水声通信的频率与功率动态控制机理

海洋水下空间的水声通信，特别是水下无人航行器UUV与工作船的半双工水声通信的可靠性、隐蔽性受通信系统的载波频率和发射功率等因素的制约。根据海洋水下空间水声通信技术特别是UUV与母船水声通信技术的基础发展的迫切需要，深入研究半双工水声通信的频率与功率动态控制的理论方法，建立变距离水声信道的在线检测理论模型、频率动态控制模型、功率动态控制模型，突破变距离的水声信道特性在线检测理论、环路时延估计与补偿技术、频率动态控制理论、功率动态控制理论等关键技术，提高半双工水声通信的可靠性及UUV通信的隐蔽性，减少UUV的能源消耗，开展水池/湖上实验研究，验证并完善所提出的理论和方法，以期待获得水声通信技术的新突破。该项目预期研究成果对推动UUV水声通信技术的发展、增强UUV的通信及导航能力、建立水下通信网络及水下导航系统等有着重要的理论意义和应用价值。

海洋水下空间的水声通信，特别是水下无人航行器UUV与工作船的半双工水声通信的可靠性、隐蔽性受通信系统的载波频率和发射功率等因素的制约。本项目根据海洋水下空间水声通信技术特别是UUV与母船水声通信技术的基础发展的迫切需要，通过水声信道建模、变距离水声信道特性在线检测、环路时延估计与补偿、频率动态控制机理、功率动态控制机理等几个方面的研究，系统而深入地研究了半双工水声通信的频率与功率动态控制的理论方法。1.基于水声通信试验资料和声线理论研究了UUV与母船之间的水声信道特性，提出了水声簇稀疏/散射信道模型，用以描述不同水声通信环境和UUV运动态势下，水声信道中的多径传播、分簇稀疏及散射等特性。2.由改进的LS最小二乘算法完成水声稀疏信道重要权系数迭代估计，无需预先知道信道多径数且提高了估计精度；3.基于MMSE准则，提出了水声簇稀疏/散射信道的散射分量估计方法，设计了两步散射分量估计算法；4.提出了利用频带传输信号对信噪比和最大多普勒频移进行估计的方法，建立了信噪比及最大多普勒频移估计模型。5.提出利用对水声信道状态信息进行预测的方法进行环路时延补偿，通过线性自回归模型和自适应RLS方法预测水声信道，并通过降低信道采样速率和局部平滑减小预测误差。这些变距离水声信道特性在线检测模型和环路时延估计与补偿算法的提出与建立为频率动态控制及功率动态控制提供了理论依据。6.通过对不同距离段上和不同信道结构水声通信系统的最佳/准最佳工作频率的分析，建立了频率动态控制模型，并以此为基础构建了水声动态混沌概率跳频通信系统，提高了水声通信的可靠性。7.研究了水声通信系统的通信距离与发射声功率的关系、 UUV与母船可靠通信的信噪比检测门限和UUV水声通信的变步长变化机制。分别采用基于反馈方式的闭环反向功率控制和开环功率控制策略来对近距离水声通信和中远距离水声通信进行功率控制。8.提出利用最优功率-速率联合分配算法动态调整水声OFDM系统各子载波发射功率，实现了水声OFDM通信系统的性能优化。9.通过水库试验与仿真实验相结合的方法验证并完善了水声通信的频率与功率动态控制的理论和方法。本项目的研究提高了半双工水声通信的可靠性及UUV通信的隐蔽性，减少了UUV的能源消耗，研究成果对推动UUV水声通信技术的发展、增强UUV的通信及导航能力、建立水下通信网络及水下导航系统等有着重要的理论意义和应用价值。