科创中国

一种低计算复杂度的多普勒因子估计方法，涉及水声通信。设计了一种传输数据包结构，即在待发送数据前插入LFM信号、保护间隔以及单频脉冲(CW)信号。本发明对多普勒因子估计分为两步，首先对CW信号使用FFT测频方法，将多普勒因子锁定在一个较小范围；再对LFM信号使用模糊函数方法来对多普勒因子进行精确估计。模糊函数方法中相关器的数量是由需要搜索的多普勒因子范围和多普勒因子的估计精度来确定，本发明中搜索范围为第一步确定的多普勒因子范围，因此搜索范围得到大幅缩小，仅需要少量的相关器。本发明利用CW信号和LFM信号的特点，在确保估计误差的绝对值小于等于估计精度的前提下，计算复杂度得到大幅减少，且容易实现。

一种低计算复杂度的水声通信多普勒因子估计方法，其特征在于，该方法是基于水声通信系统传输数据包结构而实现的，所述方法包含:步骤1)多普勒因子初范围估计；步骤2)多普勒因子精确估计；所述传输数据包结构由LFM信号、保护间隔、CW信号、保护间隔、待传输数据依次组成；所述步骤1)多普勒因子初范围估计是将多普勒因子锁定在一个小的范围内，具体该步骤包含：1)通过传输数据包结构确定CW信号起始位置，提取后续CW信号；2)利用传统FFT测频方法对CW信号进行频率检测，进行FFT变换后，搜索其中幅值最大所对应的点N1，计算对应频率fmax，假设发射时CW信号频率为fcw，可以得到多普勒因子Δ＝fmax/fcw-1；由于栅栏效应，所得到频率fmax可能与接收时CW信号的频率f'cw有一定的偏差，所以多普勒因子Δ可能与真实多普勒因子有较大偏差

水声通信不仅仅在军事领域有着极大的应用价值，近些年来其在民用领域应用价值越来越突出，如海洋水质监测、海洋灾害预警与搜救、资源勘探等。当前我国水声通信技术还处在一个起步阶段，主要是应用在在传输速率较低和移动速度很小的场合，这是因为水声通信系统的发展受到了水声信道条件的极大限制，与其他通信信道相比，水声信道表现出复杂的时变、空变、频变的随机特性。特别是声波在水中的传播速率低(1500m/s)，导致其具有严重的多径效应和多普勒效应，加上水声信道固有的复杂性，如背景噪声强烈等诸多特性制约着水声通信的有效进行，使其成为无线通信的众多研究领域中发展最慢的。随着海洋开发活动的频繁，人们对移动和高速水声通信系统有了更多的期望，不论是高速还是移动水声通信系统，都不得不面对的问题是多普勒估计与补偿。由于声波在水中的传播速率只有1500m/s，当通信系统的收发两端存在相对运动时,接收信号中会有严重的多普勒效应,即使没有相对运动,来自时变海面的起伏等也有可能引起比较严重的多普勒效应和随机相位起伏,从而使得通信系统性能急剧下降，所以有效的多普勒估计与补偿技术是水声通信系统中的一个研究重点。

中国科学院深圳先进技术研究院提升了粤港地区及我国先进制造业和现代服务业的自主创新能力，推动我国自主知识产权新工业的建立，成为国际一流的工业研究院。 深圳先进院目前已初步构建了以科研为主的集科研、教育、产业、资本为一体的微型协同创新生态系统，由九个研究平台，国科大深圳先进技术学院，多个特色产业育成基地、多支产业发展基金、多个具有独立法人资质的新型专业科研机构等组成。开展先进技术研究，促进科技发展。信息、电子、通讯技术研究新材料、新能源技术研究高性能计算、自动化、精密机械研究生物医学与医疗仪器研究相关学历教育、博士后培养与学术交流。

与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：

1)与传统FFT估计频率相比，其避免了通过增加CW信号的持续时间来

增加估计精度，并且运算量没有明显的增大；

2)与相关多普勒估计方法相比，其在不降低多普勒因子估计精度的要求

下，运算量得到大幅减少；

3)数据帧结构简单、实现简单、算法精度高、实时性强易于实现等特点。

技术合作

多普勒因子精确估计是通过模糊函数方法来估计，即将接收到的LFM信号通过一系列不同多普勒因子对应的LFM信号的匹配滤波器,当匹配滤波器的冲击响应与输入信号相匹配时,匹配滤波器的输出信噪比最大,此匹配滤波器冲击响应所对应的多普勒因子必然能够反映输入信号的多普勒因子的大小。基本原理如下：

1)模糊函数模糊函数描述由距离延迟和多普勒频移引起的匹配滤波器失配时的变化情况。本发明从匹配滤波器输出出发来定义宽带连续信号的模糊函数：

2)设置M个不同多普勒因子的LFM信号匹配滤波器，匹配滤波器组的分辨率为Δ

max，将接收到的LFM信号通过匹配滤波器组；

3)比较M个匹配滤波器输出的最大值，得到最大值，最大值所对应的相关器就是与所接收的LFM信号相关性最好，从而得出精确的多普勒因子。

整个多普勒因子估计的实现流程图如图5所示。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形式的技术方案，比如在精确估计时，可以采用基于分数阶傅里叶变换(FRFT)得到，均落在本发明要求的保护范围内。