遥测振动信号EMD-WVD分布应用研究

飞行器飞行试验采集的遥测振动信号频段丰富、成分构成复杂,合理有效地解读其包括的时频信息在分析飞行器结构和环境特性方面至关重要。依托经验模态分解(EMD)方法将复杂信号分解成准单分量信号,借助相关系数法将伪分量信号剔除,保证分解信号的有效性。通过EMD和 WVD方法的结合,将保留的准单分量信号进行WVD变换并做平滑伪处理,从而获得复杂信号的时频分布。EMD-WVD组合模型经在仿真信号上的应用检验,能够检测信号自身的时频特性,进一步应用其在遥测振动信号上,同平滑伪WVD抑制交叉项方法进行了比较,结果表明EMD-WVD组合模型更加有效,能够反映复杂工程信号的时频分布特性。     

任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累

现代声呐、水下制导等水声探测系统常常使用窄带脉冲、调制、编码、伪随机等种类繁多的发射信号波形来满足低信噪比检测、高分辨估计、抗干扰、主动隐蔽探测的应用需求.针对这一情况,本文研究了任意信号的长时间积累问题,给出了一种任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累检测方法.通过构建任意发射信号波形的广义模糊函数,将匹配滤波器输出表示为所构造的广义模糊函数,使得任意复包络信号的脉压波形不仅能够用统一的数学模型来表述和计算,而且能够提供多脉冲回波的距离走动信息和多普勒频移信息,为多脉冲距离位置对齐和Fourier变换(FFT)积累提供了依据.对于用广义模糊函数表示的匹配滤波器输出,采用Keystone变换将复包络对齐,消除了距离走动,采用FFT补偿多普勒频移项,实现了任意复包络信号的长时间相干积累.对于水下探测中使用的连续波信号、线性调频信号以及复杂的m序列编码信号、Costas跳频编码信号波形进行了信号积累及检测的计算机仿真,验证了任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累的正确性.消声水池实验验证了该方法的有效性.     

基于Wigner-Ville分布的宽带回波到达时刻估计方法

研究了基于 Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布的宽带回波到达时刻的估计方法。通过回波信号与参考信号Ｗｉｇｎｅｒ－Ｖｉｌｌｅ分布的时频相关，完成对回波到达时刻的估计。在此基础上，本文提出了瞬时频域相关和ＸＷＶＤ峰值估计两种改进方法。通过仿真研究，发现这两种改进估计方法在低信噪比（０ｄＢ）下具有很好的估计性能，估计均方误差可以达到克拉美－罗界，并且运算量也大大降低，有利于工程实时应用。最后，本文讨论了线性调频信号时宽和带宽对估计性能的影响。     

双基地有源探测柔性水平阵阵形实时校准方法

双基地有源模式下接收基地搭载的柔性水平阵在运动过程中,阵形会发生实时的畸变。针对阵形误差的存在会严重影响水听器阵列探测性能的问题,本文提出一种基于发射信号为线性调频(LFM)信号,利用直达波实现阵形参数估计的方法。该方法首先利用分数阶傅里叶变换(FRFT)对LFM信号在特定阶数的分数阶傅里叶变换域上的能量聚集性,实现直达波与目标回波的分离,避免了目标回波对于阵形参数估计的影响。而后利用各阵元直达波FRFT后对应峰值点之间的相位差实现了阵形参数估计,并提出了一种基于拖曳船辐射噪声的阵形解模糊方法。计算机仿真表明该方法对于噪声及干扰影响、入射角度误差以及多普勒频移均有一定的宽容性,湖上实验验证了阵形估计方法的有效性,是一种可实时校准、高精度、稳健的柔性水平阵阵形估计算法。     

低信噪比线性调频信号目标的方位估计

线性调频(LFM)信号目标的方位估计是水声探测研究的重要内容,在进行方位估计时,若存在强干扰信号源与强背景噪声,阵元接收信号的信噪比会显著降低,严重影响LFM信号目标方位估计结果的准确性.针对该问题,提出了一种简明分数阶滤波方法,并将其与常规波束形成方法(CBF)相结合来实现低信噪比条件下LFM信号目标的方位估计.简明分数阶傅里叶变换能在正交角度上将LFM信号的能量聚集在特定频点处并形成明显的能量峰,利用该特性,可对阵列各阵元接收的低信噪比LFM信号在简明分数阶域聚集的能量峰进行最佳滤波,以滤除干扰信息及背景噪声.对滤波输出进行逆简明分数阶傅里叶变换可得到增强信干比和信噪比的阵元域信号,进一步用于目标方位估计,就能获得更加准确的目标方位。数值仿真结果和海试实验数据处理结果验证表明,本文所提出的方法可有效抑制干扰和背景噪声,并对低信噪比LFM信号进行准确、稳健的方位估计。      

基于阵列波导光栅的快速波长检测方法

针对现有波长检测技术的不足,提出一种采用阵列波导光栅（AWG）进行波长快速检测的方法,该方法利用AWG对波长信号进行空间分离,将波长信号转化为光场强度信号,利用传统的光场强度检测手段实现波长检测。给出了分析这种检测方法光学特性的数学模型,应用此模型,分析了AWG性能参数对波长检测性能的影响。分析表明：待检测的波长信号可以通过AWG相邻通道的功率比的对数值进行线性表达;减小AWG通道波长间隔或其半波全宽（3dB带宽）可以提高波长检测灵敏度;此方法对AWG的通道不平坦度不敏感;通过对AWG进行±0．1℃的温度控制,此方法可以达到±0．005nm的波长检测精度。     

利用多级时延估计与传递函数拟合的水下自干扰抑制法

提出了一种利用传递函数拟合与多级时延估计相结合的自干扰抑制方法来抑制接收信号中的强自干扰信号。首先通过频域解卷积估计发射泄漏的传递函数,进而构建出基本的对消信号,再通过互相关法与互谱法相结合的多级时延估计,精细补偿对消信号,获得良好的自干扰抑制效果。对实际海试数据的处理结果表明,当采用无人水下航行器(UUV)搭载一体化系统,在舷侧阵工作扇面内发射多帧线性调频(LFM)信号对目标船进行有源探测时,该方法的抑制比可达36 dB,且使得可检测回波的信干比从-30 dB降低到-55 dB,对后续的自干扰信号存在同样的抑制效果。以上结果表明该方法可抑制强自干扰信号,呈现出了较强的稳定性,使得淹没于强自干扰信号中的回波信号得以检测。     

一种线性调频扩频水声通信的新同步方法

针对高速运动过程中的水声通信,提出一种新型稳健的同步方法。该方法充分利用线性调频（LFM）信号的自相关特性及LFM扩频水声通信解调原理。湖试结果表明该方法简单有效,能够消除同步误差累积。利用湖试数据进行的仿真结果表明:该方法在常速及变速运动情况下均有效;在水下24m/s高速运动、时变多途干扰、带内接收信噪比低于0dB时,数据率可达为100bit/s,误码率保持在10^-4左右。     

基于希尔伯特解调的LFM信号调频斜率的识别

脉冲调制信号调制参数的识别与计算是很多领域的研究重点,文中以希尔波特解调为基础,依据LFM信号相位信息的特点和最小二乘法的拟合,研究了一种全新的线性调频信号的识别算法,并分析了识别算法对载频不敏感的特点,并通过迭代算法以及自身的收敛特性,可快速解调出LFM信号的调制参数;通过各类仿真信号的解调分析,算法的正确性和有效性得到了验证;结合虚拟仪器技术,本算法在某雷达接收机线性调频信号的测试得到了工程应用,进一步验证了算法的有效性。     

宽带多普勒声纳信号频谱特性分析

宽带多普勒声纳采用重复相位编码技术和脉冲-脉冲相关技术,解决了窄带技术存在的距离分辨力和速度分辨力的矛盾。本文主要研究了重复相位编码信号的频谱特性,并与矩形正弦填充脉冲的频谱进行比较,同时研究了回波信号的频谱特性,推导出频域上的测速公式,并根据回波的频谱特性分析了宽带多普勒声纳产生测速模糊的原因,并提出一种解决测速模糊的方法。     

基于运动补偿和抗差估计的回波光子实时检测方法

根据漫反射激光测距回波的误差特性,提出了一种基于运动补偿和抗差估计的回波光子实时检测方法。通过运动补偿增加了光子积累数量,可提供可靠的初值。在此基础上,采用抗差估计策略剔除观测粗差,有效实现了回波光子的实时在线检测。实验结果表明,在低信噪比情况下,该方法能够有效地抑制噪声影响,并能有效解决漫反射激光测距的实时信号检测问题。     

散射式能见度测量仪的动态特性研究

通过半导体激光照射采样气体,利用光电检测电路检测前向散射光强,并通过滤波电路、真值转换电路以及后置放大电路,最终将信号进行采样送入微处理器中处理。通过对信号处理电路的各个模块进行动态特性分析,从而找出对系统影响最大的模块部分并提出改进。结果表明,光电检测电路的动态特性对系统的影响最为显著,通过适当减小负载电阻,可有效改善电路的线性动态范围。     

强散射材料超声探伤的模糊检测

本文将模糊检测技术用于增强强散射材料的超声探伤信号，这里非缺陷散射体引起的结构噪声对缺陷回波干扰较大。我们在模糊检测中选择了互相关、相位差及分数维作为信号的特征量。实验结果表明，这种新方法较之常用的相关检测具有更好的性能。     

基于分数阶傅里叶变换的水下目标宽带回波精确提取

线性调频信号可能将成为水下目标强度宽带测试的一种主要信号形式。本文在分析水中目标回声构成特点的基础上,探讨了一种滤除界面反射精确提取目标回波的方法。利用线性调频信号在一定分数阶傅立叶域呈现高度聚集的特性,将线性调频信号作为收发合置换能器的发射信号,在适当的分数阶傅立叶域中,目标回波和界面反射波如果表现为两个可分离的谱峰,就可以用窄带滤波的方法去除界面反射。本文给出了算法仿真及水池试验结果,即使对于和线性调频回波相距很近的界面反射,仍然可以有效去除,精确提取出目标回波。     

改进的基于Spatial WVD和Hough变换的近场信源参量估计及性能分析

利用近场信源的一次快拍数据具有近似线性调频信号形式这一特点,将空域—频域联合平滑WVD和边缘检测以及直线拟合技术结合,对边缘检测结果进行Hough变换得到候选点集,并采用最小二乘聚类拟合获得抑制交叉项与噪音影响的初始频率和调频率估计,进而估计出近场信源的波达角和距离参量.理论分析和仿真结果表明,该方法能够显著抑制WVD分布的交叉项,正确拟合信源的原始空域—频域分布,并具有较低的运算复杂度.     

时域反卷积算法用于提高超声反射CT成像分辨率

超声反射ＣＴ成像通常采用反射回波的包络作为投影，按一定算法进行重建，以实现对物体内某一截面的成像。由于超声换能器的发射脉冲具有一定宽度，这样，被检测物体内相距较近的缺陷回波信号将产生混叠，使得重建像中难以区分各相距较近的缺陷。针对这一问题，本文应用时域反卷积（ＴＤＤ）算法对缺陷回波信号进行预处理，再进行图像重建，理论和实验结果表明，成像分辨率得到提高，图像质量明显改善。     

基于分数阶傅里叶变换混响抑制的目标回波检测方法

提出了一种声呐发射信号为线性调频信号时,基于分数阶傅里叶变换混响抑制的目标回波信号检测方法。通过计算混响的缓慢时变包络,对混响进行时间域的平稳化处理。对平稳化的混响信号滑动窗截取,对截取信号进行分数阶傅里叶变换,然后在分数阶傅里叶域进行滤波处理,再进行逆分数阶傅里叶变换恢复出时间域信号,最后输出该信号的能量。当滑动窗截取到目标回波信号时,窗内的混响噪声得到抑制,系统输出目标回波的能量,从而实现混响背景下的信号检测。通过计算机仿真和湖试实验结果,表明所提方法可以准确的在混响背景下检测到目标回波信号,并且在混响噪声背景条件下相比于匹配滤波器具有更好的检测性能。      

激光漫反射测距回波信号在线提取方法

为解决激光漫反射测距实测数据噪点多,真实回波信号难以可靠在线提取问题,提出一种基于时间相关性的激光漫反射测距回波信号的快速提取方法。基于实测数据特性分析将回波信号提取问题简化为n点搜索问题,并理论验证了基于时间相关性提取方法的正确性,通过权衡搜索代价与提取精度,给出n点选取规则。给出短时数据线性度和相邻数据关联度作为时间相关性的具体评价指标,设计遗传算法对缓存数据与在线数据并行寻优,降低搜索时间并提高测距提取精度。中国科学院云南天文台实测数据提取结果表明,该方法对强噪声背景下的微弱回波信号有较强的快速提取能力,为激光漫反射测距回波信号在线提取提供可行思路。     

基于分数阶傅立叶变换的线性调频回波参数估计

本文提出了一种适用于宽带线性调频回波的分数阶傅立叶变换参数估计方法。它通过寻找合适的信号代替发射信号做模版,使得模版信号与接收信号的模糊函数匹配度高,峰值尖锐,失真率低。再利用分数阶傅立叶变换与模糊函数的关系,使用两次分数阶域的峰值搜索代替原有的一次二维搜索降低计算量。仿真实验结果表明,本文提出的方法在精确估计宽带回波的时延和频移的同时降低了计算复杂度。     

基于变分模态分解与多尺度排列熵的生物组织变性识别

根据高强度聚焦超声(HIFU)治疗中超声散射回波信号的特点,本文利用变分模态分解(VMD)与多尺度排列熵(MPE)对生物组织变性识别进行了研究.首先对生物组织中的超声散射回波信号进行变分模态分解,根据各阶模态的功率谱信息熵值分离出噪声分量和有用分量;对分离出的有用信号进行重构并提取其多尺度排列熵;然后通过Gustafson-Kessel (GK)模糊聚类确定聚类中心,采用欧氏贴近度与择近原则对生物组织进行变性识别.将所提方法应用于HIFU治疗中超声散射回波信号实验数据,用遗传算法对多尺度排列熵的参数优化后,对293例未变性组织和变性组织的超声散射回波信号数据进行了多尺度排列熵分析,发现变性组织的超声散射回波信号的多尺度排列熵值要高于未变性组织;多尺度排列熵可以较好地识别生物组织是否变性.相对于EMD-MPE-GK模糊聚类以及VMD-小波熵(WE)-GK模糊聚类变性识别方法,本文所提方法中变性与未变性组织特征交叠区域数据点更少,聚类效果和分类性能更好;本实验环境下生物组织变性识别结果表明,该方法的识别率更高,高达93.81%.