声呐设计中的系统模拟技术(Ⅱ)

本文继续前文讨论声呐设计中的系统模拟技术。数字多波束声呐对目标的精确定向问题提出了新的要求。本文给出利用多波束输出实时计算信号入射角的几种方法,即内插法、微分相关法及互谱法。系统模拟的结果指出这些方法可以用于实时跟踪多个目标。 后置积累是声呐信号处理的重要组成部分。文中给出两种数字式积累器的系统响应,比较了它们的性能。指出指数型平均积累器是一种便于实现而性能又接近理想平均器的后置积累系统。我们还给出在计算机上进行模拟的结果。最后讨论声呐设计中系统模拟所面临的新问题。     

数字式多分层多波束系统指向性的计算机模拟

用横向滤波器形成多波束是数字式声呐的一种新的波束成形方法。这种系统的指向性与采样频率、分层比特数及延时补偿的量化误差有关。系统实际指向特性与理想稳态特性之间的差异将直接影响声呐的性能。本文给出计算这种系统指向性的各种必要公式。同时在计算机上进行系统模拟。模拟的结果可为数字式声呐某些参数的选取提供依据。     

数字式分裂波束阵系统的精确定向方法

本文讨论数字式声呐分裂波束精确定向的问题。利用Piersol提出的互谱法估计时延的原理,给出线阵与圆阵分裂波束系统的信号入射角与等效声中心的时延解算公式。利用这些公式可以根据输入数据,直接给出目标的准确入射角的数值。文中给出估计精度的表达式。它与累加次数、DFT的长度及采样周期有关。同时,还分析了由于对随机信号的截断所带来的误差。提出了对估计量加权、对输入数据加窗和合理选择DFT参数,以提高估计精度的方法。文中还给出系统的方框图及部分计算机模拟的结果。本文所提供的方法可以在数字式声呐中用于实时跟踪多个目标。     

数字多波束声呐的一种内插算法

数字多波束声响的每一波束具有固定指向．为了在空间域得到较高的分辨力，减少声呐设计中的硬件开销，波束成形后的内插是十分必要的．本文基于抛物线三点与五点内插的原理，提出一种简单易行，精度较高的波束内插算法，并以直线阵和圆弧阵为例，说明这种算法的实现方法。实际计算机模拟结果表明，本文提出的算法可以改善多波束系统的指向特性，提高对目标的分辨精度．     

自适应波束成形系统的极限分辨力和最佳加权系数的动态

本文研究自适应波束成形声呐设计中的几个问题。其一是自适应波束成形系统的极限分辨力,我们给出这种系统输出信噪比和增益的一般表达式。提出一种计算自适应波束成形系统抗平面波干扰能力的计算方法。 作为信号和干扰之间广义夹角的函数,给出计算系统增益的公式及相应的数值计算结果。 指出,极限分辨力不仅依赖于广义夹角而且与干扰/噪声比有关。文中给出具体的例子。 本文研究的另一个问题是最优加权系数的动态问题,根据频域上最优传输函数的解,可以给出最优加权系数的一个上界。 本文的结果可以直接应用于实际自适应波束成形的雷达或声呐的设计。     

无源声呐稀疏阵无栅瓣性能分析

计算机模拟、实际声呐信号和理论分析证明了在无源声呐中只要信号带宽足够宽(带宽大于1个倍频程),无源声呐中用稀疏阵,即基元间距大于信号波长的基阵,波束图中不会出现栅瓣特性。白化目标信号可满足尽量宽的信号带宽,有利于无栅瓣波束的设计。结论是只要保证足够宽的信号带宽,无源声呐工作频段中最高频率的波长可小于基阵中阵元间隔而可使阵波束特性不出现栅瓣。     

数字式声呐中一种新的背景均衡算法

在频谱分析领域,背景均衡技术已被广泛地研究过．已经证明,这种方法对改善线谱检测是有效的．在数字多波束声呐系统中,方位历程显示是信号处理模块和显控模块之间最重要的界面。已经证明,声呐处理系统的增益最容易在不同的信号处理模块接口处丢失．背景均衡技术可以改善方位历程显示的总体性能,将多波束数据的后置处理结果在送至显示器之前首先进行滤波．本文提出的中值滤波和排序截断平均（ＯｒｄｅｒＴｒｕｎｃａｔｅＡｖｅｒａｓｅ,ＯＴＡ）相结合的方法利用可变长的窗口匹配不同主瓣宽度的波束图是一种对不均匀、非平稳背景的有效均衡技术．系统模拟结果表明,此方法对于多波束非均匀背景的均衡是非常有效的。     

声呐信号测向技术仿真研究及实现

方位估计是声呐信号处理中的一个核心问题，本文基于分裂波束原理，针对声呐系统中常用的单频ＣＷ信号和双曲调频ＨＦＭ信号，给出ＣＷ信号的互谱法法定向和ＨＦＭ信号的正交相关法定向的方法，计算机仿真实验分析了本文方法的精确性。     

可编程多路白噪声发生器

伪随机噪声在数字信号处理中具有重要的实用价值,白噪声是产生具有指定概率分布的伪随机噪声的基础.本文给出一种数字式可编程多路白噪声发生器的原理设计,把传统的移位寄存器技术用高速静态RAM代替,可以同时产生多路相互独立的白噪声.用DSP编程,软件简单,硬件紧凑.系统仿真表明,用本设计所产生的白噪声统计特性好、性能稳定,完全能满足声呐和通信等有关领域的要求,本文给出了原理分析、设计框图,计算机仿真的结果。     

数字式声呐显示系统的GSC算法

方位历程显示已被证明为检测信号的有效手段。数字式声呐的多波束数据与调亮显示系统之间存在着一个接口,它有可能使信号处理系统已获得的增益受到损失。选择合理的算法会使这种损失减到最小。本文提出的灰度级转换算法(GSC)是一种实时的数字运算技术。在输入信噪比较低时会使弱信号的检测能力有所改善,同时又对强信号的检测不会有严重的影响。本文提出的算法易于由硬件实现。计算机模拟实验的结果与理论一致。文中给出了硬件设计的概要说明。     

基于ADSP-21060芯片的多波束形成方法──时域实现与频域模拟

众所周知,利用阵列处理技术实现多波束形成是大多数声呐和雷达系统的关键步骤。波束形 成技术发展多年,己较成熟。本文讨论利用被动声呐的阵列输出以检测和定位宽带声源的多波束形 成方法。所用芯片为 ＡＤ公司推出的最新 ＤＳＰ芯片 ＡＤＳＰ－２１０６０ ＳＨＡＲＣ。对于时域偏重于讨论 技术实现,对于频域则讨论实验模拟,并根据芯片特点对两种方法进行了比较。     

数字声呐系统的差分相关内插精确定向

本文讨论数字声呐系统多目标实时跟踪的核心问题,即精确定向问题。在对差分相关波束特性分析的基础上,建立了应用相邻两个差分相关波束定向的方法——差分相关内插定向方法。文中给出了极为简单的内插公式,计算分析了应用本方法的定向性能。     

无源声呐多目标检测中反波束成形递推算法及其应用

随着声呐检测能力的提高,多目标干扰下微弱信号的检测问题日益突出。当声呐方位历程显示上出现多个干扰轨迹时,弱目标的检测显得十分困难。自适应噪声抵消(Adaptive Noise Canceling,ANC)技术为抑制多个干扰提供了理论基础,但是求解稳态最佳滤波矩阵存在着技术实现上的困难。本文提出用一种反波束成形(Inverse Beamforming,IBF)递推算法,在阵元域逐一抵消多个强干扰,从而增强并提取出微弱目标信号。文中给出了递推求解由逆矩阵所表达的最佳滤波矢量的理论推导和相应的公式。利用IBF算法处理海试数据得到了较好的结果,显著改善了强干扰下对微弱信号的检测,甚至在普通波束成形(CBF)中未能显示出来的信号都可以被检测出来。      

基于子带分解的宽带波束域最小方差无畸变响应高分辨方位估计方法研究

针对最小方差无畸变响应法对宽带不适用、计算量较大和如何与实际声呐系统结合这三个问题,提出了基于子带分解的宽带波束域MVDR高分辨方位估计方法:它以子带分解的方法实现MVDR在宽带情形下的扩展;利用波束转换实现降维运算,大大减小运算量和提高算法的稳健性;并且提出了在声呐系统使用中的新思路:可将该方法与声呐的多波束系统结合,直接利用声呐多波束系统的输出,可省去从阵元域到波束域的转换,进一步减少运算量;可用于替代传统的分裂波束精测定向系统或单波束系统,提高整个声呐定向系统的性能。经过理论分析、仿真实验和湖试实验,证明了该方法是简单的、有效的、可行的。     

声呐信号处理中时域数字多波束成形的新方法

本文给出时域上数字多波束成形的一种新方法.它采用并行流水线结构,把数字滤波、升采样以及最优加权结合在一起,利用高速RAM和VLSI DSP芯片动态地构成一种高精度延时补偿的多波束数字信号处理系统.这种系统与传统波束成形比较,具有精度高,运算量少,编程容易,硬件结构紧凑的特点.文中给出设计的基本原理及硬件实现的方法.     

齿鲸生物声呐发射特性与波束调控研究

齿鲸生物经过长期自然选择,进化出小巧、灵敏、高效的声呐系统.齿鲸生物声呐研究涉及海洋物理、声学、生物学、仿生学和信息学等学科,对于生物仿生、水声声呐、信号处理、水下探测与通信等领域具有参考价值.本文从声呐系统解剖结构、声呐信号与声呐波束调控三方面出发介绍齿鲸声呐发射系统.首先,介绍如何利用计算机断层扫描成像与超声测量技术重建齿鲸声呐发射系统的高精度三维结构,获取其声速、密度分布,为声呐系统的功能研究建立基础.随后,探究声呐系统发出的声信号的特性,研究声信号与生物行为之间的联系.最后,参考齿鲸生物声呐解剖结构与声呐信号特性建立数值模型研究声发射系统的气质结构、软组织结构和骨质结构组成的声学多相介质对声波传播的控制作用.齿鲸生物能利用其声呐信号的多样性与声呐发射系统结构的复杂特性动态调整声波传播与波束形成.探究齿鲸生物声呐工作原理能加深对生物多相介质中的声传播过程的理解,有望为水下仿生声探测与感知技术的发展提供新思路.     

宽带低旁瓣时域波束形成

针对有源和无源声呐中的宽带波束形成,提出了一种低旁瓣时域实现方法。声阵列各个阵元的输出首先经过数字延迟线实现数倍采样间隔的时延补偿,然后由FIR数字滤波器来补偿剩余的时延,并实现低旁瓣波束所需的频率加权,最后再把滤波器输出相加得到时域波束输出。FIR数字滤波器的设计采用改进的自适应方法,其期望响应由工作频带划分成的等间隔窄子带上的低旁瓣波束形成权系数构成。各个子带上的低旁瓣波束则采用基于MVDR波束形成原理的波束优化设计方法得到。针对圆弧阵的计算机仿真设计结果和湖上实验验证了本文方法的正确性和有效性。     

圆阵快速数字多波束形成

在时域上实现多波束形成,其运算量与系统时空采样点数的平方成正比.木文提出以“交迭-贮存”的方法计算输入信号与时延横向滤波器脉冲响应的卷积,再根据Farrier等人的工作,用FFT算法完全实现时域上的圆阵多波束形成.因此在节省运算量的同时,保证了结果的准确.文中给出了计算机模拟计算的结果,同时还提出了一种非整数倍采样周期时延的方法,改善了指向特性.     

多波束自适应噪声抵消法引论

本文给出按Wiener最小均方差准则设计的两种噪声抵消系统模型。给出计算输出信噪比的一般表达式,提出了把这种模型用于自适应波束成形时的实际检验准则。提出一种多波束自适应噪声抵消系统,分析了它的主要性能。本文的全部讨论都在频域上进行,文中给出利用信号平均功率谱密度和最佳线性滤波器的传输函数计算系统指向性的方法,给出了多波束噪声抵消法在自适应前后的指向性公式。实际的例子说明这种系统在抑制为数不多的干扰时具有很大的优越性。     

一个在微机上应用的声呐线阵设计软件

数字式声呐的很多运算可以用计算机上的专用软件进行仿真,本文介绍一个用于IBM PC/XT,/AT及其兼容机的声呐设计用软件,对于连续线阵、离散等间隔线列阵,用户只需要输入有关参数。本软件就能在不到一分钟内计算出指向性函数,同时将用户所感兴趣的波束图在屏幕上画出来,在必要时还可以在普通打印机上得到硬拷贝。这个软件具有ZOOM功能。用户可以在横坐标上选取任意要放大观察的窗口以便了解指向性的细微结构。由于在设计中采用人机对话方法,用户在使用时可随时选择所需要的项目和改变数据,命令流向,本软件不仅可作为声呐设计人员的有力工具,也可以用于教学上的直观演示。