基于主动式时间反转镜的声呐目标强度测量研究

为提高目标强度测量过程中的抗噪声、混响以及浅海多途干扰性能,从军标文件中的目标强度测量方法以及主动式时间反转镜的基本原理出发,经过研究和推演,发现可将基于单阵元的主动式时间反转镜与相关器结合应用于目标强度测量过程,提出了一种新的目标强度测量方法。该方法利用了主动式时间反转镜的抗多途特性,使得测量具有抗多途的性能;利用噪声与信号的不相关特性,算法结合相关器起到了很好的抗随机噪声效果;混响中的体积混响是随机的,算法具有抗体积混响的性能。论文分别从理论仿真和水池实验验证了算法的有效性和正确性。     

参量阵差分Pattern时延差编码冰下水声通信方法

为提高差分Pattern时延差编码水声通信方法的通信速率以及抗多途能力,使其能有效适用于冰下水声环境,提出了基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法,推导了Pattern码的参量发射原理,分析了参量阵发射对该方法性能的影响,利用参量阵发射产生低频宽带窄指向性声柬,减少了声线触碰上下边界的次数,提高了系统抗多途的能力。冰下水域外场试验结果表明:本方法可有效抑制多途效应,同时低频宽带特性提高了系统通信速率。      

多途信道中卷积码的统计特性

假设水声信道中存在界面的一次反射波,我们研究了卷积码的统计特性。结果表明,由于卷积码的解码是一解卷积运算,在某些情况下,解码时可以分辨多途信号,把它们对齐、叠加,改善了误差概率;在另外一些情况下,则达不到这种效果。卷积码抗多途干扰的作用,如同在信道中垂直布设的声呐阵,对多途信号进行过滤。相比之下,卷积码容易实现得多。卷积码是抗多途干扰的优良编码信号。     

时频编码水声通信技术研究

时频编码技术是利用信号码元不同时隙的不同频率进行二维信息编码的调制技术，具有较强的抗多途抗衰落能力，已被广泛应用于无线电短波信道和大气对流层散射信道，将其应用于多途效应严重的水声通信领域是一有价值的探索。     

水声多途信道的维纳误差限信道质量量化分析方法

提出了一种定量分析不同多途结构的时不变水声信道对单载波水声通信系统性能影响程度的方法。该方法利用水声信道下信号线性均衡的残留均方误差与通信系统误比特率性能相关性强的特点,计算信号线性均衡的残留均方误差极限,并将其表示为只与信道冲激响应有关的变量,称之为维纳误差限(WEB),将此作为多途信道质量量化指标来评估多途信道对通信性能的影响。为验证方法性能,对比分析了大量海试实测水声信道下,线性均衡、判决反馈均衡以及Turbo均衡等单载波通信中3种常用信道均衡方法的误比特率与多种水声信道质量量化指标的相关性,利用Spearman相关系数对相关性进行量化分析,实验结果表明,相比于时延扩展、相干带宽、频谱衰落深度和信号多径比等传统信道多途特性量化指标,维纳误差限与均衡后误比特率的Spearman相关系数更高,平均相关系数可达0.71。利用维纳误差限可有效量化和分类不同质量的多途信道,定量体现不同水声信道多途结构对于通信性能的影响程度。     

基于多尺度特征的匹配滤波处理

基于“分类置前检测”的思想,对线性调频信号组成的脉冲串(PTFM)信号及其混响,利用在小波变换的大尺度离散逼近空间上的自相似性和峰度等特征差异,提出了一种基于多尺度特征的匹配滤波算法。湖试数据的处理结果表明,该方法在混响背景下的检测性能优于匹配滤波约10 dB;在多途情况下,该方法相对于无多途情况时的检测性能略有提高,说明该方法对多途的影响具有很好宽容性。     

金属薄板缺陷的超声多途Lamb波检测

金属薄板在动车等现代化设计中应用广泛,其是否存在缺陷等检测具有很重要的意义。为此,利用超声多途提供的额外数据来检测金属薄板的缺陷,提出相应的算法,多途路径在直接反射的路径上是可以预测和识别的,直接反射路径是相对比较容易识别的。同时利用ANSYS有限元建模不同的薄板缺陷模型,在不同的传感器位置、缺陷位置、缺陷大小情况下分别进行仿真。通过ANSYS仿真和实验检测都得出了良好的结果,误差在可控制范围之内,证明了超声多途应用与金属薄板Lamb波检测的是可行的;仿真和实验表明超声多途通过实际和多途虚拟扩展的传感器数据的分析证明了超声多途能够对薄板缺陷进行定位并检测其大小。提出的超声多途检测方法,通过单次测量即可检测出薄板缺陷的位置和大小,具有良好的检测性能。     

结合主动时间反转算法的短基线定位研究

短基线声学定位技术是水下运动目标定位的重要研究内容。为了解决定位系统工作于浅水或近岸时多途扩展严重造成的时延估计误差和系统工作不稳定的问题,本文提出一种结合时间反转算法的短基线宽带应答定位技术,该方法利用短基线阵元发射宽带信号,通过应答器接收该信号时间反转处理后再返回给短基线阵元位置,实现信道多途的自适应聚焦,进而提高时延估计精度及信号检测的鲁棒性。仿真研究和湖上试验表明,该方法能够充分利用信道多途信息实现聚焦,减少信道多途对定位信号时延估计的影响,具有较强的抗噪声和多途干扰的能力。相对传统定位方法,该方法可以抑制短基线定位过程中误差及野点的产生,改善了物体定位导航的精度。      

使用稀疏贝叶斯学习的水声多途信道盲估计

提出了一种使用稀疏贝叶斯学习(SBL)的多途信号盲解卷积方法对水声多途信道的信道脉冲响应(CIR)进行盲估计。该方法利用垂直阵和多频SBL获得宽带舰船声源在不同垂直到达角上的复数域多频点信号,取其相位对垂直阵接收信号匹配滤波,得到每条路径上的CIR,将多路径CIR相干叠加得到最终的多途CIR结果。仿真与海试数据处理结果表明,相比于原有的基于交替投影的多途信号盲解卷积方法,所提出方法有以下几个好处:(1)无需准确预估多途信号数目;(2)分离的多途信号的方位更准确且信号相位更可靠;(3)有效获取了舰船与阵列之间的CIR.并且将弱路径CIR的平均时间估计误差从4.7 ms缩小到1.0 ms.显著提高了弱路径CIR的时间估计精度。使用稀疏贝叶斯学习的多途信号盲解卷积方法能够有效提高多途环境下水声信道盲估计的性能。      

基于多径分集的啁啾扩频正交频分复用水声通信系统

针对传统正交频分复用系统在具有复杂多途和深度频率选择性衰落特点的水声信道中性能下降的问题,提出了啁啾扩频正交频分复用水声通信方案.该方案对原信息码扩频,子载波变为相同调频斜率、不同中心频率、频带相互重叠的正交啁啾信号.经过水声相干多途信道后在接收端解扩,使多个途径信号在频域上拓展,多径信号彼此分离.结合虚拟时间反转镜技术,聚焦多途信道能量,完成信道多径分集接收,不仅可以抑制频率选择性衰落的影响,还充分利用信道多径分集增益提高系统性能.通过仿真研究和湖试验证,表明该方案具有较好的有效性和可靠性.