基于移动平台的水声通信技术研究

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1、中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文密级：作者姓名：王圭盎指导教师：黄连主班宜虽虫国型堂医直堂班究压学位类别：王堂簋±学科专业：信曼皇信息处堡研究所：圭垦抖堂院应堂班究压2013年5月CommunicationsforMotionPlatformByWangZhijieADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofSi

2、gnalandinformationprocessingInstituteofAcousticsMay,2013mⅢⅢⅢ叭●__●㈣5㈣8¨¨¨¨¨■IⅧ8删3㈣2．川uT中国科学院声学研究所学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：_罩乏彳电日期：20J；年乡月z汨学位论文使用授权说明本人完全了解中

3、国科学院大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：·按照中国科学院大学要求提交学位论文的印刷本和电子版本；·中国科学院大学与中国科学院声学研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；·中国科学院大学与中国科学院声学研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；(保密论文在解密后遵守此规定)做作者签名韶旅，导师签名簧谪寸日期：2汐』弓年乡月2习日／、摘要当今世界，海洋资源开发与利用的战略地位日益凸显。世界主要发达国家均大力发展水声通信技术，以期提高对海洋信息的获取与处理能力，取得经济、军事等方面的战略优势。我国拥有漫长的海岸线及丰富的海洋资

4、源，有极大的海洋开发潜力。为使我国在国际竞争中赢得优势地位，水声通信关键技术的研究有重大意义。水声通信是一门综合了水声物理、通信、信号处理以及软硬件开发的交叉学科，有诸多的理论及技术难关亟待攻克。本文对物理层关键技术中的多普勒补偿以及信道自适应均衡技术进行了理论、仿真与试验研究，并在此基础上，完成了基于软件无线电的水声通信系统物理层算法的开发，很好地将理论研究成果与工程实践相结合。本文的主要研究内容如下：1．研究了基于移动平台的合成孔径通信(SyntheticApertureCommunication，SAC)技术，并针对浅海远程水声信道低信噪}=L(Signal-to—

5、noiseRatio，SNR)、声传播起伏、以及多途引起的频率选择性衰落等特点，提出合成孔径与直接序列扩频相结合的通信方案。2．分析了合成孔径扩频通信系统中固有的多普勒问题，提出了一种有效的多普勒估计和补偿算法，解决已有算法在大多普勒条件下的失同步问题。该补偿算法采用重采样与全相位快速傅里叶变换(All—phaseFastFourierTransform，AP—FFT)处理技术，实现了频率和相位的高精度估计，同时消除多普勒造成的时间模糊。3．根据浅海实测声速剖面，采用BELLHOP射线模型对浅海声信道进行建模，对合成孔径通信系统进行了仿真，验证了算法的有效性。并利用合成孔

6、径方法对海试数据进行了处理和分析。4．研究了时间反转镜0"imeReversalMirror,TRM)对浅海复杂多途信道的自适应匹配技术。重点研究了高速被动时反水单载波相干声通信，利用浅海声信道模型验证了时问反转镜的空时聚焦特性，且可有效抑制浅海高速相干水声通信中基于移动平台的水声通信技术研究的多途效应。提出了适用于移动平台的合成孔径被动时反水声通信系统架构，阐述了其工作原理及可行性。5．对被动时反和自适应均衡这两种抗多途方法进行了原理阐述和对比，研究了被动时间反转联合白适应均衡技术，提出了适用于移动平台的时反空间分集联合单通道自适应均衡的接收机算法流程，通过仿真研究证明

7、了被动时反与均衡联合算法能有效抵抗复杂海洋信道中的码间干扰(InterSymbolInterference，ISI)，显著提升了系统性能。6．基于软件无线电思想，设计了基于数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)和现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)硬件架构的水声通信物理层算法体系，实现了发射端灵活变参调制器以及帧同步FPGA逻辑电路，并成功应用于工程样机。该样机经过了多次湖试与海试的性能验证。关键词：水声通信，空问分集，合成孔径水声通信，时间反转镜，