技术领域
[0001] 本
发明属于水下网络信息系统应用技术领域。
背景技术
[0002] 由于
电磁波在水中传播时衰减严重，而
声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中 远距离传播的
能量形式，海洋中的探测、通信、定位、导航和识别主要是利用声波实现的。因 此，对水下通信定位识别一体化波形优化的研究主要集中在对水声通信、定位、识别的研究 之上。
[0003] 水声通信技术经历了从模拟通信阶段到数字通信的发展过程，主要分为采用非相 干调制和相干调制两大类。非相干调制方式在抗强多途干扰、大
信号起伏和低
信噪比上具 有明显的优势，但带宽利用率较低。相干调制方式的传输速率更高，但存在计算复杂度高的 问题。
[0004] 水下目标定位的主要手段是依赖于几何原理的水声学定位方法。按照接收基阵的 尺寸或应答器基阵的基线长度来分类，水声定位技术可分为长基线、短基线和超短基线三 种。长基线和短基线系统多米用距尚--距尚系统，而超短基线系统多米用距尚--方位 系统。按照工作方式水声定位技术可分为同步式水声定位系统和异步式水声定位系统，分 别采用球面(或双曲面)交汇的方法得到目标在信号发射时刻的相对或绝对坐标。
[0005] 网内成员识别是水下网络信息系统中需要解决的重要问题之一，主要分为协同识 别和非协同识别两种。"协同"识别中目标的
属性信息是采用事先约定的方式进行交换的。 "非协同"方式中识别方不需要被识别目标的配合，通过主动或被动方式获取目标的物理特 征和
辐射信号后，对数据进行特征提取、分类和特征匹配实现对目标属性的判别。所以协同 识别方式信息获取速度快、实时性强、识别率高、容易建立安全和保密的信息交换方式。
[0006] 目前，水下通信、定位、识别技术多是从单一技术的研究为主，缺少对集水声通信、 定位和识别功能于一体的多功能系统的研究。
发明内容
[0007] 为了克服
现有技术的不足，本发明提供一种基于水声传输波形的多功能优化设计 流程和方法，在波形设计时综合考虑定位和识别功能的实现，通过一套传输波形实现水下 网络
节点间的通信、定位和识别三种功能，可解决水下节点间的信息分发和态势形成与共 享等网络化协同问题，有效
支撑水下网络态势的形成以及态势信息的分发与共享。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[0009] 步骤1，根据系统
指定的水下节点距离r，通过声传播损失曲线TL = 20 lg r+aXr， 其中，！，在不大于30kHz的
频率 范围内任意选择一水声传输波形数据信号的中心频率f记作fo,执行步骤2;
[0010] 步骤2,根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率fo,通过噪声级计算公式NL = NL(f〇) + 101g( △ f)和海洋环境噪声谱级曲线，在不大于30kHz的
频率范围内任意选择一 水声传输波形数据信号的带宽A f记作A A，执行步骤3;
[0011] 步骤3,根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率fo和带宽Afi，以及系统指 定的发射声源级SL、水下节点距离r
和声纳
指向性指数DI，通过被动声纳方程SL-TL-(NL-DI) =DT计算得到传输波形数据信号检测阈DT，执行步骤4;
[0012] 步骤4,根据得到的水声传输波形数据信号检测阈DT，以及不同调制和编码方式的 水声传输波形误码率曲线，任意选择一种水声传输波形数据信号调制方式和编码方式，若 在接收信噪比等于检测阈时满足系统指定的误码率指标，执行步骤5;若在接收信噪比等于 检测阈时无满足系统指定的误码率指标的调制和编码方式，返回步骤1，减小传输波形信号 的中心频率fo、带宽Δίϊ，或重新选择调制和编码方式，执行步骤1~4,直至满足系统指定的 误码率指标；
[0013] 步骤5,根据系统指定的定位工作方式，在时域上数据信号前加一扩频
同步信号； 在不大于30kHz的频率范围内任意选择一同步信号频带范围△ f2,执行步骤6。
[0014] 步骤6,根据得到的水声传输波形的同步信号频带范围Af2,计算系统定位的最小 分辨距离△ d，若满足系统定位的距离
分辨率指标，执行步骤7;若不满足系统定位的距离分 辨率指标，返回步骤5,增大传输波形同步信号的频带范围Af 2,执行步骤5~6,直至满足系 统定位的距离分辨率指标；
[0015] 步骤7,根据得到的水声传输波形同步信号频带范围Af2,在满足水下节点距离r 的条件下，任意选择一水声传输波形同步信号的时间长度Ti，执行步骤8;
[0016] 步骤8,根据得到的水声传输波形同步信号时长h，计算通信定位识别一体化波形 的网内成员识别概率R;若满足系统识别功能指标，执行步骤9;若不满足系统识别功能指 标，返回步骤7,增大同步信号时间长度!^，执行步骤7~8,直至满足系统识别功能指标；
[0017] 步骤9,根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率、带宽、调制方式和编码方 式，以及同步信号时长Ti，计算得到通信定位识别一体化波形的数据传输速率。
[0018] 本发明的有益效果是:可有效扩展现有通信波形功能，达到了在实现数据传输的 同时实现了步骤6的距离一一距离定位和步骤9的网内成员识别功能的效果，为水下网络化 信息系统的研制提供技术支撑。
附图说明
[0019] 图1为本发明水下通信定位识别一体化波形优化方法工作
流程图。
[0020]图2为本发明水下节点距离r = 5km条件下的声传播损失曲线图。
[0021]图3为本发明未编码(5,31)循环移位扩频BPSK调制误码率曲线图。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和
实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施 例。
[0023] 本发明面向水下网络态势
感知与态势信息交互能
力的提升需求，通过分析水声通 信信号波形参数与水声定位测距
精度、网内成员识别概率间的关系，提出水下通信定位识 别一体化波形优化设计方法和准则，给出水声通信信号参数对定位、识别性能的约束关系， 通过优化设计的方法实现水下一体化波形，为提升水下多节点网络化协同能力提供重要基 础。
[0024]本发明提供一种水下通信定位识别一体化波形优化设计流程与方法，主要包括以 下步骤：
[0025] 1.根据系统指定的水下节点距离r，通过声传播损失曲线TL = 20 lg r+α Xr，其 中为水声传输波形数据信 号的中心频率，在不大于30kHz的频率范围内任意选择一水声传输波形数据信号的中心频 率f记作fo,执行步骤2;
[0026] 2.根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率fo,通过噪声级计算公式NL = NL (fo) + 101g( Δ f)和海洋环境噪声谱级曲线，在不大于30kHz的频率范围内任意选择一水声 传输波形数据信号的带宽A f记作△ ，执行步骤3;
[0027] 3.根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率fo和带宽，以及系统指定的 发射声源级SL、水下节点距离r和声纳指向性指数DI，通过被动声纳方程SL-TL-(NL-DI) = DT计算得到传输波形数据信号检测阈DT，执行步骤4;
[0028] 4.根据得到的水声传输波形数据信号检测阈DT，以及不同调制和编码方式的水声 传输波形误码率曲线，任意选择一种水声传输波形数据信号调制方式和编码方式，若在接 收信噪比等于检测阈时满足系统指定的误码率指标，执行步骤5;若在接收信噪比等于检测 阈时无满足系统指定的误码率指标的调制和编码方式，返回步骤1，减小传输波形信号的中 心频率f Q、带宽，或重新选择调制和编码方式，执行步骤1~4,直至满足系统指定的误码 率指标；
[0029] 5.根据系统指定的定位工作方式，在时域上数据信号前加一扩频同步信号；在不 大于30kHz的频率范围内任意选择一同步信号频带范围△ f2,执行步骤6。
[0030] 6.根据得到的水声传输波形的同步信号频带范围Af2,计算系统定位的最小分辨 距离Ad，若满足系统定位的距离分辨率指标，执行步骤7;若不满足系统定位的距离分辨率 指标，返回步骤5,增大传输波形同步信号的频带范围Af 2,执行步骤5~6,直至满足系统定 位的距离分辨率指标；
[0031] 7.根据得到的水声传输波形同步信号频带范围Af2,在满足水下节点距离r的条 件下，任意选择一水声传输波形同步信号的时间长度h，执行步骤8;
[0032] 8.根据得到的水声传输波形同步信号时长h，计算通信定位识别一体化波形的网 内成员识别概率R;若满足系统识别功能指标，执行步骤9;若不满足系统识别功能指标，返 回步骤7,增大同步信号时间长度!^，执行步骤7~8,直至满足系统识别功能指标；
[0033] 9.根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率、带宽、调制方式和编码方式，以 及同步信号时长!^，计算得到通信定位识别一体化波形的数据传输速率。
[0034]本发明实施例的步骤如下：
[0035] 1.根据系统指定水下节点距离r = 5km，通过图2所示的声传播损失曲线，选择水声 传输波形数据信号的中心频率f 〇= 10kHz。
[0036] 2.根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率fo = 8kHz，通过噪声级计算公式 和Knudson提出的海洋环境噪声谱级曲线，选择水声传输波形数据信号的带宽△ f 1 = 4kHz。
[0037] 3.根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率fQ=10kHz和带宽Δ f1 = 4kHz，以 及系统指定的发射声源级SL= 158dB、水下节点距离r = 5km和声纳指向性指数DI = 0,通过 被动声纳方程计算得到传输波形数据信号检测阈DT = -7dB。
[0038] 4.根据得到的水声传输波形数据信号检测阈DT，通过图3所示的误码率曲线，选择 水声传输波形数据信号采用未编码的（5，31)循环移位扩频BPSK调制方式，在-7dB时不满足 系统指定的误码率指标BER<1(T 4,在带宽和编码、调制方式不变的情况下，减小传输波形信 号的中心频率为fQ = 6kHz，重新计算得到传输波形数据信号检测阈DT = -4dB，满足系统指 定的误码率指标BER<10一4。
[0039] 5.根据系统指定的基于短基线的异步式距离一一距离水声定位方式和水下节点 距离r，在时域上数据信号前加一直接序列扩频同步信号，同步信号频带范围为Af2 = 6~ 8kHz 〇
[0040] 6.根据得到的水声传输波形同步信号频带范围△ f2,计算系统定位的最小分辨距 离Δ d= 1.5m，不满足系统定位的距离分辨率指标△ d
[0041] 7.根据得到的水声传输波形同步信号频带范围Af2,在满足水下节点距离r的条 件下，选择水声传输波形同步信号的时间长度Ti = 7.5ms。
[0042] 8.根据得到的水声传输波形同步信号时长Ti，计算通信定位识别一体化波形的网 内成员识别概率R = 80%。不满足系统识别功能指标R>85%，增大同步信号时间长度为h =15.5ms，重新计算得到网内成员识别概率R = 89%，满足系统识别功能指标R>85%。 [0043] 9.根据得到的水声传输波形数据信号的中心频率、带宽、调制方式和编码方式，以 及同步信号时长Τι，计算得到通信定位识别一体化波形的
信息传输速率Rb =161bits/s。 [0044]综上所述，本发明提出的水下通信定位识别一体化波形优化方法效果显著，依据 本发明方法设计的一体化波形，在发射声源级SL = 158dB、水下节点距离r = 5km和声纳指向 性指数DI = 0条件下，同时实现了 Rb = 161bits/s的误码率BER<1(T4数据传输功能、5km范围 内最小分辨距离A d< lm的距离一一距离定位功能和识别概率R>85 %的网内成员识别功 能。
