基于移動(dòng)平臺(tái)的水聲通信技術(shù)研究

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1、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)UniversityofChineseAcademyofSciences博士學(xué)位論文密級(jí)：作者姓名：王圭盎指導(dǎo)教師：黃連主班宜雖蟲國(guó)型堂醫(yī)直堂班究壓學(xué)位類別：王堂簋±學(xué)科專業(yè)：信曼皇信息處堡研究所：圭墾抖堂院應(yīng)堂班究壓2013年5月CommunicationsforMotionPlatformByWangZhijieADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofSi

2、gnalandinformationprocessingInstituteofAcousticsMay,2013mⅢⅢⅢ叭●__●㈣5㈣8¨¨¨¨¨■IⅧ8刪3㈣2．川uT中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中己經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品或成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。論文作者簽名：_罩乏彳電日期：20J；年鄉(xiāng)月z汨學(xué)位論文使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解中

3、國(guó)科學(xué)院大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：·按照中國(guó)科學(xué)院大學(xué)要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；·中國(guó)科學(xué)院大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；·中國(guó)科學(xué)院大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；(保密論文在解密后遵守此規(guī)定)做作者簽名韶旅，導(dǎo)師簽名簧謫寸日期：2汐』弓年鄉(xiāng)月2習(xí)日／、摘要當(dāng)今世界，海洋資源開(kāi)發(fā)與利用的戰(zhàn)略地位日益凸顯。世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家均大力發(fā)展水聲通信技術(shù)，以期提高對(duì)海洋信息的獲取與處理能力，取得經(jīng)濟(jì)、軍事等方面的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)。我國(guó)擁有漫長(zhǎng)的海岸線及豐富的海洋資

4、源，有極大的海洋開(kāi)發(fā)潛力。為使我國(guó)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中贏得優(yōu)勢(shì)地位，水聲通信關(guān)鍵技術(shù)的研究有重大意義。水聲通信是一門綜合了水聲物理、通信、信號(hào)處理以及軟硬件開(kāi)發(fā)的交叉學(xué)科，有諸多的理論及技術(shù)難關(guān)亟待攻克。本文對(duì)物理層關(guān)鍵技術(shù)中的多普勒補(bǔ)償以及信道自適應(yīng)均衡技術(shù)進(jìn)行了理論、仿真與試驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)上，完成了基于軟件無(wú)線電的水聲通信系統(tǒng)物理層算法的開(kāi)發(fā)，很好地將理論研究成果與工程實(shí)踐相結(jié)合。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：1．研究了基于移動(dòng)平臺(tái)的合成孔徑通信(SyntheticApertureCommunication，SAC)技術(shù)，并針對(duì)淺海遠(yuǎn)程水聲信道低信噪}=L(Signal-to—

5、noiseRatio，SNR)、聲傳播起伏、以及多途引起的頻率選擇性衰落等特點(diǎn)，提出合成孔徑與直接序列擴(kuò)頻相結(jié)合的通信方案。2．分析了合成孔徑擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中固有的多普勒問(wèn)題，提出了一種有效的多普勒估計(jì)和補(bǔ)償算法，解決已有算法在大多普勒條件下的失同步問(wèn)題。該補(bǔ)償算法采用重采樣與全相位快速傅里葉變換(All—phaseFastFourierTransform，AP—FFT)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了頻率和相位的高精度估計(jì)，同時(shí)消除多普勒造成的時(shí)間模糊。3．根據(jù)淺海實(shí)測(cè)聲速剖面，采用BELLHOP射線模型對(duì)淺海聲信道進(jìn)行建模，對(duì)合成孔徑通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了算法的有效性。并利用合成孔

6、徑方法對(duì)海試數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析。4．研究了時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡0"imeReversalMirror,TRM)對(duì)淺海復(fù)雜多途信道的自適應(yīng)匹配技術(shù)。重點(diǎn)研究了高速被動(dòng)時(shí)反水單載波相干聲通信，利用淺海聲信道模型驗(yàn)證了時(shí)問(wèn)反轉(zhuǎn)鏡的空時(shí)聚焦特性，且可有效抑制淺海高速相干水聲通信中基于移動(dòng)平臺(tái)的水聲通信技術(shù)研究的多途效應(yīng)。提出了適用于移動(dòng)平臺(tái)的合成孔徑被動(dòng)時(shí)反水聲通信系統(tǒng)架構(gòu)，闡述了其工作原理及可行性。5．對(duì)被動(dòng)時(shí)反和自適應(yīng)均衡這兩種抗多途方法進(jìn)行了原理闡述和對(duì)比，研究了被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)聯(lián)合白適應(yīng)均衡技術(shù)，提出了適用于移動(dòng)平臺(tái)的時(shí)反空間分集聯(lián)合單通道自適應(yīng)均衡的接收機(jī)算法流程，通過(guò)仿真研究證明

7、了被動(dòng)時(shí)反與均衡聯(lián)合算法能有效抵抗復(fù)雜海洋信道中的碼間干擾(InterSymbolInterference，ISI)，顯著提升了系統(tǒng)性能。6．基于軟件無(wú)線電思想，設(shè)計(jì)了基于數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignalProcessor，DSP)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)硬件架構(gòu)的水聲通信物理層算法體系，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射端靈活變參調(diào)制器以及幀同步FPGA邏輯電路，并成功應(yīng)用于工程樣機(jī)。該樣機(jī)經(jīng)過(guò)了多次湖試與海試的性能驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：水聲通信，空問(wèn)分集，合成孔徑水聲通信，時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡，