一种基于扩频序列信号的低虚警率检测方法与流程

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1.本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种基于扩频序列信号的低虚警率检测方法。


背景技术：

2.随着人类对海洋的持续探索，人们对水下信息传输的需求日益迫切，水声通信是能够进行长距离水下实时信息交互的主要通信方式，不仅在军事领域具有较广的应用背景，在民用领域同样不可或缺。水声通信不仅面临带宽严重受限的困境，还面临着多径及时变条件下，水声信道表现出典型的时延、多普勒双重扩展难题。
3.扩频通信具有很好的抗干扰、抗多径的能力，是实现高质量水声通信的首选通信方式。此外，由于接收端可获得较高的扩频处理增益，使得扩频水声通信系统能够在较低信噪比条件下工作，在远程/超远程水声通信中发挥着几乎不可替代的作用。扩频水声通信能否正确解扩与解码一般包括信号检测与同步、信道估计与均衡等关键过程，其中信号检测与同步是为后续实现高质量解码/译码的前提。扩频水声通信具有较强的抗干扰和噪声能力，所以低信噪比环境下，一般选择扩频水声通信提高通信系统的稳健性和检测概率。但是低信噪比水声环境下，扩频通信系统面临着较为突出的虚警率高的信号检测问题，当通信系统在信号实时检测过程中存在大量的虚假信号，将会占据过多计算资源，而且通信系统平台资源有限，当真实信号来临时就会造成漏检，导致系统性能下降。
4.常用的水声通信信号帧结构一般都包含同步信号、信号间隙、信道估计序列和信息序列等模块，传统扩频水声通信检测方法就是对充当同步序列的lfm(线性调频)和hfm信号(双曲调频)等进行检测，但其在低信噪比环境下，匹配增益下降严重。扩频序列由于其良好的自相关与互相关性能在信道估计中使用居多，然而由于水声信道的复杂性、带宽受限影响与强低频噪声干扰以及实际应用中的实时性要求，扩频水声通信的通信速率偏低，水声扩频信号的截获检测更加困难，使其在实际应用中受限。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，在扩频水声通信在低信噪比高干扰背景下，针对信号检测过程中虚假信号多，导致真实信号漏检，虚警率高的问题，提供一种基于扩频序列信号的低虚警率检测方法，利用该方法可以在低信噪比环境下，减少信号检测虚警情况的发生，提高扩频信号的检测概率，检测性能好，适用于扩频水声通信，可以显著提升远程通信系统的可靠性，并且可以减少水声通信信号帧结构冗余，省去同步头的开销，具有很好的实用性。
6.本发明的技术解决方案是，提供一种基于扩频序列信号的低虚警率检测方法,该方法包括如下内容，
7.选择一定长度的直接扩频序列加到信息序列，作为水声通信的同步信号和训练序列；接收端首先对扩频信号进行多普勒多通道粗检和匹配相关检测，滑动相关处理获取对
应的通信信号起始沿，利用起始沿截取同步信号段，并带通降采样甚至欠采样处理；再将本地保存的同步信号与获取的信号段进行匹配相关处理，得到估计的信道；利用估计信道时反处理后，进行二次检测，通过比较相关峰与预设门限完成通信信号检测。
8.扩频序列具有较好的时宽带宽积和相关性能，为此，本发明提出了上述基于伪随机扩频序列进行信号同步和信道估计的低虚警率的信号检测方法，不需要调频序列，用同一扩频序列同时进行通信信号帧同步和信道估计，既能降低信号长度，减少开销，提高通信速率，又能兼顾信号同步和信道估计需要，并进行二次检测降低漏检和虚警概率，保证通信质量。
9.其中，选择一定长度的扩频序列既能充当同步信号进行信号有效检测，又能对水声信道进行准确估计，起到同步信号与信道估计复用的效果。扩频序列具有很好的匹配增益，对其进行信号检测可以得到很好的检测效果，在低信噪比和强干扰环境下，避免漏检，可以降低检测门限，提高检测效率，而且利用其较为准确的估计信道能进行时反处理，得到额外的信道聚焦增益，提高系统的抗干扰能力。并且，基于扩频序列的水声通信为适应低信噪比和强干扰工作环境，降低检测门限，对扩频序列进行一级门限检测时减少了漏检现象的发生，相应的利用估计信道进行时反处理后进行二次门限检测，可有效解决扩频信号与干扰信号难判决问题，可以大大降低系统检测虚警率。
10.优选的，该方法包括以下关键步骤：
11.(1)发射端在信息序列完成信道编码、交织等操作后，将扩频序列加到信息序列前或与信息序列叠加，同时作为同步信号和信道估计序列，载波调制后发送出去；
12.(2)信号同步，在接收端进行信号检测与同步处理，检测方法是将接收信号直接与本地保存的多个多普勒粗插值后的扩频序列副本做匹配相关处理，为降低计算量在匹配相关处理前，对接收信号进行等间隔抽取降采样处理，如果同步信号中心频率与带宽比值较大，还可采用带通欠采样技术，从而减少样本点数。通过拷贝信号滑动相关处理获取接收信号对应的相关峰值和同步信号起始沿，起始沿加上同步信号的长度就是同步信号尾端的位置，截取对应长度的同步信号。
13.(3)信道估计，步骤(1)的接收信号与本地扩频序列做匹配相关处理，将会匹配出多个明显相关峰和众多小峰，为进一步优化计算，我们将低于最高峰一定合适比例的小峰置零，得到当前时刻水声信道的估计值。
14.(4)时反处理，利用估计得到的水声信道与接收信号进行时反处理，提高扩频增益。
15.(5)二次检测，步骤(4)得到时反处理后的接收信号，重复步骤(1)对接收信号进行二次匹配相关处理得到相关峰值，通过比较这个均值与预设门限大小完成同步信号的检测。
16.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
17.本发明不需要调频序列，用同一扩频序列同时进行通信信号帧同步和信道估计，既能降低信号长度，减少开销，提高通信速率，又能兼顾信号同步和信道估计需要，并进行二次检测降低漏检和虚警概率，保证通信质量，具体的，发射端用一定长度的扩频序列同时充当同步序列和信道估计序列，减少了原有调频信号充当同步序列的开销，利用扩频序列估计的信道对接收信号进行时反处理，再进行二次检测，可有效降低漏检和伪峰误判情况
的发生，尤其是低信噪比情况下，降低检测门限，可有效提高检测性能。该方法具有较强的抗干扰性能，适用于复杂的水声通信，尤其可显著提升远程通信的稳健性。
附图说明：
18.图1是扩频序列同步与信道估计复用检测方法工作流程示意图。
19.图2是典型信道下1023长度扩频序列时反前后匹配相关结果图，其中，2(a)为时反前处理结果，2(b)为时反后处理结果。
20.图3是不同信噪比下1023长度扩频序列信道估计结果图。
21.图4是不同信噪比下1023长度扩频序列时反前后匹配相关处理结果图。
22.图5是不同检测门限条件下本发明检测方法与常规检测方法的检测-虚警概率曲线图。
具体实施方式：
23.下面结合附图就具体实施方式对本发明作进一步说明：
24.一种基于扩频序列信号的低虚警率检测方法,其实现流程图如图1所示，该方法具体实施过程如下，
25.(1)发射端将原始信息进行编码及交织等操作后形成信息数据序列，信息序列前添加一定长度m的伪随机扩频序列c(t)＝[c1,c2,
…
,cm]作为训练序列，每一个扩频码片宽度为ti，码片速率ri＝1/ti，则为信息码，为门函数，本实例取m＝1023，调制后最终形成一帧通信信号：
[0026][0027]
则接收到的信号模型为:
[0028][0029]
式中：y(t)为接收信号，w(t)为加性噪声，j(t)为干扰，a为接收信号幅度。
[0030]
接收端解扩过程与扩频过程相同，用本地保存的扩频序列对接收信号进行相关计算后进行解调，用户获得扩频增益，噪声干扰及其他干扰分量经解扩处理，由于能量被分散而大大削弱。设本地保存的扩频序列为c'(t)，则解扩过程用公式表示为：
[0031][0032]
式中，将经过相关解扩后的信号、噪声和干扰分别记作s'(t)，w'(t)和j'(t)。
[0033]
如果接收信号产生的扩频序列与本地扩频序列同步，则有c'(t)＝c(t)，即c'(t)c(t)＝1，接收端将会得到一个较为明显的相关峰值a。
[0034]
(2)信号检测时实时接收信号，包含扩频序列的通信信号为待检信号，利用二元假设检测模型来描述水声通信的信号感知问题：
[0035]
[0036]
其中，y(n)为接收端接收到的待检信号，s(n)为包含hfm导引序列的语音信号；w(n)为实测信号中的加性高斯白噪声，且符合w(n)～nh(n)和k分别表示信道和采样点数；h0表示当前接收信号没有待检信号；h1表示检测到待检信号，可以进行下一步信号分析与处理。
[0037]
检测信号时，用f
*
(n)和g
*
(n)表示对发射信号f(n)和接收信号g(n)的能量归一化，用r1(t)表示计算本地拷贝信号与待检信号的相关度，ρ1表示归一化后的相关值：
[0038][0039][0040]
ρ1＝max(r1(n))(7)
[0041]
多个多普勒粗插值后的本地拷贝信号副本与待检信号做滑动相关处理，可以提高扩频信号抗多普勒能力，选择较大的相关值与选择阈值γ1相比较，当通信信道噪声干扰较大，信噪比较低，匹配相关峰值较小，为适应低信噪比环境，降低漏检，提高抵抗噪声和干扰能力，门限阈值γ1取值较小，当ρ1≥γ1时表示检测到二次待检扩频序列信号，利用相关峰位置获取对应扩频信号起始沿，起始沿加上扩频同步信号的长度就是同步信号尾端的位置，截取对应长度的扩频信号。
[0042]
(3)步骤(2)的接收信号与本地扩频序列做匹配相关处理，如图2(a)所示，将会匹配出多个明显的相关峰和众多小峰，为进一步优化计算，我们可以将低于最高峰一定比例的小峰人为减小或置零，来降低伪峰的干扰，得到当前时刻水声信道的估计值h'(n)，其具有当前信道的基本特征信息，扩频序列进行信道估计效果良好，图3是一定信噪比下m＝1023长度的扩频序列进行信道估计的结果值，可以看出低信噪比(-10db～-8db)下，估计信道除了估计出原始信道外还有额外一些伪峰存在，增加了一定干扰，当信噪比大于-7db时,估计的信道主峰明显，基本没有出现伪峰现象，说明了扩频序列具有较好的信道估计性能。
[0043]
(4)时间反转镜对水声多径信道进行时间和空间聚焦，降低多径信号干扰，以虚拟时间反转镜为例，时反将估计的信道h'(n)进行时间反转处理，再将得到的时反信道h'(-n)与接收信号y(n)卷积，实现整个时反处理过程。
[0044]
对二次待检信号进行信道估计和时反处理后，再进行二次匹配相关处理获取时反处理增益，由公式(3)和(4)可知接收信号经过时间反转和解扩后为：
[0045][0046]
式中：a'为相关幅值，为时反信道，可以认为信号最终经过的信道，时反信道可以表示为实际信道与估计信道的互相关函数，由于估计信道h'(n)与真实信道h(n)基本特征类似，进而可以认为时反信道是实际信道与估计信道的自相关函数，实现多径信号能量的叠加，产生聚焦效果，图2(b)是典型信道下时反处理结果，与图2(a)相比提
高了匹配相关处理增益。图4是不同信噪比条件下，接收信号经过时反处理和未经过时反处理的匹配处理相关峰值，可以明显看出时反大大增加了匹配处理增益，具有良好的能量聚焦效果，尤其是在低信噪比情况下效果显著，抗干扰能力强。
[0047]
再将本地拷贝信号与时反处理后的信号做匹配相关处理并与门限阈值γ2作比较，此时由于时反处理增益，二次匹配相关峰值将会有明显提升，当二次相关值ρ2≥γ2时表示检测到信号，如果不是合法扩频信号，二次相关值ρ2将不会超过选择阈值γ2。总的虚警概率可以表示为：
[0048][0049]
其中：和分别表示一次相关检测和时反处理后二次相关检测的虚警概率，且通过两级检测门限来降低虚警概率，后续可以对信号作进一步处理。图5给出了不同检测门限条件下检测-虚警概率曲线图，结果表明运用本发明方法比常规检测方法在提高检测概率的同时，大大降低了虚警概率，信号检测性能较好。
[0050]
通常当信号带宽固定时，采样率变高，信号带宽不变，能量不变，信号引入的噪声变宽，会导致分段内积值浮动变化，而且大采样率也会导致运算量变大，为解决系统整体性能保持一致和降低运算量，可对接收信号等间隔抽取降采样处理，如果信号中心频率与带宽比值较大，还可采用带通欠采样技术，降低采样点数和相关运算量。
[0051]
本发明提出的检测方法，发射端用相同的扩频序列既充当同步序列，可以减少原有调频信号充当同步序列的开销，又进行信道估计，利用扩频序列良好的自相关性能可以准确提高信道估计的准确度；再利用扩频序列估计的信道对接收信号进行时反处理，进行二次检测，大大减小噪声和干扰对信号的影响，提高匹配相关处理增益，可有效降低检测遗漏和伪峰误判情况的发生，尤其是低信噪比情况下，可有效提高检测性能。该方法具有较强的抗干扰性能，适用于复杂的水声通信，尤其可显著提升远程通信的稳健性。
[0052]
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书所做的等效流程变换，均包括在本发明的专利保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于扩频序列信号的低虚警率检测方法,其特征在于：该方法包括，选择特定长度的直接扩频序列加到信息序列，作为水声通信的同步信号和训练序列；接收端首先对扩频信号进行多普勒多通道粗检和匹配相关检测，滑动相关处理获取对应的通信信号起始沿，利用起始沿截取同步信号段，并带通降采样甚至欠采样处理；再将本地保存的同步信号与获取的信号段进行匹配相关处理，得到估计的信道；利用估计信道时反处理后，进行二次检测，通过比较相关峰与预设门限完成通信信号检测。2.根据权利要求1所述的基于扩频序列信号的低虚警率检测方法，其特征在于：具体步骤如下，步骤一，发射端在信息序列完成信道编码、交织相关操作后，将扩频序列加到信息序列前或与信息序列叠加，同时作为同步信号和信道估计序列，载波调制后发送出去；步骤二，信号同步，在接收端进行信号检测与同步处理，检测方法是将接收信号直接与本地保存的多个多普勒粗插值后的扩频序列副本做匹配相关处理；并通过拷贝信号滑动相关处理获取接收信号对应的相关峰值和同步信号起始沿，起始沿加上同步信号的长度就是同步信号尾端的位置，截取对应长度的同步信号；步骤三，信道估计，将低于最高峰特定比例的小峰置零，得到当前时刻水声信道的估计值；步骤四，时反处理，利用估计得到的水声信道与接收信号进行时反处理，提高扩频增益；步骤五，二次检测，步骤四得到时反处理后的接收信号，重复步骤一对接收信号进行二次匹配相关处理得到相关峰值，通过比较这个均值与预设门限大小完成同步信号的检测。3.根据权利要求1所述的基于扩频序列信号的低虚警率检测方法，其特征在于：步骤二中，为降低计算量在匹配相关处理前，对接收信号进行等间隔抽取降采样处理，如果同步信号中心频率与带宽比值达到特定值，进一步采用带通欠采样技术，从而减少样本点数。4.根据权利要求1所述的基于扩频序列信号的低虚警率检测方法，其特征在于：步骤二中，信号检测时实时接收信号，包含扩频序列的通信信号为待检信号，利用二元假设检测模型来描述水声通信的信号感知问题：其中，y(n)为接收端接收到的待检信号，s(n)为包含hfm导引序列的语音信号；w(n)为实测信号中的加性高斯白噪声，且符合h(n)和k分别表示信道和采样点数；h0表示当前接收信号没有待检信号；h1表示检测到待检信号。5.根据权利要求4所述的基于扩频序列信号的低虚警率检测方法，其特征在于：信号检测时，分别用f
*
(n)和g
*
(n)表示对发射信号f(n)和接收信号g(n)的能量归一化，用r1(t)表示计算本地拷贝信号与待检信号的相关度，ρ1表示归一化后的相关值：
ρ1＝max(r1(n))多个多普勒粗插值后的本地拷贝信号副本与待检信号做滑动相关处理，以提高扩频信号抗多普勒能力。6.根据权利要求5所述的基于扩频序列信号的低虚警率检测方法，其特征在于：当ρ1≥γ1时表示检测到二次待检扩频序列信号，利用相关峰位置获取对应扩频信号起始沿，起始沿加上扩频同步信号的长度就是同步信号尾端的位置，截取对应长度的扩频信号。

技术总结
本发明公开了一种基于扩频序列信号的低虚警率检测方法,该方法包括如下内容，选择一定长度的直接扩频序列加到信息序列，作为水声通信的同步信号和训练序列；接收端首先对扩频信号进行多普勒多通道粗检和匹配相关检测，滑动相关处理获取对应的通信信号起始沿，利用起始沿截取同步信号段，并带通降采样甚至欠采样处理；再将本地保存的同步信号与获取的信号段进行匹配相关处理，得到估计的信道；利用估计信道时反处理后，进行二次检测，通过比较相关峰与预设门限完成通信信号检测。本发明既能降低信号长度，减少开销，提高通信速率，又能兼顾信号同步和信道估计需要，并进行二次检测降低漏检和虚警概率，保证通信质量。保证通信质量。保证通信质量。


技术研发人员：吴梦行 杜鹏宇 江新麒 谢哲 朱小辉
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一五研究所
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/12