[发明专利]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

说明书

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。

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：