基于时间反转扩频的隐蔽水声通信方法

针对低信噪比条件下水下小尺度平台与通信浮标间进行隐蔽水声通信时,强多径干扰导致通信困难的问题,提出了一种基于时间反转技术的直接序列扩频隐蔽通信方法。该方法利用多通道主/被动时间反转的空时聚焦效应,提高了低信噪比条件下直接序列扩频通信的抗多径干扰能力,并且具有良好的低检测概率通信能力。仿真和水池实验结果表明:该方法满足水下小尺度平台处理结构简单、低功耗的要求,实现了水下单阵元平台与通信浮标之间的双向隐蔽通信。     

用时间反转法在水下波导介质中实现自适应聚焦的研究

研究了水下波导中声波时间反转自适应聚焦问题,分别在半无界流体介质和置于半无界刚性固体之上的流体层中开展了时间反转法的理论和实验研究工作。理论上采用射线近似方法分析了时间反转声场特性,实验上在实验室内开展了水下波导的超声模拟实验。理论和实验证明,聚焦增益可以提高 12 dB以上。     

时变信道下的被动时间反转扩频水声通信

本文研究了时变信道条件下采用被动时间反转的直接序列扩频水声通信方案。多通道被动时间反转可通过对信道多径进行时间、空间聚焦实现信道匹配,但低信噪比、时变特性造成的信道特性失配对被动时间反转处理的性能造成严重影响。在垂直阵接收的基础上,本文采用码片级信道估计获取水声信道特性并进行周期性更新,并采用已判决码元产生的扩频码片作为信道估计训练序列,结合应用稀疏信道估计算法抑制零值抽头上的估计噪声,从而可有效改善时变、低信噪比条件下的被动时间反转处理的时、空多径聚焦效果,提高扩频通信性能。通过湖试实验比较了采用稀疏信道估计、传统信道估计算法的时反扩频接收机,以及经典直扩接收机的通信性能,实验结果表明：本文方案可在低信噪比获得较好的性能,并有效抑制时变信道对时反扩频通信性能的影响。     

时间反转处理用于掩埋目标检测

研究了有PS(Probe Source)源发-收时间反转在强混响背景下对掩埋目标的检验问题.所提出的发-收互动时反处理是:在目标处放一个PS声源产生引导信号, SRA(Source Receiver Array)接收引导信号,并对接收稿:的信号做物理时反(即多路径补偿反波束形成),将声能聚焦在目标位置处,对SRA接收稿:的目标散射回波做与发射聚焦互动的接收聚焦(即多路径补偿波束形成),得到聚焦后的目标回波,实现发-收互动的聚焦.并对常规BS(Broadside)发射检测(没有时间反转)和时间反转检测两种方法各自的性能进行了比较.实验室波导掩埋目标实验数据处理验证了理论分析的结论,并证明时间反转检测比常规BS发射检测可得到更大的信混比,从而提高了掩埋目标的检测概率.     

无源时间反转镜在水声通信中的应用

提出单阵元无源时间反转镜(PTRM),在对声信道没有任何先验知识的情况下可与信道自动匹配,实现自适应聚焦。并将其应用于Pattern时延差编码(PDS)水声通信体制,构成无源时间反转镜Pattern时延差编码水声通信系统(PTRM- PDS)。通过计算机仿真研究及湖试,验证了PTRM-PDS系统能够抑制声信道多途扩展产生的码间干扰,可在时变、空变的声信道中实现低误码率通信,具有很好的鲁棒性。     

声波在固体板中的多径传播及其时间反转声场

采用无穷长条形阵元在固体板自由表面激发,研究了固体板中声波(纵波和横波)传播的多径效应,在射线近似下深入分析了柱面纵波和横波在固体板中的多次反射及波型转换特性,给出了简明解析表达式;将时间反转法应用于固体板中声波的传播,在理论和实验上分析了时间反转声场规律,证明了从不同阵元发出的沿不同路径传播的声波时间反转后同时同相到达原接收点,表明时间反转法能自动补偿固体板中由于多径效应造成的波形畸变;还通过聚焦增益和主副瓣比定量地分析了时间反转声场的自适应聚焦过程,考查了焦点位置和换能器阵列孔径对聚焦效果的影响,得到了理论和实验相符的结果。     

正交频分复用无源时间反转信道均衡方法研究

针对水声信道多途信号引起的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)水声通信系统符号间干扰的问题,提出了无源时间反转均衡的方法,将发送的探测信号时间反转与OFDM信号做卷积,利用无源时间反转镜的时间聚焦原理减小信道多途带来的符号间干扰,在OFDM符号中不使用导频的情况下实现信道均衡,简化了均衡步骤并提高了OFDM符号频带利用率。分析比较了无源时反均衡方法与最小平方信道均衡在水声多途信道下的误码性能。仿真研究和湖上实验表明,无源时反信道均衡算法可以有效的减小多途信道对OFDM水声通信系统带来的影响。      

正交频分复用无源时间反转信道均衡方法研究

针对水声信道多途信号引起的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)水声通信系统符号间干扰的问题,提出了无源时间反转均衡的方法,将发送的探测信号时间反转与OFDM信号做卷积,利用无源时间反转镜的时间聚焦原理减小信道多途带来的符号间干扰,在OFDM符号中不使用导频的情况下实现信道均衡,简化了均衡步骤并提高了OFDM符号频带利用率。分析比较了无源时反均衡方法与最小平方信道均衡在水声多途信道下的误码性能。仿真研究和湖上实验表明,无源时反信道均衡算法可以有效的减小多途信道对OFDM水声通信系统带来的影响。     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

基于时间反转理论的聚焦Lamb波结构损伤成像

从理论和实验上研究了时间反转法在频散和多模式的Lamb波结构健康检测方面的应用.当Lamb波在包含有损伤的板类结构中传播时,损伤的存在表现为一个被动波源.采用分布式传感器网络,基于传递函数的观点,通过推导由损伤这个被动波源产生的时间反转波场幅值的表达式,证实了当观察点位于损伤位置时,时间反转波场的幅值最大.为验证时间反转方法的聚焦效应,提出了一种适合于分布的激励/接收传感器网络的成像方法,该方法可以对损伤定位并近似确定损伤尺寸.结合有限元的实验结果显示了Lamb波检测信号的能量可在损伤处聚焦,表明时间反转     

有平界面存在时时间反转法的自聚焦性能

时间反转法是一种具有独特优点的自适应聚焦方法,对超声成像中图象畸变的消除有重要价值。本文就声场中存在介质分平面时,对时间反转法实现自聚焦的声场给出了解析式;并运用所建立起来的时间反转成像实验系统进行了有平界面存在时的自聚焦实验,实验所得自聚焦增益与理论计算结果相符。     

基于LabVIEW的时间反转超声检测系统的开发

时间反转技术在超声无损检测中的应用非常广泛,它可以忽略介质的非均匀性及初始信号源的位置,能够在时间和空间上聚焦超声波,实现对介质缺陷的聚焦检测。基于LabVIEW图形化编程软件,结合计算机、信号发生器、示波器、超声换能器、GPIB等的使用,对超声检测系统实验平台进行了构建,实现了超声信号的发射、接收以及时间反转一系列的信号处理过程。系统工作过程中,采用了三种不同的时间反转技术：经典时间反转技术(Time Reversal：TR)、反向滤波技术(Inverse Filter：IF)及1位处理技术(1Bit Processing),来实现信号的聚焦。实验验证该系统可以有效的实现时间反转超声检测过程中对信号的激励、接收、处理和存储等功能,有良好的精确性和适用性。     

固体中时间反转法的声束自聚焦

时间反转是一种很有用的自适应聚焦技术。本文中我们进行了声束在固体中运用时间反转方法的自适应聚焦研究。理论分析和实验结果表明时间反转可补偿固体中各声线的程差,从而同时实现纵波和横波的自聚焦。聚焦增益的理论值和实验结果较好地符合。     

采用时反和时频差分OFDM的水声语音通信方法

针对水声信道多径、时变、多普勒等恶劣传输特点对水声语音通信的严重影响,本文采用多通道时间反转和时频差分OFDM进行水声语音通信技术方案设计,该方法首先通过多通道时间反转进行时间域和空间域多径聚焦,进而结合时频差分OFDM调制解调抑制残留多径的影响。由于无需采用信道估计和均衡算法,系统实现方便、复杂度低,同时对信道具有一定程度的稳健性。该方法语音压缩编码采用混合激励线性预测编码。仿真实验和海试实验表明了本文方案的有效性。     

不确实环境下目标检测与定位的宽容性最小方差时反波束形成

揭示了时间反转技术的本质,指出时反不仅是一个物理过程,更是一种信号处理方法,进而提出"时反波束形成"的概念.针对时反空时聚焦特性受到环境不确实性限制的问题,研究了用模型探查源(MS)代替实探查源(PS)的发射时反波束形成实现发射聚焦,以及用对角线加载的宽容性MVDR接收时反波束形成实现接收聚焦,并最后用于目标检测.水池实验的结果表明了该发射聚焦和接收聚焦在不确实环境下用于目标检测及其距离估计的有效性.     

混沌腔体换能器在反向滤波弹性检测中的应用及其仿真研究

针对传统单通道时间反转无损检测成像质量低,检测灵敏度差的问题,通过混沌腔体换能器(Chaotic Cavity Transducer:CCT)的应用,极大提高聚焦检测的能力。CCT的使用可以更好的利用介质的各经历态特性,其有效解决了单通道时间反转检测中的幻影成像及边界应力增加的问题。实验过程中采用了线性调频激发信号源(Chirped Excitation:CE)及反向滤波技术(Inverse Filter:IF),他们分别能够携带更多的能量及利用更多反转信号的模态,进而有效的提高信号聚焦的质量。为了更好的理解混沌腔体换能器的特性,采用了非连续Galerkin算法对其聚焦性能进行了数值仿真和分析。数值仿真的结果及混响介质检测与成像的实现,验证了CCT与CE及IF结合应用的有效性和高效性。      

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.     

海豚Whistles为信息载体的正交频分复用循环移位键控扩频伪装水声通信

提出一种伪装水声通信调制方法,将原始海豚whistles信号表示为以自身DFT系数为数据符号的正交频分复用(OFDM)块,采用m序列对OFDM块中的子载波幅度进行指数调制实现正交频分复用循环移位键控(OFDM-CSK)扩频调制,分别采用PEAQ算法与相关系数计算听觉与波形相似度,作为两个客观评价结果约束OFDM子载波幅度的修改程度,保证伪装的效果。提出匹配滤波与正交匹配追踪结合的自同步算法,使伪装通信信号帧结构的设计保持原始whistles叫声的模式,提高了伪装的效果。通过CSK扩频技术很大程度地提高系统的频带利用率且通过垂直阵虚拟时间反转信道均衡技术提高了通信系统的稳健性。海上试验验证了伪装通信方法的可行性。      

基于时间反转的骨裂纹超声成像模拟研究

提出了一种结合超声非线性和时间反转技术进行长骨中裂纹成像的技术.骨裂纹的超声散射信号中包含非经典非线性成分.从时反阵列接收的探测信号中,经滤波得到三次谐波;然后利用时间反转技术来对裂纹区域进行聚焦成像.在计算机仿真实验中,基于Preisach-Mayergoyz(PM)模型模拟了单个及两个骨裂纹产生的非线性信号,实现了时间反转的非线性成像,并讨论了裂纹的深度位置对成像结果的影响.该方法为骨裂纹的超声无损检测提供了一种新技术.     

非正交多址光通信系统信道均衡的虚拟时反方法

室内非正交多址(non-orthogonal multiple access, NOMA)可见光通信系统(visible light communications, VLC)可实现高速率多用户通信,但多径效应会造成通信可靠性及用户公平性明显下降,为此,提出一种虚拟时间反转技术(virtual time reversal mirror, VTRM)对NOMA-VLC进行信道均衡,消除多径效应对通信过程的影响。分析了多用户场景下室内NOMA-VLC系统模型及其通信光链路的特性,依据光链路增益的稀疏特性采用稀疏度自适应匹配追踪(sparsity adaptive matching pursuit,SAMP)算法,估计NOMA-VLC系统的信道冲激响应(channel impulse response, CIR)。在此基础上,采用VTRM方法对NOMA-VLC进行信道均衡,通过VTRM的时空聚焦特性减少信道衰落影响,并重构接收信号,抑制多径效应。理论分析和实验结果表明：经论文算法均衡后的NOMAVLC系统,在满足前向纠错(forward error correction,FEC)误码率阈值的同...