CN107505596B - 基于双扩展水声信道环境下的mimo主动探测信号设计与检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双扩展水声信道环境下的MIMO主动探测信号设计与检测系统和方法，适用于快速时变的双扩展水声信道条件下的水声探测与定位领域。本发明提出的基于周期性自相关和互相关结构的ZCZ序列波形设计的优势在于不用过多的考虑和设计不同的正交结构，只利用波形序列的周期性循环移位相关特性即可实现干扰的完全消除。通过波束形成和匹配滤波处理，区分不同发射阵元回波信号的虚拟数据向量，扩展虚拟阵元孔径，提高目标分辨力，提升整个系统的空‑时分集增益。一次可以实现所有方位的检测，与现有传统波束形成技术相比，节省探测时间。

Description

基于双扩展水声信道环境下的MIMO主动探测信号设计与检测 系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于双扩展水声信道环境下的MIMO主动探测信号设计与检测系统和方法，适用于快速时变的双扩展水声信道条件下的水声探测与定位领域。

技术背景

声纳信号与通信信号的本质区别在于，通信信号包含通信的全部信息，而声纳信号毫无信息，只是信息的运载工具，当声纳的发射信号到达探测目标时，信号就会、发生反射，目标的全部信息都蕴藏在回波信号中。雷达信号的发射波形和他能运载信息有直接的关系，波形的选择会直接决定和影响声纳系统的性能参数，包括信噪比、距离分辨力、多普勒分辨力、时延和多普勒模糊度函数等。传输过程重点关注如何从声纳回波信号中尽可能多的提取目标的有用信息。而在波导水声环境中，信道具有快速时变特性和时延多普勒双扩展特性，给目标信号提取造成困难。因此要合理设计声纳信号发射波形和信号检测方法，克服时变双扩展水声信道的复杂环境，提高MIMO声纳系统空-时分集增益，实现多目标检测。

发明内容

本发明提出一种基于快时变、双扩展水声信道环境下的MIMO主动探测信号设计与检测系统和方法。

现有的MIMO主动探测信号设计，基本原理上都采用非周期的相关结构，这些发射信号虽然具有较好的非周期自相关与互相关特性，仍有一定的旁瓣干扰。本发明提出一种基于周期性自相关和互相关结构的ZCZ序列波形设计，这种波形的优势在于不用过多的考虑和设计不同的正交结构，只利用波形序列的周期性循环移位相关特性即可实现干扰的完全消除。通过波束形成和匹配滤波处理，区分不同发射阵元回波信号的虚拟数据向量，扩展虚拟阵元孔径，提高目标分辨力，提升整个系统的空-时分集增益，一次可以实现所有方位的检测。与现有传统波束形成技术相比，节省探测时间。

为克服波导环境水声信道快时变、大时延、严重多普勒扩展的缺点，实现多目标检测。本发明采取的技术方案为：周期性循环移位相关ZCZ序列设计和MIMO水声信号检测，系统主要装置包括：

ZCZ序列生成器，采用循环移位和循环前缀的方式，生成适用于MIMO主动探测的信号；

发射功率放大器组，与ZCZ序列生成器相连，用于发射信号功率放大；

接收功率放大器组，与接收水听器阵列相连，用于实现接收信号增益控制；

发射换能器阵列，与发射功率放大器组相连，用于将放大后的探测信号由电信号转换为声信号，并将声信号发射至探测水域；

接收水听器阵列，用于将接收到的回波声信号转换为电信号；

相干处理单元，将接收到的MIMO信号进行处理，得到MIMO波束模式，对MIMO波束模式进行估计，得到潜在目标方位，然后对匹配滤波输出的结果，利用广义似然比检测器检测估计的潜在目标方位上是否存在真实目标。

其中，u_mimo(θ)为匹配输出之后的MIMO波束模式，θ为可能存在目标的方位，H₁表示估计出的潜在目标方位存在真实的目标，H₀表示估计出的潜在目标方位不存在真实的目标，δ为广义似然比检测器的检测阈值。

与现有技术相比，本发明创新之处在于：

基于周期性循环移位相关的ZCZ发射信号设计，能够对抗波导时变水声信道，可以实现完全干扰消除；

通过MIMO阵处理，可以获得空间的分集增益，与传统的相控阵波束形成相比，扩展了虚拟孔径和空间自由度，能够获得更窄的主瓣和更低的旁瓣，提升了目标检测的分辨力和回波检测的信噪比；

与传统相控阵波束形成相比，本发明一次探测可实现对所有方位的检测，避免了相控扫描，节约了时间。

附图说明

图1是本发明中水声MIMO定位收发系统整体原理图。

图2是收发合置阵列示意图。

图3是本发明中的MIMO探测系统和相控阵探测系统波束模式图对比。

图4是ZCZ信号经过真实波导水声信道干扰抑制情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的描述，但本发明的实施和保护范围不限于此。

本发明基于ZCZ探测信号设计的MIMO水声探测装置，包括：

ZCZ序列生成器，采用循环移位和循环前缀的方式，生成适用于MIMO主动探测的信号；

发射功率放大器组，与ZCZ序列生成器相连，用于发射信号功率放大；

接收功率放大器组，与接收水听器阵列相连，用于实现接收信号增益控制；

发射换能器阵列，与发射功率放大器组相连，用于将放大后的探测信号由电信号转换为声信号，并将声信号发射至探测水域；

接收水听器阵列，用于将接收到的回波声信号转换为电信号；

相干处理单元，将接收到的MIMO信号进行处理，得到MIMO波束模式，对MIMO波束模式进行估计，得到潜在目标方位，然后对匹配滤波输出的结果，利用广义似然比检测器检测估计的潜在目标方位上是否存在真实目标。

图1所示为本发明信号生成与探测方法的工作原理图，包括：ZCZ序列生成器、发射功率放大器组、接收功率放大器组、发射换能器阵列、接收水听器阵列、相干处理单元。

发射阵和接收阵布放如图2所示，发射阵元个数为N_t＝6，接收阵元个数为N_r＝7，发射阵元间距为10cm，接收阵元间距7cm。

需要说明的是，虽然图1为了更加简洁的表达，使用了N_t＝6，N_r＝7，但是本发明中，发射换能器阵列N_t与接收换能器阵列N_r不仅限于此特例，只要在收发条件允许的范围内，可以通过调整收发阵元个数，来得到合理的波束模式。

利用本发明的MIMO探测信号发生装置进行探测信号的生成，包括如下步骤：

步骤1：对于一个ZCZ序列结构，Fⁿ代表具有M个ZCZ序列的簇，每个ZCZ序列的长度为L，可以进一步表示为F(L,M,Z_CZ),Z_CZ为零相关区间长度，当n为0时，用于生成ZCZ序列的基础矩阵可表示为：

步骤2：进一步推广，L₀＝2为开始的序列长度，并且让起始n＝1，更长的ZCZ序列矩阵可以表示为:F(L,M,Z_CZ)＝(2²ⁿL₀,2ⁿ⁺¹,2ⁿ+1)＝(8,4,3)。可以用式(4)来表示结构：

式(4)中矩阵

表示对

取反，F¹的每一行都是一组ZCZ序列。

步骤3：推广ZCZ序列簇，对于F^n-1＝(2^2(n-1)L₀,2ⁿ,2^n-1+1)，一个更大的序列簇Fⁿ＝(2²ⁿL₀,2ⁿ⁺¹,2ⁿ+1)可表示为：

式(5)中，

和

可以用式(6)处理方式来实现：

将式(5)生成的ZCZ信号进行以下处理：

步骤1：将生成的一路ZCZ序列进行循环移位处理，移位生成几路信号由发射换能器阵元个数来决定。

步骤2：为了保证生成信号序列具有良好的循环移位自相关特性，需要将每路生成的信号加循环前缀处理。

经过循环移位和循环前缀处理的ZCZ信号，经过发射驾驶向量整合，由发射功率放大器组将信号放大，最终由MIMO换能器将电信号转换成声信号传播出去。

整个信号收发和检测过程包括如下步骤：

步骤1：信号发射机发射一组M个经过循环移位+循环前缀处理的ZCZ循环移位序列，信号以向量形式表示为s[n]＝(s₁[n],s₂[n],…,s_M[n])^T，发射信号的协方差矩阵可以表示为：

式(7)中，M≥1的正整数，n表示正交信号第n时刻的采样点,1≤n≤L，L表示采样得到的码字序列长度，β_ij表示第i路发射信号s_i[n]和第j发射信号s_j[n]之间的互相关系数，s^H[n]是s[n]共轭转置运算，R_s可以通过SVD分解为：

R_s＝UΛU^H (8)

其中U为酉矩阵，Λ为对角阵，U^H为U的共轭转置。当发射信号完全正交时，R_s＝I_M。

步骤2：由N_t个发射阵元和N_r个接收阵元组成的探测系统，发射阵列驾驶向量a_t(θ)和接收阵列驾驶向量a_r(θ)分别表示为式(9)和式(10)：

其中a_t(θ)为发射换能器阵列的驾驶向量，a_r(θ)为接收换能器阵列的驾驶向量，θ为潜在目标方位角度，N_t为发射换能器阵列的阵元个数，N_r为接收水听器阵列的阵元个数，d_t为发射换能器阵元间距，d_r为接收水听器阵元间距，f为发射机发射信号中心频率，c为水中声速，(·)^T表示矩阵转置运算。

步骤3：经过驾驶向量波束形成的N_t个正交信号s[n]，经过功率放大器组发送至发射换能器阵列，发射换能器阵列将放大后的正交信号由电信号转化成声信号，并将声信号发送至待探测水域；信号经过待检测目标反射，由接收水听器阵列接收回波信号，并由接收水听器功率放大器组将回波声信号转化为电信号。接收到的信号可以表示为：

式(11)中，r[n]为接收水听器接收到的电信号，r[n]＝[r₁[n],r₂[n],…,r_Nr[n]]^T，n＝1,2,…L为N_r元接收阵接收到的信号序列，α(θ)为信号传播衰减系数，w[n]为接收水听器阵列接收到的信号组与发射信号组不相关的加性噪声向量。服从

的复高斯分布，其中

是噪声功率，

是秩为N_r的单位矩阵。

把长度为L的接收信号序列表示为矩阵的形式，采取阵列数据存储的形式：

其中R＝[r[1],r[2],…,r[L]],S＝[s[1],s[2],…s[L]]，则

N＝[w[1],w[2],…，w[L]]，

步骤4：根据式(11)描述的MIMO接收信号模型r[n]来检测和定位目标，要通过与发射的ZCZ循环移位信号

做匹配滤波处理来获得，通过匹配滤波处理得到的充分检验统计矩阵为：

发射信号具有完美的循环移位自相关特性，充分检验统计矩阵Y_mimo进一步简化为：

将式(14)得到的充分统计量做列向量化处理，得到如式(15)所示的充分统计量的列向量化表示：

y_mimo＝vec(Y_mimo)＝α(θ₀)d(θ₀)+v (15)

式(15)中，θ₀是目标潜在方位，α(θ₀)为潜在目标方位角度的信号传播衰减系数，

是长度为N_tN_r×1的接收水听器阵列匹配输出响应，

是克罗内克积，

是服从

的复高斯噪声，其中

是向量化后的噪声功率，

是秩为MN的单位矩阵。

步骤5：根据式(15)得到的充分统计量y_mimo，由式(16)得到系统收发波束模式图和含有潜在目标方位的最大似然估计

式(16)中，u_mimo(θ)为匹配输出之后的MIMO模式，θ为可能存在目标的方位，||表示求绝对值运算，||||表示向量求模运算，

表示对a_r(θ)做共轭转置运算，

表示对a_t(θ)做共轭转置运算，

表示潜在目标所在方位的最大似然估计。

使用式(16)表达式的波束模式，对于每一个-90°≤θ≤90°，计算其对应的波束模式数值，得到如图3实线所示的波束模式图，根据式(17)和波束模式图，搜索u_mimo(θ)的最大值所对应的角度θ，即为估计出的潜在目标的方位

步骤6：利用式(17)对MIMO波束模式进行估计，得到潜在的目标方位，然后利用式(18)的广义似然比检测器检潜在目标方位

上是否真实存在目标：

式(18)中，

是估计出的潜在目标方位上的波束模式，H₁表示估计出的潜在目标方位存在真实的目标，H₀表示估计出的潜在目标方位不存在真实的目标，δ为广义似然比检测器的检测阈值。由预先设定的虚警概率P_f来决定，当

时认为潜在目标方位

目标真实存在，否则认为潜在目标方位

目标并不真实存在。

从图3可以看出，估计出来的目标方位

与实际情况中待检目标方位相符。

与传统相控阵波束形成波束模式相比较，本发明的探测方法的波束模式具有更窄的主瓣和更窄的旁瓣，第一旁瓣比常规相控阵的第一旁瓣低13dB。

波束模式具有更窄的主瓣能够获得更高的目标分辨力，更低的旁瓣能够减小背景噪声和虚警的干扰，提高接收信号信噪比，提高目标检测概率。

本发明提出的基于循环移位的ZCZ序列的信号检测，能够对抗波导时变双扩展水声信道，能够实现干扰的完全消除，图4表示循环移位相关的ZCZ信号经过真实的水声信道。与传统的伪随机序列相比，循环移位相关的ZCZ序列能够实现干扰的完全消除，具有更好的检测性能。

Claims (4)

1.一种基于双扩展水声信道环境下的MIMO主动探测信号设计与检测系统的设计与检测方法，所述的设计与检测系统包括：

ZCZ序列生成器，采用循环移位和循环前缀的方式，生成适用于MIMO主动探测的信号；

发射功率放大器组，与ZCZ序列生成器相连，用于发射信号功率放大；

发射换能器阵列，与发射功率放大器组相连，用于将放大后的探测信号由电信号转换为声信号，并将声信号发射至探测水域；

接收水听器阵列，用于将接收到的回波声信号转换为电信号；

接收功率放大器组，与接收水听器阵列相连，用于实现接收信号增益控制；

相干处理单元，将接收到的MIMO信号进行处理，得到MIMO波束模式，对MIMO波束模式进行估计，得到潜在目标方位，然后对匹配滤波输出的结果，利用广义似然比检测器检测估计的潜在目标方位上是否存在真实目标；

其特征在于，所述的设计与检测方法包括如下步骤：

1)ZCZ序列生成器生成ZCZ序列；将生成的ZCZ序列进行循环移位处理，移位生成几路信号由发射换能器阵元个数来决定，将每路生成的信号加循环前缀处理；

2)经过循环移位和循环前缀处理的ZCZ信号，经过发射驾驶向量整合，由发射功率放大器组将信号放大，放大后的信号由发射功率放大器组发送至发射换能器阵列，由发射换能器阵列将电信号转换成声信号发送至待探测水域；

3)信号经过待检测目标反射，由接收水听器阵列接收回波信号，并由接收功率放大器组将回波声信号转化为电信号，相干处理单元对MIMO波束模式进行估计，得到潜在的目标方位，然后利用的广义似然比检测器检测潜在目标方位上是否真实存在目标。

2.根据权利要求1所述的基于双扩展水声信道环境下的MIMO主动探测信号设计与检测系统的设计与检测方法，其特征在于所述的步骤1)，具体为：

步骤1.1：对于一个ZCZ序列结构，Fⁿ代表具有M个ZCZ序列的簇，每个ZCZ序列的长度为L，Fⁿ进一步表示为F(L,M,Z_CZ)，Z_CZ为零相关区间长度，当n为0时，用于生成ZCZ序列的基础矩阵表示为：

F(L,M,Z_CZ)＝(2,2,1)(1)

步骤1.2：以L₀＝2为开始的序列长度，并且让起始n＝1，更长的ZCZ序列矩阵表示为:

F(L,M,Z_CZ)＝(2²ⁿL₀,2ⁿ⁺¹,2ⁿ+1)＝(8,4,3)，用公式(2)来表示结构：

式(2)中，矩阵

表示对

取反，F¹的每一行都是一组ZCZ序列；

步骤1.3：推广ZCZ序列簇，对于F^n-1＝(2^2(n-1)L₀,2ⁿ,2^n-1+1),Fⁿ＝(2²ⁿL₀,2ⁿ⁺¹,2ⁿ+1)，一个更大的序列簇Fⁿ＝(2²ⁿL₀,2ⁿ⁺¹,2ⁿ+1)表示为：

步骤1.4：式(3)中，

和

用式(4)的处理方式来实现

3.根据权利要求1所述的基于双扩展水声信道环境下的MIMO主动探测信号设计与检测系统的设计与检测方法，其特征在于所述的步骤2)，具体为：

步骤2.1：信号发射机发射一组M个经过循环移位+循环前缀处理的ZCZ循环移位序列，信号以向量形式表示为s[n]＝(s₁[n],s₂[n],…,s_M[n])^T，发射信号的协方差矩阵表示为：

式(5)中，M≥1的正整数，n表示正交信号第n时刻的采样点,1≤n≤L，β_ij表示第i路发射信号s_i[n]和第j发射信号s_j[n]之间的互相关系数，s^H[n]是s[n]共轭转置运算，R_s通过SVD分解为：

R_s＝UΛU^H (6)

式(6)中U为酉矩阵，Λ为对角阵，U^H为U的共轭转置，当发射信号完全正交时，R_s＝I_M；

步骤2.2：发射阵列驾驶向量a_t(θ)和接收阵列驾驶向量a_r(θ)分别表示为(7)

和(8)：

其中a_t(θ)为发射换能器阵列的驾驶向量，a_r(θ)为接收换能器阵列的驾驶向量，θ为潜在目标方位角度，N_t为发射换能器阵列的阵元个数，N_r为接收水听器阵列的阵元个数，d_t为发射换能器阵元间距，d_r为接收水听器阵元间距，f为发射机发射信号中心频率，c为水中声速，(·)^T表示矩阵转置运算；

步骤2.3：经过驾驶向量波束形成的N_t个正交信号s[n]，经过功率放大器组发送至发射换能器阵列，发射换能器阵列将放大后的正交信号由电信号转化成声信号，并将声信号发送至待探测水域；信号经过待检测目标反射，由接收水听器阵列接收回波信号，并由接收水听器功率放大器组将回波声信号转化为电信号。

4.根据权利要求1所述的基于双扩展水声信道环境下的MIMO主动探测信号设计与检测系统的设计与检测方法，其特征在于所述的步骤3)，具体为：

步骤3.1：接收水听器接收到的信号表示为：

式(9)中，r[n]为接收水听器接收到的电信号，

n＝1,2,…L为N_r元接收阵接收到的信号序列，α(θ)为信号传播衰减系数，w[n]为接收水听器阵列接收到的信号组与发射信号组不相关的加性噪声向量，服从

的复高斯分布，其中

是噪声功率，

是秩为N_r的单位矩阵；

步骤3.2：利用式(9)描述的MIMO接收信号模型r[n]来检测和定位目标，要通过与ZCZ循环移位信号

做匹配滤波处理来获得，通过匹配滤波处理得到的充分检验统计矩阵为：

发射信号具有完美的循环移位自相关特性，充分检验统计矩阵Y_mimo进一步简化为：

将式(11)得到的充分统计量做列向量化处理，得到如式(12)所示的充分统计量的列向量化表示：

y_mimo＝vec(Y_mimo)＝α(θ₀)d(θ₀)+v (12)

式(12)中，θ₀是目标潜在方位，α(θ₀)为潜在目标方位角度的信号传播衰减系数，

是长度为N_tN_r×1的接收水听器阵列匹配输出响应，

是克罗内克积，

是服从

的复高斯噪声，其中

是噪声功率，

是秩为N_tN_r的单位矩阵；

步骤3.3：根据步骤3.2得到的充分统计向量y_mimo，由式(13)得到系统收发波束模式图和含有潜在目标方位的最大似然估计

式(13)中，u_mimo(θ)为匹配输出之后的MIMO波束模式，||表示求绝对值运算，||||表示向量求模运算，

表示对a_r(θ)做共轭转置运算，

表示对a_t(θ)做共轭转置运算，

表示潜在目标所在方位的最大似然估计；

步骤3.4：利用式(13)对MIMO波束模式进行估计，得到潜在的目标方位，然后利用式(14)的广义似然比检测器检测潜在目标方位上是否真实存在目标：

式(14)中，

为估计出的潜在目标方位上的波束模式，H₁表示估计出的潜在目标方位存在真实的目标，H₀表示估计出的潜在目标方位不存在真实的目标，δ为广义似然比检测器的检测阈值。

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