水声扩频通信是水下远距离传输和高可靠传输*选的通信手段。《水声扩频通信及信号处理技术》针对水声扩频通信在实际应用中遇到的问题，对扩频编码、解码以及相关水声信号处理技术等方面涉及的原理与方法进行系统介绍，并给出仿真和试验验证结果。主要内容包括：水声扩频通信技术、移动水声扩频通信技术、时间反转镜技术在水声扩频通信中的应用、码分多址水声通信技术、 MIMO水声扩频通信技术。

本书可作为声呐设计、水声通信、水声信号处理等领域科研人员和工程技术人员的参考书，也可作为高等院校船舶与海洋工程、水声工程、信息与通信工程等相关专业本科生和研究生的参考书。

目录
丛书序
自序
第1章 绪论 1
1.1水声信道 2
1.1.1浅海水声信道 6
1.1.2北极水声信道 10
1.1.3深海水声信道 16
1.2水声扩频通信国内外发展现状 25
1.2.1水声扩频通信及接收机算法国内外发展现状 26
1.2.2移动水声扩频通信国内外发展现状 28
1.2.3码分多址水声通信国内外发展现状 29
1.2.4 MIMO水声扩频通信国内外发展现状 31
1.2.5水声扩频通信特征提取与参数估计国内外发展现状 32
参考文献 33
第2章 水声扩频通信技术 37
2.1直接序列水声扩频通信 37
2.1.1差分相关检测器 39
2.1.2差分能量检测器 42
2.1.3两种检测器的性能分析 44
2.2循环移位水声扩频通信 51
2.2.1循环移位能量检测器 51
2.2.2循环移位能量检测器性能分析 53
2.3 M元水声扩频通信 55
2.3.1 M元能量检测器 56
2.3.2正交组合序列 57
2.3.3 M元能量检测器性能分析 59
2.4组合水声扩频通信 62
2.5 Pattern时延差编码水声扩频通信 65
2.5.1 PDS扩频体制 66
2.5.2 PDS扩频体制抗多途性能分析 73
2.6 M元混沌扩频 PDS通信 75
2.6.1混沌扩频码的产生 75
2.6.2 分组 M元扩频 PDS通信 78
2.7基于广义正弦调频的M元扩频通信探测一体化 81
2.7.1广义正弦调频信号 81
2.7.2 M元扩频通信探测一体化 84
参考文献 87
第3章 移动水声扩频通信技术 88
3.1移动水声信道 88
3.1.1时变多途扩展干扰 88
3.1.2多普勒效应时域压缩扩展干扰 89
3.1.3快速载波相位跳变干扰 93
3.2直扩水声通信中的多普勒估计 95
3.2.1基于扩频序列的多普勒估计方法 95
3.2.2基于模糊函数的时延-多普勒估计方法 98
3.3直扩移动水声通信 105
3.3.1改进的差分能量检测器 105
3.3.2双差分相关检测器 108
3.3.3解差分扩频检测器 109
3.4 M元移动水声扩频通信 111
3.5 差分 PDS移动水声扩频通信 112
3.5.1 差分 PDS原理 113
3.5.2系统抗多普勒干扰性能分析 114
3.5.3系统有效性与可靠性分析 115
参考文献 116
第4章 时间反转镜技术在水声扩频通信中的应用 117
4.1时间反转镜技术简介 117
4.2主动时间反转镜 118
4.2.1频域相位共轭原理 119
4.2.2时域时间反转镜原理 121
4.3被动时间反转镜 123
4.3.1被动时间反转镜原理 123
4.3.2基于扩频序列的信道估计 125
4.4自适应时间反转镜 127
4.5时间反转镜水声扩频通信 129
参考文献 138
第5章 码分多址水声通信技术 139
5.1多址通信技术 139
5.2 DS-CDMA水声通信系统 142
5.3多址置零干扰抵消技术 144
5.4单矢量空分多址技术 151
5.4.1单矢量有源平均声强器 151
5.4.2时间反转镜在多用户通信中的应用 154
5.4.3 DS-SCDMA水声通信系统 160
参考文献 169
第6章 MIMO水声扩频通信技术 171
6.1 MIMO系统模型 171
6.2 MIMO水声扩频通信系统 173
6.2.1系统模型 173
6.2.2 MIMO信道估计 176
6.3 MIMO频域均衡技术 178
6.3.1聚焦屏蔽权向量 178
6.3.2求逆权矩阵 183
6.4 M元扩频编码在 MIMO水声通信中的应用 187
参考文献 198
索引 199
彩图

第1章 绪论
　　水声通信具有灵活、方便、经济、不存在电缆缠绕等特点，可实现水下导航、定位、信息交换、通信联络和安全保障所需的信息传输，是实现水下综合信息感知与信息交互的主要手段[1]。在信息化海洋数据采集、海洋资源开发、海洋环境监测等关系到我国可持续发展的商业战略领域中，水声通信扮演着重要角色。在军事方面，为保证水下作战系统各单元之间信息互联互通的隐蔽性，水声通信将是一种*有前途的水下通信方式。
　　水声通信的历史可以追溯到 1914年，在这一年水声电报系统研制成功，可以看作是水下无线通信的雏形。随着海洋开发、海洋军事的发展，水声通信在第二次世界大战后开始得到重视。世界上**个具有实际意义的水声通信系统是美国海军研究办公室（ Office of Naval Research， ONR）于 1945年研制的水下电话，该系统使用单边带调制技术，载波频率 8.33kHz，主要用于潜艇之间的通信。早期的水声通信多使用模拟频率调制技术[2]。如美国伍兹霍尔海洋研究所在 20 世纪 50年代末研制的调频水声通信系统，使用 20kHz的载波和 500Hz的带宽，实现了水底到水面船只的通信；我国的 660通信声呐采用单边带调制技术进行语音通信。但是模拟调制系统受水声信道衰落引起信号畸变的影响较大，并且系统的功率利用率低，限制了系统性能的提高。
　　直到 20世纪 70年代至 80年代初期，随着电子技术和信息科学突飞猛进的发展，水声通信技术也得到了迅速发展，新一代的水声通信系统开始采用数字调制技术。与模拟通信相比，数字通信具有抗干扰性强，可对时间、频率扩展进行一定程度的均衡，便于利用纠错编码技术来提高数据传输的可靠性和保密性，设备易于集成化等优点。近年来，水声通信系统均使用数字通信方式，研制出多种水声调制解调器，其调制技术也选择多样。
　　水声通信是一个快速发展的科研领域，许多当前应用领域都要求进行实时通信，不仅需要点对点的链路，更需要网络化配置链路。当今水声通信的前景就是由移动节点和静止节点共同构成的水声通信网。国外一些机构已经开始组建水下通信网络，到目前为止，组建、研究的水声信息网十余个，部分已投入实际使用。但是国内在水声通信网络化方面的研究较少。
　　高速、稳健的点对点通信是实现水声通信网络化的基础。只有解决了点对点通信才可构建水下信息网，因此美国把它列为 21世纪重大研究课题。目前，固定节点间通信技术发展迅速，已进入实用阶段，但移动水声通信尚处于研究阶段，性能有待进一步提高。随着海洋资源开发，水下机器人及各种潜器、潜艇等对水下无线通信需求大的平台技术的迅速发展，深海、浅海中远程水声通信技术研究迫在眉睫，它必将成为水下信息领域发展的核心技术之一。
　　1.1 水声信道
　　在无线通信领域里，水声信道是公认的非常复杂的无线信道之一 [3-6]，它严重制约着水声通信系统的性能。水声信道主要可分为浅海声信道、深海声信道以及极地冰下声信道，它们的主要区别在于浅海信道在声信号传播过程中将经过多次海底海面反射，深海信道则不考虑海底对声信号传播的影响[7-13]，北极冰下信道由于其*特的环境特点存在双声道声传播等特点[14]。本节将对以上三种典型信道进行分析和介绍。移动水声通信信道特性请见 3.1节。
　　与无线电信道相比，浅海声信道主要具有以下几个特点：①由于海水对声波的吸收作用，声信号中的高频分量在传播过程中将严重衰减，因此水声信道的带宽将受到限制，通常只有几千赫兹到几万赫兹；②由于传播过程中与海底海面发生多次反射，声信号从声源出发将沿不同路径在接收端延迟相干叠加，形成多途扩展效应，导致水声通信信号受到严重的码间干扰；③由于声速远小于光速，与无线电信道相比，水声信道将出现严重的多普勒干扰；④水声信道具有时变特性，复杂的海洋内部环境以及随机起伏的海面将严重缩短水声信道的相干时间。通常以水声信道相干时间函数来描述水声信道的时变特性[15]：
　　（1-1）
　　式中，表示 t时刻的水声信道系统函数；表示时刻的水声信道系统函数；
　　ab表示 a和 b的互相关函数*大值；表示求不同 t时刻的统计平均值；上标“ .”表示取共轭运算，本书将固定采用此符号表示取共轭运算，在后续公式推导说明中将不再对此特别说明。在实际应用中也可以通过计算不同时刻水声信道系统函数间的互相关系数来衡量水声信道的时变性。
　　综上，水声信道是一个带宽有限的、空变时变的双扩展信道，给高质量水声通信带来严峻的挑战。高质量水声通信技术研究的目标是设计出适用于不同海域的水声通信接收机算法，而通过建立不同海域的水声信道模型来研究水声信道的性质将有助于水声通信系统的设计及性能预测。目前已有多种海洋声信道计算模型，主要包括简正波理论、射线声学理论、抛物方程方法[16]、有限元方法等。但是，不同海域的环境差异将使得水声信道建模变得十分困难。这主要是因为声信号在海洋信道传播过程中受水体不均性（如内波、湍流等）影响严重，同时声信号还将时刻在不平整海面处发生散射，而海洋的复杂运动使得上述因素呈现时变和空变特性[17]。通过给定声速梯度分布，低频水声信道可以通过模型较好地模拟，因为低频条件下可以忽略小尺度介质波动的影响。但是高频（ >10kHz）水声信道很难通过现有模型较好地进行模拟，因为高频条件下小尺度介质波动影响不能被忽略。另外，高频声波在随机起伏海面的散射也是目前无法对水声信道完美建模的一个主要原因。即使大尺度海浪谱可以得到很好的测量，但由于海浪拍击及海面附近气泡等影响小尺度海浪谱，以及海面附近的声速梯度分布目前无法得到很好的测量，这些参数的缺失使得高频水声信道的建模变得更加困难[18-19]。
　　由于目前还没有适用于模拟各海域的通用水声信道（尤其是高频条件下的水声信道）模型，因此通过实际接收海试数据估计得到的水声信道冲激响应函数来研究当前海域的水声信道特性是一个较好的方法。我们将主要通过实际接收数据关注水声信道以下 4点特性。
　　（1）水声信道时间相关性。水声信道的时间相关性是浅海水声信道的一个主要特性，它将直接决定发射通信信号中的符号宽度以及在对接收通信信号处理时的信道更新速度。
　　（2）水声信道空间相干半径。水声信道的空间相干半径体现了其空间特性，水声通信系统可以很好地利用水声信道的空间差异性来显著提高系统性能。
　　（3）水声信道中各个路径幅度和相位统计特性。将水声信道看成相干多途信道模型，各个路径的幅度和相位统计特性对信道均衡器参数设计具有指导意义。
　　（4）水声信道的随机特性。实际水声信道除了明显的相干多途路径外还伴有一些较弱的随机散射路径。我们可以利用相干多途信道模型估计得到的信道和原始发送信号来模拟接收信号，水声信道的随机特性定义为模拟接收信号与实际接收信号的均方误差。由此可知，均方误差越大，系统误码率越高。
　　图 1-1通过实际接收数据给出了浅海水声信道的部分特性测试结果。
　　图 1-1 海试数据实测信道特性（彩图附书后）
　　从图 1-1（a）中可以看到，实测浅海通信信道多途结构明显。信道在观测时间内（约 25s）较为稳定，发生缓慢时变。图 1-1（b）为不同时刻观测的水声信道与初始时刻观测的水声信道归一化相关系数*线。相关系数*线用来描述水声信道的时间相关性，可以看到由于试验时海况良好，在观测时间内水声信道的相关特性良好。通过实测水声信道中各个极大值点及极大值点附近的半功率点可以确定实测水声信道的各个路径。图 1-1（c）给出了实测水声信道第 1、4、8条路径的相关特性测试结果，可以看到实测浅海信道的第 1、4条路径具有较高的时间相关性，第 8条路径的时间相关性出现波动。图 1-1（d）为各个路径的相位测试结果，每条路径的相位都在发生变化，其变化趋势相同，每条路径的相位是以初始时刻相位为参考进行相关运算测得的。由于试验当天海面较为平整，海水中声速近似等梯度分布，因此实测浅海水声信道各个特性均较为稳定。当海况复杂时，水声信道的相关特性以及各个路径的相关特性将急剧下降，各个路径的相位跳变将加快。
　　在水声扩频通信中，我们将主要关注图 1-1给出的浅海水声信道特性。这是因为，水声扩频通信接收端通常将本地参考扩频序列与接收扩频信号进行匹配处理，匹配处理增益将体现在信道的各个路径上，因此只要在扩频符号持续时间内水声信道的各个路径明显且相关特性良好，水声扩频通信系统就可以实现较高质量的水声通信。但水声信道各个路径上的相位是随时间变化的［图 1-1（d）］，这对扩频信号的直接影响是：接收扩频信号的载波出现明显随时间变化的相位。这一时变相位将严重影响本地扩频序列与接收扩频信号的匹配输出增益，我们将这种变化的相位干扰称为载波相位跳变干扰。载波相位跳变干扰在复杂海况以及通信双方存在明显相对运动时会变得更加严重，将直接导致水声扩频系统无法正常工作。因此，本书将围绕载波相位跳变干扰问题来研究对载波相位跳变不敏感的扩频接收机算法。
　　事实上，对于水声扩频通信系统而言，通常只关注水声信道的几个主要路径。水声信道主要路径是指*大幅度路径以及幅度与*大幅度相差不超过 3dB的路径。在扩频通信系统接收端匹配处理后，匹配增益（扩频增益）将集中在水声信道的主要路径上，其他路径将被视为噪声干扰忽略掉。图 1-1（a）中为了凸显水声信道多途结构，每条路径以分贝形式给出，图 1-2给出了相同海试数据下水声信道幅度归一化输出测试结果。从图 1-2中可以清晰地看到，对于水声扩频通信系统而言，实测海试信道只有一条主要路径。因此该信道结构对水声扩频通信系统来说较为简单，在此信道结构影响下水声扩频通信系统仍将保持较高的稳定性。对于水声扩频通信系统来说，图 1-2的水声信道结构测试输出结果要比图 1-1（a）中的输出结果更加形象地说明水声信道对水声扩频通信系统的影响程度，因此本书后面基于实际数据测得的水声信道都将以信道幅度归一化结果给出。
　　图 1-2 水声信道幅度归一化输出测试结果（彩图附书后）
　　本书针对所给出的水声扩频通信系统及算法进行了大量的湖试、海试验证，下面给出几次典型试验水域的实测水声信道结果。
　　1.1.1浅海水声信道
　　我国领海中渤海、黄海及东海的大部分区域以及南海的部分区域均为浅海。与深海环境相比，浅海环境下水声信道具有更加复杂的多途时延结构，并且往往伴随着较强的时变特性。另外，相比于深海区域，浅海环境中具有更多的人类活动，因此具有更高的环境噪声。这些因素使得浅海环境中的水声通信接收机算法面临更大的挑战。
　　2015年 1月，作者所在课题组在大连小长山岛附近海域进行了水声扩频通信试验，试验海域平均深度约 35m，海底主要为淤泥。为方便说明，将 2015年 1月海试命名为 ExDL01。
　　图 1-3给出了 ExDL01试验实测水声信道，可以看到信道存在一定的时变特性，多途扩展不超过 20ms。图 1-3（b）给出的实测信道时间相关性*线表明，虽然信道在观测时间内（约 25s）随时间发生变化，但其时间相关性幅度均保持在
　　0.7以上，因此在此观测时间内可认为信道为时不变信道。图 1-3（c）给出了相邻扩频符号持续时间内测得的水声信道相关特性*线，可以看到水声信道在相邻扩频符号持续时间的观测时间内（约 511ms）相关性更高。图 1-3为典型浅海海域水声信道实测结果（海面较为平静）。
　　图 1-3 ExDL01试验实测水声信道（彩图附书后）