1.本发明涉及探测技术领域以及通信技术领域，特别是涉及将水声通信技术和水下目标探测技术一体化的水下探测通信一体化系统。
背景技术：
2.水下探测通信一体化(integrate system of underwater detection and communication，isudc)最早的研究起源于空中雷达，经过可行性分析、理论研究与试验验证，现已成功应用到实际系统中。长期以来，作为水下信息获取、处理、传输和交换的典型方式，水下目标主动探测系统和水声通信系统是各自独立发展的。主动探测系统通过对目标回波进行处理，估计目标的距离、速度、方位等参数信息，其需要在一定的发射功率下，最大可能的捕获更远的目标，以及更精确的提取目标参数信息。而水声通信系统发射端对传输信息进行编码调制并发射，接收端接收信号并准确的解调出通信信息，其重点是实现不失真、安全、高效的数据传输。虽然两者存在一定的差异性，但两者在系统结构、工作原理、工作频段等方面具有一定的相同点，这使得将两者一体化集成成为可能。
3.不过，在水下由于探测通信一体化系统中发射泄漏的强度远远大于目标回波，因此需要在接收端对发射泄漏进行抑制。在系统中，系统总的自干扰抵消能力不等于各级消除能力的叠加，各级消除能力存在相互制约：声学隔离可以影响模拟域自干扰消除能力，模拟域信号的某些参数以及模拟器件的性能影响到数字域自干扰消除能力，声学隔离和模拟域自干扰消除能力会影响到数字域的自干扰消除能力。因此，如何设计探测通信一体化系统的多级自干扰部分，根据发射泄漏特点进行多级抑制，同时以此为基础设计信号发射和信号处理模块，对于整个一体化系统十分重要。
技术实现要素：
4.为解决现有技术存在的问题，同时实现满足探测与通信的一体化系统波形设计、一体化系统发射端产生泄露的自干扰抑制和一体化系统的目标探测与通信传输需求，本发明提出一种水下探测通信一体化系统，该一体化系统在保证正常通信性能的前提下，兼顾目标主动探测功能，采用收发分置方式，通过一体化信号设计、发射泄露抑制、目标探测和水声通信等环节，实现了水下一体化系统的主动探测和通信功能，有效对自发射泄露进行抑制，提高了探测性能和通信效率，能够更好的应对水下探测和通信性能挑战。
5.本发明的技术方案为：
6.一种水下探测通信一体化系统，包括一体化信号发射模块、信号接收模块以及接收信号处理模块；
7.所述一体化系统发射模块根据一体化波形要求以及所需传输的信息产生信号并发射；
8.所述信号接收模块接收信号并完成对接收信号的发射泄露抑制；
9.所述接收信号处理模块完成对接收信号的信息提取，包括通信信号信息提取、探
测回波信号的检测与参数估计。
10.进一步的，所述一体化信号发射模块包括一体化波形设计模块、波形产生器、功率放大器和发射基阵；
11.所述一体化波形设计模块设计产生bpsk信号参数，并通过波形产生器后，产生一体化信号，一体化信号经过功率放大器得到放大信号，最后将放大信号通过发射基阵发射。
12.进一步的，所述信号接收模块包括接收基阵、干扰对称相消模块、前置预处理放大滤波器和多级干扰抑制模块；
13.所述接收基阵接收的信号中包括一体化波形回波信号、其他节点通信信号、干扰信号；
14.所述接收的信号经过干扰对称相消模块，进行被动自干扰抑制；然后经过前置预处理放大滤波器，将信号与噪声分离；最后通过多级自干扰抑制模块；
15.所述多级自干扰抑制模块由模拟域自干扰抑制模块和数字域自干扰抑制模块构成；
16.所述模拟域自干扰抑制模块包括延迟器、衰减器、移相器；通过所述模拟域自干扰抑制模块，利用参考信号重建自干扰信号，再利用重建的自干扰信号与接收信号相减实现自干扰抵消；
17.所述模拟域自干扰抑制模块输出的模拟信号经过a/d量化成数字信号，在数字域，通过数字域自干扰抑制模块进一步进行干扰抵消处理；所述数字域自干扰抑制模块采用自干扰信道估计方式，利用si信道估计与重建方法，对自干扰信道进行建模，根据残余自干扰信号最小准则估计自干扰信道的幅度、相位、时延参数，然后利用参考信号重建自干扰信号，并将其从总接收信号中减去，实现自干扰抑制。
18.进一步的，所述被动自干扰抑制指通过预先调整各阵元位置的结构布置，利用阵元对称分布进行矢量合成对消。
19.进一步的，所述模拟域自干扰抑制模块采用多抽头延迟滤波的方法来消除自干扰信号。
20.进一步的，所述数字域自干扰抑制模块实现自干扰抑制的过程为：
21.设接收信号表示为：
22.y＝xh z
23.式中y为接收信号，x为发射信号，z为噪声，h为信道冲激响应；根据ls准则，有
[0024][0025]
式中表示信道估计结果；对上式求关于的一阶和二阶偏导，其一阶偏导为：
[0026][0027]
其二阶偏导为：
[0028][0029]
由上式可知，关于的二阶偏导数大于0，令其一阶偏导数为0，求得的最小值，有信道估计值为：
[0030][0031]
根据估计的利用参考信号重建自干扰信号，实现自干扰抵消。
[0032]
进一步的，在接收阵元与发射阵元之间设置有隔离障板进行声学隔离；并利用接收阵元空间位置结构设计，使两接收阵元与发射阵元在同一直线上，且两接收阵元相对于发射端距离差半个波长，从而采用半波长抵消法进行自干扰抵消。
[0033]
进一步的，所述接收信号处理模块由通信处理模块和探测处理模块两部分组成；
[0034]
所述通信处理模块包含通信信号处理器、信道均衡估计模块、信息解调与判决模块；信号经过通信信号处理器处理，之后进入信道均衡与估计模块，通过信道均衡提高衰落信道中的通信系统的传输性能，并且消除或者减弱宽带通信的多径时延带来的码间串扰，得到信道均衡后的信号；之后信号经过信息解调与判决模块，得到解调之后的完整的发射端通信信息；
[0035]
所述探测处理模块包含探测信号处理器、匹配滤波器及阵列处理模块、目标检测与估计模块；所述探测信号处理器获取接收信号，并获取一体化波形信号参数；所述匹配滤波器及阵列处理模块根据一体化波形信号，对接收信号进行预处理，包括匹配滤波、空间白化，得到白化后的信号；将一体化波形信号与白化后的信号进行互相关，利用互相关序列形成新的空域协方差矩阵，再进行特征分解，最后通过目标检测与估计算法得到目标的方位角以及距离信息，获得主动探测下的目标具体方位。
[0036]
一种基于水下探测通信一体化系统的网络，包括主动声纳、水下固定节点和水下移动节点；在水下固定节点和水下移动节点上搭载有水下探测通信一体化系统。
[0037]
所述水下通信探测一体化系统网络的工作模式分为单基地与多基地两种工作模式；单基地工作模式下，固定节点和移动节点在发射信号实现信息传输的同时还接收目标回波；多基地工作模式下，节点可以利用其它节点的发射信号作为照射源进行目标探测，同时接收其它节点的发射信号进行通信，实现多节点的协同探测与通信。
[0038]
有益效果
[0039]
本发明公开了一种基于水下环境的探测通信一体化系统，涉及通信和探测领域。包括一体化信号发射模块、信号接收模块以及接收信号处理模块三大部分。
[0040]
针对一体化系统的一体化信号选取，根据一体化波形要求以及所需传输的信息，设计使用bpsk调制信号作为水下探测通信一体化信号，具备良好的通信性能，参数估计性能，且信号抗混响性能比较优秀，能够满足主动探测和通信的性能要求，克服水下探测通信系统中存在的频带窄、阵列孔径小且传播速度慢的问题。
[0041]
针对一体化系统发射端产生泄露自干扰抑制问题，本发明通过多级自干扰抵消设计，提高系统自干扰抑制比，提高自干扰抵消的效率，克服一体化系统发射端产生泄露自干
扰抑制问题。
[0042]
本发明利用先验知识对接收信号进行预处理，利用例如匹配滤波、空间白化等处理方法，达到提高信噪比、去除干扰的作用，从而提高检测与估计性能。
[0043]
整个系统的信号抗干扰能力强，通信传输速率高，探测性能可行。有效实现了水下探测通信一体化，满足了探测与通信需求，对自干扰进行有效抑制，能更好的应对水下探测和通信性能的挑战。
[0044]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0045]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0046]
图1探测通信一体化系统框图；
[0047]
图2多级自干扰抑制流程图；
[0048]
图3探测通信一体化三级系统框图；
[0049]
图4探测通信一体化实际应用示意图；
[0050]
图5发射泄漏si信号矢量抑制示意图；
[0051]
图6bpsk与另外两种调制方法通信误比特率对比图；
[0052]
图7双目标分辨概率、估计均方误差图。
具体实施方式
[0053]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0054]
如图1所示，本发明设计的水下探测通信一体化系统主要包括一体化信号发射模块、信号接收模块以及接收信号处理模块三大部分。一体化系统发射模块根据一体化波形要求以及所需传输的信息产生信号并发射，信号接收模块接收信号完成对接收信号的发射泄露抑制，而接收信号处理模块完成对接收信号的信息提取，主要分为通信信号信息提取、探测回波信号的检测与参数估计两方面。
[0055]
如图3所示，所述一体化信号发射模块包括一体化波形设计模块、波形产生器、功率放大器和发射基阵等部分。
[0056]
在一体化信号发射模块中，最重要的就是针对探测通信一体化需求，而进行的波形设计。需要设计的波形同时满足探测和通信功能，即根据水下的特殊情况，该波形应该有良好的宽带模糊度函数和q函数，同时具有良好的通信性能。
[0057]
本实施例中，选择二进制相移键控(binary phase shift keying，bpsk)信号作为一体化信号。通过模糊度函数与q函数分别对信号的距离、速度分辨率以及抗混响能力进行分析，bpsk信号符合对于水下探测通信一体化系统共享信号设计的要求。同时，为了保证通信的准确性，通信信号由多种信号形式组成，包括同步头信号、导频码、校验码、调制信息等信号段组成。
[0058]
图6给出了bpsk和两种常见调制方法，即最小频移键控(minimum shift keying，
msk)和频移键控(frequency-shift keying，fsk)调制的通信信号，分别作为一体化共享信号时的通信误比特率，可以看出信噪比越高，三类调制方式的误比特率越低。其中bpsk具备最低的误比特率，msk和fsk的误比特率高，因此使用bpsk调制的通信信号作为本发明所设计系统的一体化信号时，具有较好的通信性能，可以保证该系统通信特性。图7给出了以bpsk调制的通信信号作为一体化共享信号时，经过多级自干扰抑制之后，通过时域相关预处理与不经过时域相关预处理的双目标检测概率与均方误差，可以看出经过本发明设计系统处理后的信号具有更好探测性能。
[0059]
在共享波形设计模块中，设计bpsk信号波形，经过波形产生器后，产生一体化信号，在保证良好的通信性能前提下实现目标主动探测。一体化信号经过功率放大器，将微弱的信号通过增强信号的电压幅度的方法得到放大信号。最后，将得到的一体化放大信号通过发射基阵发射。
[0060]
发射信号经过水下信道传播，通过信号接收模块接收经过水下信道传播后的信号，包括一体化波形回波信号、其他节点通信信号以及干扰信号。
[0061]
如图3所示，所述信号接收模块包括接收基阵、干扰对称相消模块、前置预处理放大滤波器和多级干扰抑制模块等部分，这部分关键在于针对探测通信一体化系统的发射泄露抑制。
[0062]
接收基阵接收一体化波形回波信号、其他节点通信信号、干扰信号。
[0063]
之后，经过干扰对称相消模块，进行被动自干扰(self-interference，si)抑制；通过预先调整各阵元位置的结构布置，利用阵元对称分布进行矢量合成对消。利用数学模型描述，假设si信号矢量抑制si信号矢量残余si信号矢量矢量信号包含幅度与相位信息，其抑制原理如图5所示。
[0064]
可以看出要实现完全抑制，与需满足幅度相等、相位相反。假设则有可以表示为：
[0065][0066]
由上式可知，当a1＝a2时，残余si信号最小。定义对消前si信号功率与抑制后残余si信号功率差为抑制比d
cancel
＝10lg(pi/pr)，pi为si信号功率，pr为残余si信号功率。抑制比可以用si信号与抑制si信号的相位差、功率差表示
[0067][0068]
上式中δp为si信号与抑制si信号的功率差，为两信号的相位差。因此，被动si抑制性能与收发阵的相对位置、阵列结构、阵元布置精度有关，阵元布置精度以及结构的误差会导致阵元间难以达到“等幅同相”条件，影响抑制性能，功率与相位误差越小，抑制比越大。因此设计的水下探测通信一体化系统需要通过选择合适的阵元位置，对接收到的信号进行被动自干扰消除。
[0069]
然后信号再经过前置预处理放大滤波器，将有用的信号与噪声分离，以提高信号的抗干扰性及信噪比，减少各种杂波和非线性失真干扰和谐波干扰。
[0070]
最后信号通过多级自干扰抑制模块。所述多级自干扰抑制模块，由模拟域自干扰抑制模块和数字域自干扰抑制模块构成。
[0071]
所述模拟域自干扰抑制模块包括延迟器、衰减器、移相器等，通过所述模拟域自干扰抑制模块，利用参考信号重建自干扰si信号，再利用重建的si信号与接收信号相减达到si抵消的目的；这里主要采用多抽头延迟滤波的方法来消除si信号。
[0072]
经过被动自干扰抑制和模拟域自干扰抑制后，模拟信号经过a/d量化成数字信号，在数字域，通过数字域自干扰抑制模块进一步进行干扰抵消处理。
[0073]
在实际应用中，由于干扰信号的特性不易获知，大多数干扰也是时变的，甚至是非平稳的。因此，常规的滤波器无法达到滤除干扰的目的，所以采用自适应滤波器能够跟踪干扰信号特性，自动调整自身的性能，较好地消除干扰。
[0074]
所述数字域自干扰抑制模块中采用自干扰信道估计的方式，利用si信道估计与重建方法，对自干扰信道进行建模，根据残余自干扰信号最小准则估计自干扰信道的幅度、相位、时延等模型参数，然后利用参考信号重建自干扰信号，并将其从总接收信号中减去，达到自干扰抑制目的。
[0075]
具体的，本实施例中，以ls信道估计方法进行说明，假设接收信号表示为：
[0076]
y＝xh z
[0077]
式中y为接收信号，x为发射信号，z为噪声，h为信道冲激响应。根据ls准则，即有
[0078][0079]
式中表示信道估计结果。对上式求关于的一阶和二阶偏导，其一阶偏导为：
[0080][0081]
其二阶偏导为：
[0082][0083]
由上式可知，关于的二阶偏导数大于0，令其一阶偏导数为0，可以求得的最小值，即有信道估计值为：
[0084][0085]
根据估计的即可利用参考信号重建si信号，实现进行si抵消。
[0086]
当然，在物理结构上，通过选取合理有效的消声材料作为接收阵元与发射阵元之间的隔离障板，进行声学隔离，达到隔离收发之间声传播通道的效果；并利用接收阵元空间位置结构设计，采用半波长抵消法进行自干扰抵消，即两接收阵元与发射阵元在同一直线上，且两接收阵元相对于发射端距离差半个波长，因此两阵元接收的信号具有“等幅同相”特性，利用该特性进行对消。
[0087]
经过自干扰抵消之后的信号进入接收信号处理模块。所述接收信号处理模块由通信处理模块和探测处理模块两部分组成。
[0088]
所述通信处理模块包含通信信号处理器、信道均衡估计模块、信息解调与判决模块等部分，最终得到解调之后的完整的发射端通信信息。具体的，信号经过通信信号处理器处理，之后进入信道均衡与估计模块，通过信道均衡提高衰落信道中的通信系统的传输性能，并且消除或者减弱宽带通信的多径时延带来的码间串扰，得到信道均衡后的信号。之后信号经过信息解调与判决模块，以此得到解调之后的完整的发射端通信信息。
[0089]
所述探测处理模块包含探测信号处理器、匹配滤波器及阵列处理模块、目标检测与估计模块等部分。探测信号处理器获取接收信号和一体化波形信号参数。提高目标检测与参数估计在低信噪比与干扰环境下的性能，匹配滤波器及阵列处理模块利用设定的先验知识对接收信号进行预处理，包括匹配滤波、空间白化等处理，达到提高信噪比、去除干扰的作用，从而提高检测与估计性能，得到白化后的信号；由于探测通信一体化系统属于主动探测方式，发射信号精确已知，将发射的一体化波形信号与白化后的信号进行互相关，利用互相关序列形成新的空域协方差矩阵，再进行特征分解，该处理方式在抑制噪声的同时保留了阵元之间的相位信息，进而提高了参数估计性能；最终通过目标检测与估计算法得到目标的方位角以及距离信息，获得主动探测下的目标具体方位。
[0090]
基于上述水下探测通信一体化系统，本发明还提出一种水下通信探测一体化系统网络，如图4所示，包括主动声纳、水下固定节点和水下移动节点，水下固定节点可以采用水下浮标，水下移动节点可以采用无人水下航行器(unmanned underwater vehicle，uuv)，在水下固定节点和水下移动节点上搭载有水下探测通信一体化系统，系统所发射一体化信号同时拥有探测功能与通信功能，完成信息传输和目标检测功能，实现规定海域水下目标探测及网络节点间数据通信，这样减小了网络节点重量，又提高了发射信号利用率。具体实施时，固定节点和移动节点可以同时工作，进行通信信息传输和目标检测工作，尤其适用于水下运动/静止目标的检测。
[0091]
基于该水下通信探测一体化系统网络，水下探测通信一体化工作方式可以分为单基地与多基地两种工作模式。单基地工作模式下，固定\移动节点在发射信号实现信息传输的同时还接收目标回波，此时发射信号具有两种功能，一是实现信息传输，二是作为主动声呐照射源；而在多基地工作模式下，节点可以利用其它节点的发射信号作为照射源进行目标探测，同时接收其它节点的发射信号进行通信，实现多节点的协同探测与通信。
[0092]
基于上述工作模式，对于每个节点有四种工作形式，分别是利用一体化信号的主动探测，利用一体化信号的主被动协同探测，双基地模式下的探测以及被动探测。每一个节点在被激活时都可以充当主动/被动探测节点，主动节点采用发射和接收一体化信号功能，既可以独立完成探测，也可以当作双基地系统的发射节点完成信息传输和探测。被动节点可以接收来自主动节点的通信信号，也可以充当多基地情况下的接收端，完成双基地模式下的探测。
[0093]
具体的，水下浮标是网络的水面固定节点，主要负责部署区域水下感知探测，可以作为水下数据交互中继节点，节点间可以进行通信转发。而且不仅可以作为独立的探测通信节点，也可以和周围固定/移动节点构成双/多基地的探测系统，对所在区域目标进行探测。
[0094]
而移动节点平时处于待机状态，不启动探测功能。一旦接收到其他固定节点发送的探测指令后，启动探测功能，对目标进行持续跟踪探测，采集探测数据，通过自身搭载的
通信探测一体化设备将得到的探测数据传输给各个固定/移动节点，由固定/移动节点上报探测数据发送给上位机进行进一步的分析监测。
[0095]
各固定/移动节点除需搭载水下通信探测一体化设备外，还需搭载信号处理系统和能源系统，以保障各设备的正常运转。具体的，固定/移动节点工作时，探测通信一体化设备对所发射的探测通信信号进行检测与信息交互，收集海域信息，进行探测侦察。即接收到的探测通信一体化信号先经过所设计阵列，对接受信号进行对称相消，达到被动自干扰抑制。之后通过模拟域滤波器设计和数字域信道重构的方法对自干扰抵消。利用经过多级自干扰抑制的信号，根据水下主动声纳方程得到目标距离，根据阵列信号处理得到目标的方位角，从而得到目标的准确位置。而某个固定节点在接收到其他节点上报的探测信息之后，结合自身获得的探测数据，也可以采用数据融合算法，对得到的目标方位角，距离等特征进行融合处理，得到所需探测目标的融合特征信息，并向上位机发送所述融合特征信息。
[0096]
下面结合图4，给出利用一体化信号多节点协同探测的具体应用：
[0097]
1)发现目标，当目标出现在节点探测能力覆盖区域时，该节点进入激活状态，通过探测通信一体化设备对目标进行主动探测，并将探测信息通过一体化信号发送给附近节点；
[0098]
2)附近处于待机状态下的节点，在接收到发射的一体化信号后，对目标进行被动探测；
[0099]
3)对水下目标信号进行实时处理，并将探测信息进行融合，获得水下目标的具体信息。
[0100]
4)节点将得到的信息传输给上位机，进行进一步处理。
[0101]
5)通过得到的目标位置信息和已知的节点位置信息，确定节点的工作状态(待机/主动探测/被动探测)，之后返回步骤2，并对目标进行持续跟踪，直到目标离开可探测区域。
[0102]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。