非合作水声通信信号频域信息参数估计方法技术研究
摘要
近年来，随着水下无人潜航器（Unmannedunderwatervehicle，UUV）的发展速度越
来越快，基于无人平台的水下侦察技术应用越来越广泛。非合作水声通信信号的探测需
要经过信号检测、调制识别、参数估计、解调和译码等过程，在信号经过调制识别后，
需要对信号的参数实现精准的估计，精确的频域信息估计对后续载波的同步和基带码估
计有着重要意义，因此频域信息参数估计是信号参数估计中的重要课题。非合作场景下，
水声通信信号的一切先验信息均为未知数，由于UUV的机动运动造成的多普勒影响，
导致传统的参数估计方法的精度较低。因此，如何选取合适的算法来实现信号的高精度
频域信息参数估计极其重要。本文围绕非合作水声通信信号的频域信息参数估计方法展
开研究，主要内容包括典型水声通信信号特点及基本时频分析理论研究、基于二阶时频
分析的参数估计方法研究以及基于高阶时频分析的参数估计方法研究等，同时对以上两
类参数估计算法进行了理论分析与仿真验证，并通过实测数据和半实测数据对上述两类
参数估计方法的实用性进行了验证。
针对于非合作双方常用的水声通信形式，本文列举了四种典型的水声通信信号，包
括作为水声通信同步头的线性调频信号、作为典型通信信号的二进制相移键控信号和二
进制频移键控信号以及直接序列扩频信号，然后对信号的时域及频域特点进行了分析，
同时对非合作参数估计领域的时频分析理论进行了介绍。
非合作水声通信信号频域信息参数估计技术研究主要由两部分构成。首先，针对基
于二阶时频分析的参数估计方法的研究，主要由四部分构成：1.围绕短时傅里叶变换算
法展开研究，介绍了该算法的原理并对其性能特点进行了分析，针对短时傅里叶变换时
频聚集性差这一缺点，引入了基于短时傅里叶变换的同步压缩变换算法以及基于短时傅
里叶变换的局部最大同步压缩变换算法，提升了短时傅里叶算法的时频聚集性。然后，
通过四种典型水声通信信号，仿真分析了算法的参数估计性能；2.围绕魏格纳-维勒分
布（Wigner-VilleDistribution，WVD）算法展开研究，介绍了该算法的原理，并对其性
能特点进行了分析，针对WVD的非线性带来的交叉项，进而影响参数估计精度这一缺
点，引入了平滑伪魏格纳-维勒分布算法，降低了交叉项对参数估计精度带来的影响。然
后，通过四种典型水声通信信号，仿真分析了算法的参数估计性能；3.围绕分数阶傅里
叶变换算法展开研究，对该算法的原理及其性能特点进行分析。然后，通过四种典型水
声通信信号，仿真分析了算法的参数估计性能；4.对上述算法的参数估计误差进行对比
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分析，比较各算法参数估计精度的差异性，其中分数阶傅里叶变换对本文中信号参数的
估计精度较高，并通过实测数据验证了结论。
其次，在非合作条件下，由于UUV运动造成的多普勒频谱展宽，非合作信号会畸
变成多分量的高阶相位信号，因此本文引入基于高阶时频分析的参数估计方法，包括基
于Radon-CPF变换的参数估计方法和基于CCD变换的参数估计算法，并提出了基于
RCCD变换的参数估计算法。对各算法的算法原理进行了介绍，并对其性能特点进行了
分析。最后对三种算法的鲁棒性进行分析，指出造成性能优劣的原因，仿真分析了各算
法在低信噪比和UUV机动运动条件下的参数估计误差的差异性，同时利用半实测信号
验证了引入的三种算法均对基于UUV的非合作水声通信信号的频域信息参数估计性能
有改善作用，其中RCCD算法针对于本文中信号的参数估计精度最高。
关键词：水声通信侦察；UUV；参数估计；时频分析；三阶相位
非合作水声通信信号频域信息参数估计方法技术研究
ABSTRACT
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofUnmannedunderwatervehicle(UUV),the
applicationofunderwaterreconnaissancetechnologybasedonunmannedplatformismoreand