海洋信息处理-总述

海洋信息处理的学习内容

分享内容有水声通信系统的建模与仿真，主要分为信道仿真、模拟调制、数字基带传输、数字带通传输（载波传输）、信道交织、OFDM系统、CDMA系统、MIMO系统的仿真。
其次分享的是水声系统（主要分为水下目标探测和海洋信息传输）的一些知识点、算法和一些热门的信息处理方法，尤其是水声通信信号检测方面。
最后也会穿插在《现代数字信号处理》课上学到的一些知识在matlab中的仿真，主要是经典谱估计、现代谱估计和常见的滤波器部分。

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提示：每篇文章均会注明参考书籍和参考文献，本系列文章仅用作每周的学习分享。

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前言

海洋信息在水中的获取、传输、处理主要分为水下目标检测和海洋信息处理。其中水下目标检测面临两个1000的难题：水下干扰是目标信号的1000倍，干扰数目是目标的1000倍。海洋信息传输一般分为水下无线电通信、水声通信和水声网络，但由于水声信道相对于地面而言有着更强的多径效应和多普勒效应（最大的原因是声波速度远小于电磁波），所以水声通信相干的实验还及其有限。而本系列主要研究对象是水声通信，所以第二章全都是水声通信系统的仿真，中间会穿插现代数字信号处理仿真的内容。

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一、海洋信息在水中的获取、传输和处理

1.水下目标探测

水下目标探测是将声信号转化成电信号，在进行提高增益，过程中用一些现代信号处理方法来进一步提高信噪比，以及背景噪声和混响抑制。可以看出它的过程和雷达信号处理十分相似，声电转换对于着天线将电磁波转换成电信号，然后也会进行提高增益和一系列去除杂波和噪声的信号处理技术。

目前主要研究方向：
低频水声信道的传播特性；传感器技术；主动探测；被动探测；水下目标特性及识别；波束形成与空时自适应处理；模基信号处理；多基地探测

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这里主要介绍目前应用较多的**波束形成与空时自适应处理和模基信号处理**

• 波束形成与空时自适应处理

二者的关系以及各自的目的、处理方式和发展方向如图所示：
值得说明的是空时自适应处理是波束形成的推广，除了空时自适应处理，目前还有对空时相三维处理的研究，参考文献列出。
还有空间分布的传感器收集到声场数据后，线性处理一般是自适应处理算法，目前最小均方误差（LMS）准则和最小二乘（LS）准则是最流行的自适应算法准则。所谓自适应处理就比如阵列的排列不是固定的，而是根据环境自适应条件的，最小均方误差和最小二乘也都是以不同的准则去估计一条波形去尽可能接近环境的真实值，以达到理论上的最优。

• 模基信号处理

模基信号处理指的是基于模型的信号处理，主要是来用于解决声源定位的问题。
最一开始，人们普遍用三元阵定位传统方法来定位，但是由于无法实现声源的深度估计，并且远距离误差会更大，所以引出了模基信号处理。模基信号处理通俗来讲就是将信道的传播模型参数、测量模型参数和噪声模型参数统一放进一个大模型当作。对于这个大模型而言，原始数据是输入，估计值是输出，这是广义的模基信号处理，也是通常所说的匹配场（MFP）。但由于模基信号处理应用在海洋信息处理时，水下及其复杂的环境会出现环境失配，所以引出了动态模型下的模基处理。具体发展过程如下：

1.海洋信息传输

前言刚刚也提到水下目标探测面临两个1000倍的难题，海洋信息处理由于水下的复杂性也存在着很多的突破方向。下图给出海洋信息传输的大致过程

海洋信息传输一般将其分为无线电通信和水声通信，二者的区别是一个以电磁波为载体，一个以声波为载体，二者的主要优缺点如下：

• 无线电通信

无线电通信在水中的衰减十分小，所以有研究根据衰减与吸收损耗和散射有关，着重寻找在水中衰减较小波动的可见光，也就是440nm-550nm波段内蓝绿光，它可以在海水中的衰减速度为123dB/km，而100Hz电磁波在海水中的衰减速度是345dB/km。

• 水声通信

水声可以说说目前海水唯一远距离传输信息的载体，100Hz的声波在海水中的衰减速度是0.0015dB/km。所以说水声通信相对于无线电通信有着更好的衰减性质，可以实现远距离通信，其技术的研究发展如下图所示。

• 水声网络

目前地面上的通信网络已经很成熟，但是始终缺少了海洋通信网络这一板块，虽然海洋和地面用的传输载体不同，一个是电磁波一个是水声，但是可以通过收发换能器来中转信号（需要在水下，因为水面对于水声是较为刚性的界面）。水下的多节点互联成网络需要面临的挑战：
1.节点通信能力受限：水声信道可用的一般只有几千赫兹到几十千赫兹，并且随着距离越远越少
2.网络拓扑高动态：水下的复杂环境，导致网络节点不稳定的邻居关系
3.网络节点能量受限：充电难且费用高
4.水声媒体接入控制(media access control MAC)协议有待完善

二、水声通信系统的建模和仿真

在相应专栏展开

三、现代数字信号处理

此学科拜读的是胡广书老师的《数字信号处理》，由于前半部分都是本科学习和涉及到的内容，所以重点放在经典功率谱密度估计和现代功率谱估计，以及各自的估计质量评价，还有最后的各自基础的滤波器。也会在相应专栏展开。

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总结

以上内容给下面水声通信系统的建模和仿真做了基础学习的铺垫，后面会将重点放在水声通信系统的建模和仿真，遇到一些面临的水声通信技术也会展开思考。

参考文献

［1］海洋信息获取_传输_处理及融合前沿研究评述_徐文
［2］面向6G的可见光通信关键技术_施剑阳