水下探測通信一體化關鍵技術分析

盧 俊, 張群飛, 史文濤

?

水下探測通信一體化關鍵技術分析

盧 俊, 張群飛, 史文濤

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

水下探測與水聲通信相結合的水下探測通信一體化技術具有減小平臺體積、降低功耗、提高隱蔽性等優點, 但聲吶的物理特性、聲特性以及水聲環境等因素制約了該技術的發展。結合現有雷達通信一體化、水下探測與水聲通信技術, 研究了共享體制下基于通信信號的水下探測通信一體化技術, 分析了常用水聲通信調制方式的探測與通信性能, 選取了適合水下共享波形的調制方式。針對單基地工作模式, 提出了多級自干擾抑制方法以及利用通信信號特點進行目標方位估計與檢測的方法, 設計了發射泄漏模擬抵消器。針對雙基地工作模式, 利用空域矩陣濾波方式進行直達波的消除, 分析了信噪比、誤碼率與探測性能的關系, 同時利用直達波獲取的發射信號與回波信號進行匹配濾波, 提高了目標參數估計與檢測性能。

水下探測; 水聲通信; 一體化; 單基地聲吶; 雙基地聲吶

0 引言

隨著科學技術的不斷進步, 水下作戰方式也向著信息化、系統化發展。水下探測以及水下通信作為水聲信息技術一直備受重視, 而將兩者相結合的水下探測通信一體化技術也成為水聲信息技術中重要的研究方向, 對海洋的利用開發和海洋國防安全有著深遠的意義?，F有的水下信息系統中, 水下探測和水聲通信往往作為獨立的設備單獨設計和使用, 給體積占用、功率消耗方面帶來很大壓力, 而兩者在工作原理、系統結構、信號處理以及工作頻率上的相似, 將兩者有機的結合集成, 形成探測通信一體化, 則可減小平臺的體積, 降低功耗, 增強隱蔽性[1]。水下探測通信一體化可以實現多種資源的共享, 提高系統生存能力與應變能力, 將成為未來綜合電子信息系統發展的趨勢。

1 探測通信一體化發展

探測通信一體化技術最早應用于雷達上, 在20世紀60年代, Mealey[2]提出了在雷達上實現通信功能的理念, 利用雷達的脈沖對通信數據進行調制實現單向通信系統。1975年, Fiden等[3]利用不同的脈沖重復頻率(pulse recurrence frequency, PRF)表示不同的通信數據來實現雷達系統傳輸數據的功能。20世紀80年代, 美海軍研究實驗室在Tilghman島上利用SENRAD雷達搭建了一系列雷達通信驗證系統[4], 驗證了利用雷達進行通信的可行性。此后, 探測通信一體化越來越受到各國學者的關注, 而基于聲吶的水下探測通信一體化系統目前還處于起步階段。

1.1 探測通信一體化工作體制

探測通信一體化工作體制分為分時體制、分頻體制、分波束體制以及全共享體制4種。

分時體制將時間劃分為多個間隙, 在每個間隙中發送探測信號或通信信號, 一個間隙內不能同時發送探測信號和通信信號, 分時體制系統復雜度低, 易實現。1996年, 美國海軍研究局開展高級多功能射頻系統(advanced multifunction RF system, AMRFS)研究計劃[5], 其研究的集成艦載射頻系統可以保證雷達、電子戰和通信功能同時或分時使用射頻資源。

全共享體制是指探測與通信共享一個發射波形, 它具有在同一時段、同一頻段進行目標探測與數據通信的能力, 也稱為同時同頻體制。這4種體制的優缺點如圖1所示。

由于雷達可用帶寬大、孔徑大且電磁波傳播速度快的特點, 現有的基于雷達的探測通信一體化系統常采用分時、分頻及分波束的工作體制, 這3種體制都易于工程實現。對于聲吶而言, 由于可用頻帶窄、陣列孔徑小且水聲傳播速度慢, 較適合采用全共享體制, 通過發射共享波形, 使探測與通信在同時同頻段進行, 因此在寬帶利用率、低功耗、小體積方面有著顯著優勢, 但也給系統實現帶來困難, 下文將首先介紹該體制在雷達上的研究現狀。

1.2 全共享體制研究現狀

全共享體制根據共享波形類型可分為通信與探測波形疊加合成共享波形、基于雷達波形的共享波形以及基于通信波形的共享波形3類。

疊加合成的共享波形采用2種相互正交的波形來分別執行探測和通信功能[7]。2種波形獨立產生, 然后疊加合成。2003年, Roberton[8]提出了基于Chirp信號的雷達通信一體化系統, 該系統中通信和雷達波形分別獨立產生, 然后疊加合成共享波形, 該系統以Up-Chirp信號作為通信波形, Down-Chirp信號作為雷達探測波形, 在接收端采用獨立的接收機, 但這2種信號間的干擾成為影響系統性能的新問題。

基于雷達波形的共享波形將通信信息調制到雷達信號上, 雷達信號成為傳輸信號的載體[9]。2007年, 荷蘭的Barrenechea等[10]提出將通信數據以調幅的方式調制在調頻連續波雷達信號上, 形成一個調幅-調頻連續波(amplitude modulation- frequency modulated continuous wave, AM-FMCW)寬帶雷達。Hassanien等[11]使用跳頻的方式將通信信息嵌入到MIMO雷達中。李曉柏等[12]提出了基于線性調頻信號的雷達通信一體化系統, 其采用同調頻率不同初始頻率的Chirp信號, 可在不影響雷達性能的前提下, 實現二進制數據的傳送, 此特殊共用信號的設計使得通信信號隱藏在雷達信號之中, 增強了系統的抗干擾能力和信號的低截獲率。

基于通信波形的共享波形從已有的通信復用技術上發展而來的, 如碼分多址(code division multiple access, CDMA)、正交頻分復用(orthogo- nal frequency division multiplexing, OFDM)等, 該類方法主要將通信信號改造成適合雷達探測的波形[13], 或者直接用通信信號作為探測波形。Sturm等[14]研究了OFDM在車載雷達通信綜合化中的應用, 其利用OFDM信號的頻域特性, 通過傅里葉變換處理雷達測距信號, 不但處理快速、旁瓣低, 且獨立于調制數據。劉少華等[15]提出基于最小移頻鍵控(minimum shift keying, MSK)直接序列擴頻的雷達通信一體化信號, 通過對通信中的數字基帶信號進行擴頻, 使其具有良好的自相關性, 從而滿足雷達探測的要求。以上3種全共享體制的共享波形優缺點如表1所示。

現階段探測通信一體化的研究主要是基于雷達, 而基于水下聲吶的探測通信一體化研究則很少。

2 水下探測通信一體化技術難點分析

表 1 不同共享信號的優缺點比較

Table.1 Comparison of advantages and disadvantages among different shared signals

在水下信息對抗中, 聲吶系統的隱蔽性和低截獲率尤為關鍵。主動聲吶發射聲源級較強, 在進行目標探測時容易暴露己方, 通信信號發射聲源級較弱, 具有較好的隱蔽性。但正是由于通信發射信號弱, 導致目標回波弱。為了提高檢測概率, 需要增加信號累積時間以獲得累積增益, 這樣就需要連續的信號。同時, 在水下無線傳感網絡(underwater wireless sensor networks, UWSN), 各節點間的協同探測和通信中, 利用分布式的多個節點進行信息融合, 可達到比單一節點更高的檢測能力、參數估計精度和容錯能力。在通信過程中, 如果同時利用通信信號進行探測, 有利于提高網絡的協同效率與隱蔽性。因此, 基于通信信號的水下探測通信一體化系統是值得研究的。以通信信號作為共享信號的探測通信一體化系統主要應用模式如圖2所示。

從圖2中可知, 水下探測通信一體化應用共有4種工作模式: ①利用自身發射的通信信號的單基地主動探測; ②利用其他節點通信信號的雙基地探測; ③利用其他節點主動聲吶照射信號(含通信信號)的雙基地探測; ④在通信的同時被動目標探測。

借鑒雷達與聲吶的相似性及雷達通信一體化的研究成果, 文中根據自研的水聲通信與探測系統, 進行水下探測通信一體化的研究。該一體化系統是在保證正常通信性能的前提下, 兼顧目標主動探測功能。通信發射信號既作為信息傳遞信號, 又作為主動探測照射源, 從而實現探測通信一體化。因此, 文中研究的水下探測通信一體化系統是全共享體制下, 采用通信信號作為共享波形, 重點研究圖2中模式①與模式②。系統結構示意圖見圖3。該系統由發射端、接收基陣及電子倉組成, 發射端為單陣元, 接收端為陣列。下面分別就2種探測模式的研究難點進行分析。

2.1 單基地主動探測模式

單基地主動探測模式利用節點自身發射的通信信號分別完成目標探測與信息傳輸, 此時通信信號具有信息傳遞以及目標主動探測2種功能, 其實現過程中存在如下難點。

1) 通信信號波形選取

探測與通信系統在波形上存在差異: 探測系統要求發射信號平均功率大、時寬帶寬積大、在接收端可準確復制副本, 以確保匹配濾波帶來的處理增益, 進而提高信號的檢測能力和參數分辨能力, 常用連續波形、線性調頻等波形; 通信系統要求發射信號盡可能多地攜帶變化的信息, 帶寬利用率高, 常用OFDM、相移鍵控(phase-shift keying, PSK)等波形, 因此, 通信信號波形選取是關系到一體化系統探測與通信性能的重要因素。

2) 發射泄漏抑制

單基地水下探測通信一體化系統采用同時同頻工作體制, 受限于平臺尺寸, 發射端與接收端隔離度有限, 導致發射泄漏功率遠大于目標回波信號功率, 回波信號被干擾信號淹沒, 不利于目標的探測, 因此, 如何對發射泄漏的自干擾信號進行抑制是一大關鍵問題。

3) 基于通信回波信號的目標檢測與參數估計方法

通信回波信號功率小、帶寬寬、持續時間長等特點, 以及復雜時變的水聲環境, 可能使信號發生畸變。通信信號較主動探測信號復雜, 其根據傳輸的信息、調制方式不同而不同, 以二進制相移鍵控(binary phase shift keying, BPSK)調制方式為例, 這時調制波形相位跳變快, 從而更容易發生畸變, 畸變更為嚴重, 不易于目標檢測與參數估計, 需研究有效的回波處理方法。

2.2 雙基地探測模式

雙基地工作模式下, 節點利用其他節點發射的通信信號作為目標探測照射源, 實現目標探測,同時, 通信信號攜帶通信信息, 從而實現探測與通信一體化的功能, 其實現也存在一定難度。

1) 直達波干擾抑制

接收端首先接收的是其他節點發射信號的直達波, 其強度往往強于目標回波信號, 因此在檢測目標時需要對其進行抑制。

2) 目標反射波的不確定性

雙基地模式是利用其他節點發射的通信信號作為照射源, 通信信號根據所需發射的信息而變化, 接收端無發射信號副本, 且不同的調制方式以及復雜時變的水聲環境可能使信號發生畸變, 不易確定回波的正確波形。

從對水下探測通信一體化的單基地與雙基地2種模式實現難點的分析可以知道, 其較陸上雷達通信一體化的實現具有更大的難度, 這些難度源于聲吶的物理特性、聲特性以及水聲環境等, 如何解決這些問題是水下探測通信一體化研究的重點。

3 單基地水下探測通信一體化突破點

借鑒雷達通信一體化的研究, 以及現有水下目標檢測與參數估計方法, 針對單基地水聲探測通信一體化面臨的難點, 給出一些初步方法。單基地水聲探測通信一體化系統結構如圖4所示。從圖中可知, 解決問題的關鍵在于共享波形的選取、發射泄漏抑制以及回波信號處理三方面。

3.1 共享波形選取

常用的水聲無線調制方式有頻移鍵控(frequ- ency-shift keying, FSK)、PSK、MSK, 以及多載波的OFDM等, 特點見表2。

表2 常用無線調制方式特點

(1)

3種調制波形的模糊函數圖如圖5所示。從圖中可知, MSK與2FSK調制信號的模糊函數旁瓣較高, 而BPSK調制信號呈“釘板型”, 都具有良好的時間與頻率分辨率, BPSK調制信號還具有較強的抗多普勒混響能力。在無多徑理想信道條件、載頻6 kHz, 頻帶3~8 kHz, 采樣頻率48 kHz, 碼元寬度12時, 3種調制方式的誤碼率仿真圖如圖6所示。從圖中可知, BPSK誤碼率最低, MSK次之, 2FSK誤碼率最大。由于碼元寬度過小, 導致2FSK失效。綜合比較3種調制方式的模糊函數以及通信誤碼率可知, BPSK較適用于探測通信一體化的共享信號。

3.2 多級自干擾抑制

探測通信一體化系統中發射泄漏的強度遠遠大于目標回波, 需要在接收端對發射泄漏進行抑制?？筛鶕l射泄漏特點進行多級抑制: 首先利用接收端聲學結構對收發換能器進行聲學隔離; 再利用多個接收水聽器的對稱性, 通過兩兩相減對自干擾進行初步抑制; 然后測出發射信號到接收端的傳遞函數, 在模擬電路中減去發射泄漏的估計值, 實現自干擾的抑制; 經過前2級的干擾抑制后, 模擬信號量化成數字信號, 完成進一步的自干擾數字化抑制。探測通信一體化系統多級自干擾抑制示意圖如圖7所示。

1) 聲學隔離

首先把發射換能器和接收水聽器布置在水密儀表艙的兩端, 然后在兩者之間加聲障板, 達到隔離收發之間聲傳播通道的效果。

2) 聲學抑制

利用陣元布置結構, 進行自干擾抵消。如文獻[16]中所提的半波長抵消法, 兩接收陣元與發射陣元在同一直線上, 且兩接收陣元相對于發射端距離差半個波長, 因此兩陣元接收信號的具有“等幅同相”特性, 利用這一特性進行對消, 達到15~30 dB的對消性能。這種雙陣元相減的方法相當于壓差式矢量水聽器, 它會把法線方向的信號也減掉, 所以為了確保各方向信號的正常接收, 至少需要2對連線正交的水聽器。

由于陣元布置精度以及結構影響, 陣元間難以達到“等幅同相”的情況, 這會影響對消的性能, 仿真結果如圖8所示。

從圖8可知, 幅度與相位誤差越小, 對消比越大, 因此陣元間的幅相一致性較為重要。

3) 模擬域發射泄漏抑制

模擬域發射泄漏抑制主要利用延遲器、衰減器和移相器等重建干擾信號, 再用重建的干擾信號與接收信號相減達到干擾抑制目的。常見的方法為多抽頭延遲濾波[16], 其結構圖如圖9所示。

多抽頭延遲濾波模型是當前同頻同時全雙工(co-frequency co-time full duplex, CCFD)系統中模擬域自干擾消除的原型。自干擾消除效果與模擬電路重建的自干擾信號的幅度、相位以及時間延遲偏差有關。以時間延遲偏差為例說明, 采用BPSK調制信號, 發射聲源級180 dB, 仿真得到延遲時間、信號帶寬與殘余自干擾功率關系如圖10所示。

從仿真結果看, 殘余自干擾功率隨著延遲時間的增加而增加, 當延遲時間增加到一定程度時, 殘余自干擾功率達到恒定值; 當延遲時間一定時, 隨著信號帶寬的增加, 殘余自干擾功率增加。所以為了增加自干擾消除能力, 應盡量減小信號帶寬與延遲時間偏差。

依據電話機的回聲抵消原理, 根據文中研究的一體化系統, 設計適合該研究的發射泄漏抵消濾波器(如圖11所示), 它是一種自適應干擾抵消器, 根據抵消輸出調整濾波器系數, 使輸出最小, 最大程度抵消接收信號中的發射泄漏。濾波器系數在數字域調整, 抵消過程在模擬信號域進行, 充分保證了微弱目標回波的信噪比。

4) 數字域發射泄漏抑制

經過前面兩級自干擾抵消后, 模擬信號經過A/D量化成數字信號, 在數字域進一步進行干擾抵消處理。常用的方法有基于干擾信道估計與重建的自干擾抑制及自適應濾波?；诟蓴_估計與重建的數字干擾抑制, 其抑制效果主要取決于干擾信道的估計精度。自適應濾波需要一個接收信號輸入和一個參考輸入, 以便抵消原始輸入中的干擾信號, 而對其中的有用信號則不產生影響。

自適應濾波器如圖12所示, 其核心是自適應對消器, 自適應對消器的特性是當輸入過程的統計特性未知或輸入過程的統計特性變化時, 能自適應調整自身的參數, 以滿足某種準則要求, 常見的準則有遞歸最小二乘(recursive least squa- res, RLS)準則、最小均方(least mean square, LMS)準則、歸一化最小均方(normalized least mean squ- are, NLMS)準則。

經過多級自干擾抑制, 使發射泄漏自干擾被抑制在可以接受的范圍內, 從而保證系統對遠程弱目標的探測性能。

3.3 回波信號處理

水下探測通信一體化對于目標回波信號的處理, 可以借鑒常規的主動聲吶信號處理方法。通信發射聲源級(180~185 dB)要小于主動聲吶發射聲源級(200~205 dB), 因此, 目標回波信號能量更弱。

為提高微弱信號的檢測能力和估計精度, 可對回波信號進行匹配濾波、增加時寬帶寬積處理增益, 但同時也增加了運算復雜度和內存資源開銷。因此, 需要對接收到的回波分段, 再對各段進行信號處理, 最后對處理結果進行融合, 達到降低運算復雜度, 提高探測性能的目的, 其過程如圖13所示。

信號分段的長度不僅影響時間累積增益大小, 同時關系到運算復雜度, 因此合適的信號分段長度對平衡運算復雜度與系統性能尤為關鍵。

回波信號為目標對通信信號的反射波, 利用通信信號的特點進行目標的方位估計與檢測是一種方法。如BPSK調制信號, 其具有非圓特性[17], 依據這一特性, 同時利用接收數據矩陣及其共軛, 組成擴展的接收數據矩陣

利用擴展的接收數據矩陣可以提高信息的利用率, 等效于虛擬擴展陣列的陣元數, 從而提高波達方向(direction of arrival, DOA)估計的分辨率,并增加可估計的信源個數。

基于通信信號的水下探測通信一體化回波信號具有功率小、帶寬寬、持續時間長以及可能存在畸變等特點, 給信號處理帶來難度, 需要進一步研究有效的處理方法。

4 雙基地水下探測通信一體化突破點

雙基地水下探測通信一體化是利用其他節點發射的通信信號作為照射聲源來探測目標。首先通過接收、解調該通信信號的直達波, 獲得發射節點的信息, 然后濾除該直達波去檢測微弱的目標回波。它面臨的問題主要是直達波抑制以及不確定性信號檢測。

4.1 直達波抑制

雙基地水下探測通信一體化工作過程中通信信號直達波的強度會遠高于目標對通信信號的回波。假設雙基地距離為, 目標位于中點/2處、目標強度10 dB, 兩者的吸收衰減差別不大, 但擴展損失相差很大(見表3)。距離1 km的2個節點要實現雙基地探測, 接收系統需要具有38 dB的直達波抑制能力, 才能獲得0 dB的信干比。這對直達波抑制能力提出了較高的要求。

表3 雙基地不同距離下直達波與回波強度分析

式中:是設定的阻帶扇面的衰減率;為目標方位。

從仿真結果可以看出, 當不進行空域濾波, 干噪比為10 dB時, 目標信號被干擾淹沒; 經過最小二乘矩陣濾波后, 在干噪比10 dB時依然能較好地分辨出目標。基于零點約束的空域濾波結果, 在信干比25 dB時依然能檢測到目標, 比最小二乘空域濾波具有更好的干擾抑制效果。

4.2 不確定性信號檢測

雙基地模式中, 通信信號由于發送信息的不同, 其發射信號波形中除了同步頭、訓練段是確定的, 其余大部分是不確定的數據段。同時, 信道環境引起信號的畸變導致目標反射回波的不確定性, 給回波信號的處理帶來難度。

從仿真結果上看, 目標回波與副本做匹配濾波后, 隨著信噪比的提高, 信號通信誤碼率降低, 目標分辨概率隨之提高。

因此, 如何獲取準確波形, 降低誤碼率對探測性能的影響值得研究。將通信幀中攜帶信息的不確定部分進行分塊校驗, 校驗正確則加入到檢測副本中, 否則相應位置的檢測副本置零, 排除解調錯誤的波形給檢測帶來的負面影響。分塊校驗的關鍵是分塊長度的確定, 分塊太長會導致可用的塊太少, 分塊太短則需要引入太多的校驗信息、降低了通信有效數據率, 且不同誤碼率情況下的最佳分塊長度也不同。以正交相移鍵控調制(quadrature phase shift keying, QPSK), 編碼數據幀長1 000 bit為例, 考慮每塊加入4 bit校驗和, 表4為不同誤碼率和分塊長度時的可用分塊比例。

表4 不同誤碼率和分塊長度時的可用分塊比例

利用解調以及校驗等方式, 根據回波信號準確重建發射端發射信號, 是解決目標回波不確定性的一種有效方式。

5 結束語

水下探測通信一體化系統同時具備水聲通信與水下目標主動探測功能, 是水下技術向集成化發展的一個趨勢。文中參考雷達通信一體化技術, 根據水下探測和通信的特點, 提出了全共享體制下基于通信信號的水下探測通信一體化技術。分析傳統水聲通信調制方式的探測與通信性能, 為共享信號選取合適的通信調制方式。針對單基地工作模式, 提出多級自干擾抑制方法對發射泄漏信號進行抑制、以及利用通信信號的特點進行目標的方位估計與檢測方法。針對雙基地工作模式, 利用空域矩陣濾波進行直達波的消除, 同時利用直達波獲取的發射信號與回波信號進行匹配濾波, 提高目標參數估計與檢測性能。文中是對水下探測通信一體化技術初步探討, 后續還需有更深入的研究。

[1] 李廷軍, 任建存, 趙元立, 等. 雷達—通信一體化研究[J]. 現代雷達, 2001, 23(2): 1-2.Li Ting-jun, Ren Jian-cun, Zhao Yuan-li, et al. Research of Radar-Communication Integration[J]. Modern Radar, 2001, 23(2): 1-2.

[2] Mealey R M. A Method for Calculating Error Probabilities in a Radar Communication System[J]. IEEE Transactions on Space Electronics & Telemetry, 1963, 9(2): 37-42.

[3] Fiden W H, Czubiak D W. Radar-compatible Data Link System: US 7298313 B1[P]. 2007.

[4] Coleman J O. Architecture for a Demonstration Radar co- mmunication Link[R]. Naval Research Lab Report, 1984.

[5] Hughes P K, Choe J Y. Overview of Advanced Multifunction RF System(AMRFS)[C]//IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology, 2000. Dana Point, CA, USA: IEEE, 2000: 21-24.

[6] Antonik P, Bonneau R, Brown R, et al. Bistatic Radar Denial/Embedded Communications Via Waveform Diversity[C]// Radar Conference, 2001. Proceedings of the Atlanta, GA, USA: IEEE, 2001: 41-45.

[7] Cantrell B H, Coleman J O, Trunk G V. Radar Communications[R]. Naval Research Lab Report, 1981: 1-15.

[8] Roberton M, Brown E R. Integrated Radar and Communications Based on Chirped Spread-spectrum Techniques[C]// IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Philadelphia, PA, USA: IEEE, 2003: 611-614.

[9] Lu L I, LI G J, Li C Q. A Communication System Based on Active Phased-array Radar[J]. Journal of China Acade- my of Electronics & Information Technology, 2008, 2: 131-135.

[10] Barrenechea P, Elferink F, Janssen J. FMCW Radar with Bro- adband Communication Capability[C]//Radar Conference, 2007. Boston, MA, USA: IEEE, 2007: 130-133.

[11] Hassanien A, Himed B, Rigling B D. A Dual-function MIMO Radar-communications System Using Frequency-hopping Waveforms[C]//Radar Conference. Seattle, WA, USA: IEEE,2017: 1721-1725.

[12] 李曉柏, 楊瑞娟, 程偉. 基于Chirp信號的雷達通信一體化研究[J]. 雷達科學與技術, 2012, 10(2): 180-186.Li Xiao-bai, Yang Rui-juan, Cheng Wei. Integrated Radar and Communication Based on Chirp[J]. Radar Science and Technology, 2012, 10(2): 180-186.

[13] Liu Y, Liao G, Xu J, et al. Adaptive OFDM Integrated Radar and Communications Waveform Design Based on Information Theory[J]. IEEE Communications Letters, 2017, 21(10): 2174-2177.

[14] Sturm C, Wiesbeck W. Waveform Design and Signal Processing Aspects for Fusion of Wireless Communications and Radar Sensing[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 99(7): 1236-1259.

[15] 劉少華, 黃志星. 基于擴頻的雷達通信一體化信號的設計[J]. 雷達科學與技術, 2014(1): 69-75.Liu Shao-hua, Huang Zhi-xing. Design of Intergrate Radar-Communication Signal Based on Spread Spectrum[J]. Radar Science and Technology, 2014(1): 69-75.

[16] Mueller K. A New Digital Echo Canceler for Two-Wire Full-Duplex Data Transmission[J]. Communications IEEE Transactions on, 1976, 24(9): 956-962.

[17] Chen H, Hou C, Liu W, et al. Efficient Two-Dimensional Direction-of-Arrival Estimation for a Mixture of Circular and Noncircular Sources[J]. IEEE Sensors Journal, 2016, 16(8): 2527-2536.

Analysis on the Key Technology of Integrated Underwater Detection and Communication

LU Jun, ZHANG Qun-fei, SHI Wen-tao

(Northwestern Polytechnical University, College of Marine Engineering, Xi’an 710072, China)

The integrated technology combined with underwater acoustic communication and underwater detection possesses the advantages of reducing platform volume and power consumption, and enhancing concealment. However, the development of this technology is restricted by the physical characteristics, acoustic characteristics and underwater acoustic environment of a sonar. In this paper, an integrated detection and communication technology based on communication signals under the sharing system is researched by means of the existing radar communication integration technology, underwater acoustic communication and detection technology. The detection and communication performances of the commonly used underwater acoustic communication modulation mode are analyzed, and the modulation modes suitable for underwater shared waveforms are selected. Aiming at the single base operation mode, a multi-level self-interference cancellation method and a method for estimating and detecting target based on the characteristics of communication signal are proposed, and a emiting leakage analog canceller is designed. Aiming at the bistatic operation mode, a spatial matrix filter is used to eliminate the direct waves, the relationship among signal-to-noise ratio(SNR), bit error rate(BER) and detection performance are analyzed, and the transmitted signal and echo wave which are obtained by direct wave are matched for filtering, so the performance of target parameter estimation and detection is improved..

underwater detection; underwater acoustic communication; integration; single base sonar; bistatic sonar

TJ630.34;TN911.7

A

2096-3920(2018)05-0470-10

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.015

2018-7-30;

2018-9-12.

國家重點研發計劃(2016YFC1400203), 國家自然科學基金(61531015).

盧 俊(1989-), 男, 在讀博士,主要研究方向為水下信號處理技術.

盧俊, 張群飛, 史文濤. 水下探測通信一體化關鍵技術分析[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(5): 470-479.

(責任編輯: 楊力軍)