本發(fā)明涉及水聲領域，具體涉及一種高速移動水聲通信多普勒估計補償方法。

背景技術：

1、海洋水下無人系統(tǒng)平臺的應用日益增多，其中無人艇、auv、無人艦船、uuv可以在比較復雜的海洋環(huán)境執(zhí)行海洋觀測、沉船搜尋等任務，這些海洋無人平臺的信息交互離不開水聲通信，水聲信道中多普勒擴展嚴重、頻譜資源受限、信噪比低等特性，聲波信息傳輸環(huán)境比較惡劣，水聲通信的穩(wěn)定性難以保證，因此對海洋穩(wěn)定通信技術提出了更高的要求。

2、由于水聲傳播速度較電磁波傳播速度低很多，水下移動平臺之間的水聲通信受多普勒影響較為嚴重，在通信系統(tǒng)中多普勒效應會使解調信號相位發(fā)生旋轉，嚴重影響水聲通信的穩(wěn)定性。因此，如何在水下快速運動平臺的水聲通信系統(tǒng)中抑制多普勒效應，是水下通信系統(tǒng)穩(wěn)定運行的核心研究方向。關于移動平臺水聲通信中多普勒估計與補償技術國內外已經開展了廣泛研究。

3、公開號為cn108833312a的專利公開了一種基于時延多普勒域的時變稀疏水聲信道估計方法，包括針對時變水聲信道進行時延多普勒域建模，以期獲得稀疏的二維域表達方式，在時延多普勒域表達的基礎上。采用逐塊訓練模式，并結合施密特正交匹配追蹤算法迭代尋優(yōu)得到時延多普勒域的稀疏水聲信道沖激響應函數，將所估計得到的時延多普勒域水聲信道信息，在接收端，構造基于信道信息的最小均方誤差均衡器對發(fā)送信號進行恢復。

4、公開號為cn110247867a的專利公開了水聲多普勒估計方法及裝置、水聲通信方法及系統(tǒng)，包括在發(fā)射端發(fā)兩段雙曲調頻信號，在接收端用第一段雙曲調頻信號的匹配濾波輸出與第二段雙曲調頻信號的匹配濾波輸出進行重相關，從而得到第一段雙曲調頻信號的匹配濾波輸出和第二段雙曲調頻信號的整體相對時移，進而估計出多普勒因子。

5、公開號為cn112822135a的專利公開了一種單載波高速水聲通信方法，包括如下步驟：(1)、單載波信號編碼調制，發(fā)射端將原始信息序列進行串并轉換并映射到qpsk相位集中，然后再映射后的相位序列前加入訓練序列后經載波調制后即可發(fā)送出去；(2)、信道估計，接收端完成信號檢測與同步后，利用本地已知的訓練序列對信道進行估計；(3)、頻域迫零均衡處理，利用估計得到的信道在頻域構建權矩陣，并與接收信號相乘，實現對信道的均衡處理；(4)、判決反饋均衡處理，頻域迫零均衡處理后的信號逆傅里葉變換回時域并利用內嵌鎖相環(huán)的判決反饋均衡器進行最終解碼處理。

6、論文[胡耀輝，等，一種面向水下移動通信的組合差分擴頻水聲通信方法[j]，電子與信息學報，2022]公開了組合差分實現二維組合間的極性差分解碼解決多普勒問題，并在能量映射解碼基礎后加入極性調制提高頻譜利用率。論文[魏卓群，移動穩(wěn)健擴頻水聲通信技術研究[d]，2018]公開了基于窄帶互模糊度函數的時延-多普勒估計方法可以較為準確的估計移動節(jié)點水下通信多普勒，在每兩個符號間使用直擴信號進行多普勒實時估計和補償，采用重采樣進行多普勒補償，但是不適合特殊情況下殘留多普勒效應的消除。論文[覃浩，水下移動節(jié)點通信可靠性研究[d]，2016]公開了基于多項式的改進pisarenko諧波分解法估計多普勒，但是復雜度高，不適合變化多普勒通信。

7、高速移動平臺水聲通信多普勒效應不能完全補償多普勒，或者超過現有多普勒估計補償算法本身的多普勒容限，不能很好地解決多普勒效應，在較低信噪比下估計不準確、估計時長較長、剩余多普勒補償不完全和算法較復雜。現有多普勒估計技術有塊多普勒估計，信號前后各有l(wèi)fm信號，通過匹配濾波求多普勒估計值，此種方法估計精度不高，求出的多普勒為平均多普勒，不能完全補償信號的多普勒。模糊函數多普勒估計算法，估計時長較長，實時性較差。模糊度函數進行多普勒估計，殘留的多普勒通過內嵌鎖相環(huán)的判決反饋均衡器來消除，其算法復雜度較高，估計較慢，不適合算法的下移實現。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種高速移動水聲通信多普勒估計補償方法。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的：

3、本發(fā)明提供了一種高速移動水聲通信多普勒估計補償方法，包括以下步驟：

4、s1、接收帶有多普勒效應的特定幀格式的水聲通信信號，通過zoom-fft算法對cw信號的頻率進行局部細化放大，用于快速、精確的進行多普勒估計，將通信信號的多普勒確定在預設范圍內；

5、s2、通過af算法估計lfm信號的頻偏，用于減小多普勒搜索步長，進一步精細估計多普勒，通過重采樣對多普勒頻移進行補償；

6、s3、通過碼元殘相抵消完全消除補償后剩余的多普勒效應，將發(fā)送的雙極性碼元變?yōu)閺蛿涤虼a元，對復數域碼元信息進行變換，用于解調時，復數域碼元通過反變換抵消碼元之間的相位。

7、進一步地，所述步驟s1具體包括：

8、對cw信號進行頻譜搬移：，搬移到中心頻率處，得到信號，其中為單位旋轉因子；

9、計算抽樣比，其中為采樣頻率；

10、計算cw信號的總采樣點數，其中為分析點數；

11、通過數字低通濾波器，保留信號在頻段以內需要細化的頻段，得到信號，，其中為沖激響應，數字低通濾波器的截止頻率為；

12、若采樣頻率為，對信號每隔d-1個點取一個數據，得到粗粒化信號；

13、對粗粒化信號進行n點復fft，通過截取細化后頻譜fft結果，將其反向搬移，進行前后相接，轉換成實際頻率，得到了細化fft變換結果，得到的頻率與原始頻率相減，得到大致多普勒頻偏。

14、優(yōu)選地，所述步驟s2具體包括：

15、本地基于zoom-fft算法確定的多普勒范圍，進行小步長多普勒因子變化，多普勒變化后的本地lfm信號與接收到的信號進行相關，選取信號的模糊函數af中最大值，基于zoom-fft-af聯合多普勒算法估計出的多普勒，對接收信號進行重采樣補償多普勒頻偏；

16、其中af定義為；為信號的時延；為多普勒頻移；線性調頻脈沖信號的時間函數表示為；其中a為信號幅值，t為每個碼元的傳輸周期；

17、若時，lfm信號的af為：

18、；

19、接收到的信號與本地進行多普勒因子變化后的信號進行相關，其模糊函數表達式可表示為：，其中r為接收信號。

20、優(yōu)選地，所述步驟s3中碼元殘相抵消消除補償后的殘余多普勒效應具體包括：在發(fā)射端，對psk碼元進行復數域碼元變換：

21、；

22、其中為雙極性復數域碼元，為變換之前的信息，為中間變換碼元，為變換后碼元，為碼元對應的相位信息，為碼元對應的相位信息，為碼元對應的相位信息，然后對進行擴頻、升余弦濾波上采樣和上變頻調制，得到發(fā)射信號；

23、接收到的水聲多普勒信號基于接收端進行相應的下變頻解調、升余弦濾波和解擴，對判決前的復數域碼元進行基于發(fā)射端進行相應的反變換：

24、；

25、其中為一次抵消i/q路判決前數據，為變換碼元復數域幅值信息，為對應的相位信息，為碼元相位抵消變換后i/q路判決前數據，為自身相位信息，然后對取出實部與虛部進行判決，得到碼元信息。

26、本發(fā)明的有益效果是：

27、1）本發(fā)明通過zoom-fft算法對cw信號頻率快速較為準確的估計，把信號多普勒鎖定在小范圍內，通過lfm信號af算法，進一步小步長搜索估計多普勒，解決了在低信噪比下、運算量高、低精度估計大多普勒問題。

28、2）本發(fā)明利用碼元之間相位信息的特點，對發(fā)送數據復數域碼元信息進行特定的變換，解調時復數域碼元之間通過特定的反變換抵消碼元之間的相位，算法復雜度較低，易于實現，解決了多普勒補償后剩余多普勒補償問題，為水下移動穩(wěn)定通信提供了關鍵技術支撐。