signals under the specified azimuth angle.Simulation and test results show that in a simulation test ，if the multi-source complex underwater acoustic signals are processed based on spatial filter when the signal -to -noise ratio is 0dB ，the noises can be effectively suppressed and several source signals at a same time period and same frequency band can be effectively distinguished.After the processing ，the similarity between the processed signal and source signal can reach 0.9853.It can also reach good effects in actual signal processing ，solve the problems hardly to be solved in time -frequency domain and ensure high precision in follow-up research. Keywords:shallow water underwater acoustic channel ；spatial filter ；beamforming ；Hilbert transform ；source signal separation 收稿日期:2016-03-16;收到修改稿日期:2016-05-10 基金项目:国家自然科学基金(61471325);高等学校博士学科点专项科研基金(博导类)(20121420110006)作者简介：王少娟(1992-),女,山西长治市人,硕士研究生,专业方向为智能信息处理、水声信号处理。 中国测试 CHINA MEASUREMENT &TEST Vol.43No.1January ，2017 第43卷第1期2017年1月doi : 10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.024
水声通信 水声通信是一项在水下收发信息的技术。它的工作原理是首先将文字、语音、图像等信息经过编码、调制处理后，由功率放大器推动声学换能器将电信号转换为声信号。声信号通过水这一介质，将信息传递到远方的接收换能器，这时声信号又转换为电信号，经过放大、滤波和数字化后，数字信号处理器对信号进行自适应均衡、纠错等处理，还原成声音、文字及图片。 特点： 声波通信是水下远程无线信息传输的唯一有效和成熟的手段。声波是水中信息的主要载体，广泛应用于水下通信、传感、探测、导航、定位等领域。声波属于机械波（纵波），在水下传输的信号衰减小（其衰减率为电磁波的千分之一），传输距离远，使用范围可从几百米延伸至几十公里，适用于温度稳定的深水通信。 水介质与空气介质的特性不同，水声信道与空气中的无线电信道具有许多明显的差异。水下声信道是时间散布快速衰落信道，具有多普勒不稳定性。水声通信的衰耗因素较多，特别是在海水中传播，声传播损失不仅与频率有关，而且还受海水的盐度、温度、密度、深度以及传播距离等因素的影响，造成中远程水声信道带宽极其有限。水中的声速计算公式可见下式： c=1449.2+4.6T-0.055T2+(1.34-0.010T)(S-35)+0.016D 其中：r是海水温度，s是盐度，D是深度。海水中不均匀分布的声速剖面造成声线的弯曲，而声波的界面反射和随机散射又引起声波接收信号的多途效应。在实现高速通信时，有限的信道带宽和信号的多途传输会引起严重的码间干扰，造成接收数据的严重误码。同一声源发出的声波，在不同的海区或不同的季节，传播情况可能都不同。从信道中的各种限制因素到时变、空变性，水声信道都远比无线电信道复杂。 举例： （一）我国厦门大学以许克平教授为首的这个课题组出色地完成了国家交给他们的863项目，已经成功解决了在10公里之内水下信号相互清晰的传递，他们这个系统已达到实用要求。他们认真分析了世界上抗多途干扰的几种方法，最后课题组一致认为还是采用电磁波抗干扰的手段——跳频通信，它既能抗多途径干扰又能保证信息安全。 如果电磁波的跳频技术用在海中，频率资源充足的情况下传输一组信号，频率相差大时，电路内部做处理的时候，就用两个不同频率表示1和0，相当于颜色相差大，如：赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫这一组信号代表一个文字，碰到干扰后虽然到达的时间不一致，但由于颜色区别大也就是频率相差大接收方就容易辨认了，这样就解决了信号干扰问题。经过攻关他们研制出一个全新的跳频技术，终于成功解决了多途径干扰问题。因为语音传输是水声通信最难攻克的瓶颈问题，要求精确度极高，难度也最大，语音传输成功的实现，使这个项目完全成功了，他们做到了。 （二）水声通信是当前海洋军事中最重要和关键的技术，该研究方向发挥厦门大学电子与海洋等相关学科专业的优势和特色，课题组完成了“水下图像水声传输实用样机研制”、“视频图像水下传输试验研究”等国家“863”相关课题项目, “水下图像传输系统”项目通过国家“863”专家组验收。该系统能在浅海域实现全方向无缆图象信息传输，每8秒传送一帧（160*100象素，十六级灰度），距离10公里。99年中国国际高新技术成果交易会
Journal of Image and Signal Processing 图像与信号处理, 2018, 7(4), 220-226 Published Online October 2018 in Hans. https://www.doczj.com/doc/3a16434169.html,/journal/jisp https://https://www.doczj.com/doc/3a16434169.html,/10.12677/jisp.2018.74025 A Brief Analysis of Detection and Recognition Technology for Communication Signals Jing Yang, Naiping Cheng Department of Electronic and Optical Engineering, Space Engineering University, Beijing Received: Sep. 28th, 2018; accepted: Oct. 13th, 2018; published: Oct. 20th, 2018 Abstract The detection and recognition technology of communication signals plays an important role in the vigorous development of wireless communications. This paper summarizes the development of communication signal detection and modulation recognition technology, analyzes and summariz-es the selection of the realization chip of the digital signal processing module in the detection and modulation recognition, the signal detection especially the weak signal detection method, the fea-ture extraction and the selection of the classification device in the signal recognition, and com-pares their respective advantages and disadvantages. Finally, the future research direction of de-tection and recognition technology is prospected. Keywords Signal Detection, Modulation Recognition, DSP, FPGA, Feature Parameter Extraction, Classifier 通信信号检测识别方法简析 杨婧，程乃平 航天工程大学电子与光学工程系，北京 收稿日期：2018年9月28日；录用日期：2018年10月13日；发布日期：2018年10月20日 摘要 通信信号的检测识别技术在无线通信蓬勃发展的今天发挥着重要的作用。文章综述了通信信号的检测、
水声信号处理中若干研究方向的现状及发展趋势 孙超，杨益新 （西北工业大学声学工程研究所，西安 710072） 1 引言 水声信号处理领域的早期研究成果大多是数学专业出身的科学家完成的，研究工作植根于对声及其特性的物理和数学观察与分析。作为一门交叉学科，近年来，水声信号处理研究领域也伴随着自适应信号处理、传感器阵列，以及检测与估计理论中的进展而发展。同时，对海洋环境中多种现象的物理机理探究，促使水声信号处理领域研究成果逐步得到应用。 水声信号处理涉及广泛的研究课题，国内外对该领域的研究工作进展做过各种形式的综述。典型的有1998年发表于IEEE信号处理杂志的一组题为《水声信号处理的过去、现在与将来》的专稿[1]，而国内则于2006年在《物理》杂志发表了一组题为《声纳技术及其应用专题》的文章[2-9]。受时间、篇幅以及作者能力所限，本文将只对水声信号处理研究领域中有限的几个研究方向上的研究进展进行归纳总结。 2 被动定位—匹配场技术 20世纪80年代以来，被动定位技术中的重要发展就是在信号处理算法中加入了声传播模型，主要用于估计一个辐射源的距离和深度（以及方位）。这种处理方法称作匹配场处理（Matched Field Processing—MFP）。MFP的核心就是对常规的一维平面波波束形成进行推广，使其能够对海洋中的点声源进行三维定位。一维平面波波束形成只能使基阵在方位上进行扫描，使其在所有可能的源方位上与测量数据进行“匹配”，并寻找其中相关程度最大处的参数值作为目标方位估计。在三维匹配场波束形成中，基阵能够对不同的目标参数（距离、深度、方位）组合进行描述，寻找其与测量数据匹配程度最大的参数值，认为是目标的位置参数估计。 MFP的发展与海洋中声传播建模的进展是并行的。当Clay研究模态传播时，他最早发现了波导模型、基阵和信号处理之间的密切关系[10]。尽管他没有提到信号源定位或层析，但他清楚地建立了模态表示、传播和基阵处理之间的相互关系。Hinich是第一个用垂直阵研究目标定位的人[11]。他推导了模态幅度系数和信号源深度的最大似然方程和克拉美罗界（Cramer Rao Bound—CRB）。因为对噪声使用了零均值高斯噪声模型，他推导的估计器等同于线性化的最小方差估计器。该处理器对多普勒失配较敏感，特别是使用长积分间隔的时候。Bucker意识到了这一点，并构造了一个二次型检测器，以降低这一敏感度。更重要的是，他使用了现实的环境模型，引入了模糊表面的概念，并证明了波场含有足够的成份来进行反演、定位。Bucker被认为是最早将MFP表示成现在使用的形式的人，他给出的检测因子本质上就是现在所说的“常规MFP”[12]。 在随后的20余年时间里，MFP有了长足发展。Tolstoy于1993年出版的专著[13]以及Baggeroer等人发表在J. Oceanic Eng.上的综述文章[14]对此之前在MFP研究领域所做的工作进行了很好的总结与论述。早期的工作集中在浅海水域，主要关心的是各种方法对失配的敏感程度。试验研究主要采用垂直线列阵，工作频率较低，作用距离从几公里至上百公里。在处理方法上，自适应的最小方差无失真响应（Minimum Variance Distortionless Response—MVDR）技术被引入到MFP中，并给出了较之常规线性的MFP处理器（Bartlett处理器）
水声通信技术的发展及其应用 姓名：付卓林 班级：机电1015 学号：10223060
摘要：目前水下通信最主要最有效的手段——水声通信技术一直是国内外研究的热点技术，也是一门极具挑战性的课题。本文主要叙述水声通信技术的发展历程以及其在民生、军事等方面的应用，讨论了其发展前景。 关键词：水声通信，声纳，调制解调 Abstract Acoustic communication,the most commonly used and most effective method applied in submarine communication,has long been a hot spot for researchers,and is also a challenging subject.This text focuses mainly on the development of acoustic communication and its applications,andtakes a brief look into its prospects. 1引言 水声通信是一项在水下收发信息的技术，和光波、电磁波相比，声波在水下衰减 较慢，因此可用于水下长距离信号传输。水下通信有多种方法，但是最常用的是使用 水声换能器。水下通信非常困难，主要是由于通道的多径效应、时变效应、可用频宽窄、信号衰减严重，特别是在长距离传输中。水下通信相比有线通信来说速率非常低， 因为水下通信采用的是声波而非无线电波。常见的水声通信方法是采用扩频通信技术，如CDMA等。 2 水声通信技术的发展历程 水声通信技术起源于1914年，这一年水生电报系统研制成功。1945年，美国海军水 声实验室研制成功了第一个有实际意义的水下电话采用单边调制技术，载波频率8.3 3KHz，用于潜艇的通信。早期的水声通信多使用模拟频率调制技术。如在50 年代 末研制的调频水声通信系统，使用20kHz 的载波和500Hz 的带宽，实现了水底到水 面船只的通信。模拟调制系统不能减轻由于水声信道的衰落所引起的畸变，限制了系 统性能的提高。70 年代以来随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，水声通信技 术也因此得到了迅速的发展，新一代的水声通信系统也开始采用数字调制技术。采用 数字技术的重要性在于，首先，它可以利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性;其次，它能够对在时域(多途)和频域(多普勒扩展)上的信道畸变进行各种补偿。随着 处理器技术的提高，各种采用快速解调的算法也随之发展起来。数字调制技术的主流 为幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控调制(PSK)。随着用于空间无线电衰落 信道技术的发展，水声通信的下一代系统对数字编码的数据采用了频移键控(FSK)调
水声通信的信号处理实现 1.工作参数： 采样率：80ksps; FFT点数：2048； FFT输入精度：18比特； FFT输出精度：18比特，加6位精度控制； 输出波束为-60：8：60度，共16个波束； 波束上加30dB的切比雪夫窗用于抑制波束泄漏； 频域积分：500Hz～20kHz输出32或者64个频域区间，频域积分区间可通过软件控制； 时间积分：1、2、4、8个周期平均，可以通过软件控制。 因此：每次上传的数据为2边，每边16个波束，每个波束32个频率区间的时间平均。因此每一次上传采用一个数据包实现。 2.重要组成部分和实现： 水声通信信号的主要包括以下3个部分： 32个通道的2048点FFT处理； 32个通道的FFT由一个FFT的IP核实现，输入为实部为信号，虚部为0，输入是18位定点。输出的实部和虚部为18位，再加一个6比特的精度控制信息，表示数据低位舍去了多少位。 上面是2048FFT IP的实现的一些参数。它完成一次FFT的时间为3096个时钟周期。下面计算一下处理的时间，按照时钟周期计算。处理时钟为40MHz，2048点数据的采样时间为25.6毫秒，因此一个处理的时钟周期为1024000个时钟周期，由于通道数为32个通道，所以平均每个通道的时钟周期为32000个，远大于实际所需的时钟周期。因此采用一个FFT
模块就可以实现。 ●频域波束形成； 波束形成完成16个波束的频域乘累加运算。该运算的运算量为2个16个通道16个波束的运算。每个波束要16次的复数运算，一次波束共1024点。因此一次波束形成需要2×16×16×1024次复数乘累加运算。 该运算，频域的补偿值预先存储在ROM中，在运算的过程中调用。 ●波束域的频域积分、时间积分； 频域积分在频域波束形成输出时同时完成，完成后的波束积分放在缓存中，用于时间积分时。积分区间考虑做一个表，可以通过外部指令输入，也可以用内部的预先存储的值。 时间积分在频域积分的同时进行，它会把前几个周期的频域积分调出来进行积分运算。 3.系统实现的难点： 目前利用现有平台上实现信号处理的主要问题是RAM资源不足。目前硬件平台上FPGA内部有200KB的缓存和1MB的外部缓存。由于实现频域波束形成，32个通道同时操作，因此把中间数据放在外部缓存，调用时不方便。而内部资源比较有限，只有尽量减少中间结果的存储。 4.其他： 关于原始数据存储，由于该项目时间进度比较紧，建议采用目前的测试软件进行数据存储。目前的测试软件经过测试，不存在着数据丢包的问题。建议采用该软件在工业计算机上进行数据存储。 关于测向等后续算法，暂时还没有考虑。等把波束形成的算法完成后再把这部分功能加上去。
第40卷第9期2019年9月 Vol.40<9 Sep;。】#哈尔滨工程大学学报 Journal of Harbin Engineering University 定向传输水声通信网络邻节点发现机制 杨健敏%'2'3,乔钢2,刘凇佐2,尹艳玲4 (1.中山大学海洋工程与技术学院，广东广州518000；2.哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨150001；3.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，广东珠海519000；4.东北农业大学电气与信息学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘要:针对水声通信网络拓扑不稳定的问题，本文对其邻节点发现机制进行了研究。邻节点发现机制将网络新增节点的邻节点分为全向传输范围内邻节点与定向传输范围内邻节点2类，全向传输范围内邻节点按照邻节点发现机制选取部分节点作为邻节点代表，选出的邻节点代表根据自身情况向新增节点发送邻节点信息完成邻节点发现过程。本文通过理论计算与仿真分析验证所提邻节点发现机制性能，所得理论结果与仿真结果一致，仿真结果还表明所提邻节点发现机制中参与邻节点发现过程的节点数小于全向传输范围内节点数。 关键词：水声通信网络；邻节点发现；定向传输；邻节点代表；信息冗余；全向传输；网络拓扑；传输范围 DOI：10.11990/jheu.201803070 网络出版地址：htt p://https://www.doczj.com/doc/3a16434169.html,/kcms/detail/23.1390;.20190816.1005.002.html 中图分类号:TP393文献标志码:A文章编号：1006-7043(2019)09-1549-06 Neighbor discovery mechanism for directional transmission underwater acoustic communication networks YANG Jianmin1，2,QIAO Gang1，2,LIU Songzuo1，2,YIN Yanling3 (1.School of Marine Engineering and Technology,Sun Yat-sen University,Guangzhou518000,China； 2.Col/ge of Underwater Acous/a Engineering,Harbin Engineering University,Harbin150001,China；3.Marine Science and Engineering Guangdong Laborato-ry(Zhuhai),Zhuhai519000,China；4.Colleee of Electrical and Information Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150001，China) Abstract:Consideeng the unstable topology of directional undewvatcs communication network/,thit papei studies iit neighbor discovei mechanism.In this mechanism,the node has two types of data transmission methods:directional and omnidirectional.The neighbor discavew mechanism divides the neighbor nodes of the newly added nodes inty two cateeo-W cs:the neighbor nodes i the omnidirectional transmission range and the neighbor nodes i the directional transmission range.The neighbor nodes in yie omnidirectional transmivion range select some nodes as yie neighbor nodes according W the neighbor node discovea mechanism.The selected neighbor node representative then sends the neighbor node infownas tion to the naWy added node according to its own situation to complete the neighbor node discovea process.In this pa-pea,the peWbwnanco of the proposed neighboring nodes is yerifOd by theoreticat calculation and simulation analysis.The theoreticat results are in good agreement with the simulation results.The simulation results alss show that the number of nodes paticipating i the neighbor discovery peocess is less than the omnidmectionat transmission sange.The number of nodes.The maig Onding of this paper have an impoWant referenco value and guidanco function to undewvates acoustic communication networks. Keywords:undewvates acoustic communication networks；neighbor discoyay；directional transmission；representa-tive nodes；infownation adundancy；omni-direction!transmission；network Wpology；transmission rang 近年来,随着陆上资源开采几近枯竭，对海洋的开发利用越来越受关注。作为水下最有效的通信方 收稿日期：2018-03-20.网络出版日期：2019-08-16.基金项目：国家自然科学基金项目(61431004,61601136,61601137, 11774074). 作者简介:杨健敏，男，博士； 乔钢，男，教授,博士生导师； 刘淞佐，男，副教授，博士生导师. 通信作者：刘淞佐，E-mail:liusongzuo@https://www.doczj.com/doc/3a16434169.html,. cn.式,学者对水声通信技术开展了广泛且深入的研究[1-6]&随着对海洋开发探索逐渐深入,点对点水声通信无法满足一些水下应用场景，需要水下各单位组网通信。水声通信网络中，邻节点发现机制扮演着非常重要的角色'7-9],该机制性能优劣会极大 影响网络整体工作效率。目前，水声通信网络邻节点发现机制相关研究非常少,但陆上无线网络关于邻节点发现的研究已经相对丰富且成熟'10_16]&