动态稀疏信道下的稳健移动水声通信技术研究

To achieve robust mobile underwater acoustic (UWA) communication under dynamic fluctuating sea surface environment, the following two problems need to be solved urgently. The first one is how to compensate for the complex Doppler effect caused by the movement of the platform and the fluctuating sea surface. The second one is how to equalize the rapid time-varying sparse UWA channel caused by scattering and reflection from the fluctuating sea surface. This project focuses on the above problems, aiming to propose innovative solutions on mobile UWA communication, the main contents of the research are as follows: (1) Three dimensional UWA propagation model will be established under random fluctuating sea environment which is more in accordance with the actual sea environment based on Kirchhoff approximation method and analyze the Doppler effect and sparse channel features introduced by fluctuating sea surface. On this basis, the project will carry out to study (2) Cascading complex Doppler effect estimation and compensation techniques. The combination of fractional Fourier transform in passband and adaptive interpolation in baseband is used to compensate for the phase distortion introduced by complex Doppler effect. (3) complex-valued adaptive penalized least mean square channel estimation algorithm is used to achieve fast and accurate estimation of dynamic sparse UWA channels, which is combined with channel-estimate-based decision feedback equalizer to suppress inter symbol interference. The research results of this project can provide basis for developing information transmission technology for underwater mobile systems.

为实现随机起伏海面环境下的稳健移动水声通信需要亟待解决两个问题：一是如何补偿平台自身运动和随机起伏海面共同作用产生的复杂多普勒效应；二是如何均衡随机起伏海面反射产生的快速时变的稀疏水声信道。本课题围绕上述问题开展相关研究，旨在为移动水声通信提出创新解决方案，主要研究内容包括：（1）基于Kirchhoff近似法建立更符合实际海洋环境的随机起伏海面下的三维声传播模型，分析随机起伏海面产生的多普勒效应和稀疏水声信道特性；在此基础上开展（2）多级级联的复杂多普勒效应估计和补偿技术研究，采用通带分数阶傅里叶变换和基带自适应插值相结合的方案，逐级抑制复杂多普勒效应产生的相位失真；（3）复数域自适应惩罚最小均方信道估计方法研究，实现动态稀疏水声信道的快速准确估计，进而联合基于信道估计的判决反馈均衡器抑制信道多途产生的码间干扰。本课题的研究成果可为发展稳健的水下移动系统信息传输技术奠定基础。

本项目以突破动态稀疏信道下的稳健移动水声通信关键技术为目标，围绕随机起伏海面环境下移动水声通信中面临的复杂多普勒效应和强时变稀疏信道两个最主要的问题开展研究，为提升我国水下信息传输能力提供理论和技术支撑。为此，本项目首先研究了动态起伏海面对水声信道的影响，重点分析了海面风速和声波频率对相干反射系数的影响，利用射线模型计算了不同风速、不同传播距离下的随机信道的冲激响应，说明波浪起伏会导致声波能量的快速衰减，并且风速的大小对水声信道有着较大的影响。其次，本项目研究了移动水声通信中的时延-多普勒双扩展信道估计和均衡方法，提出了矢量多通道判决反馈均衡器，重点研究了基于分数阶傅里叶变换的水声信道时延-多普勒函数估计方法。在以上研究基础上，开展了稀疏水声信道估计和均衡方法研究，提出了CAP-LMS信道估计方法，其在信道估计收敛速度和稳态误差上的性能有较大提升。针对SBL计算复杂度较高的问题，将广义近似消息传递-稀疏贝叶斯学习引入水声信道估计，能够有效降低SBL的计算复杂度。最后，本项目提出了IPLMS/F均衡方法，引入了一个与抽头相关的比例矩阵以提高均衡器的稀疏程度。本项目研究期间，发表期刊论文8篇，会议论文1篇，其中SCI论文6篇，EI论文2篇；授权国家发明专利6项；培养博士毕业生1人，硕士毕业生3人。本项目的相关研究成果支撑“多移动平台复杂环境稳健水声通信技术及应用”项目获得2021年度海洋工程科学技术奖一等奖（本项目负责人排名第3）。在本项目支持下，项目负责人入选第六届中国科协青年人才托举工程，获得黑龙江省优秀青年科学基金，入选2021-2022年黑龙江省“向上向善好青年”（创新创业）。本项目研究的移动稳健水声通信技术、动态稀疏水声信道快速估计技术等应用于中国船舶重工集团公司第七一五研究所等单位，取得了良好的社会效益。