数字式声纳多波束显示系统方位历程显示技术研究

数字式声纳的多波束显示是检测目标的重要手段。方位一历程显示是检测微弱信号的有效技术。本文给出了这种利用迹迹相关原理显示方法的理论说明，推导声纳多波束系统输出和输入信噪比的关系。把方位历程显示和传统的方位幅度显示作了比较。理论与实验结果表明，对于弱信号检测，高灰度级的方位历程显示与方位幅度显示比较，有5—7dB的性能改善。     

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。     

一种多目标方位历程实时提取方法

研究多目标方位历程实时提取方法,为目标运动分析和军事辅助决策实时提供多个目标的方位历程数据。利用无源声呐方位历程显示的时空累积效应,提出一种实时自动提取多目标方位历程的方法。通过对无源声呐的动态方位历程显示进行图像降噪、亮点提取、历程扩展和非目标历程剔除四个步骤的数字图像处理,实现多目标方位历程的自动、实时提取。海试和仿真实验数据测试表明,该方法能有效提高信噪比,并能有效解决多目标方位历程交叉时的数据关联问题,计算效率和多目标方位历程提取的正确率较高,可实用。     

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。     

频域盲源分离与波束形成结合抑制方向性强干扰方法

针对方向性强干扰严重影响无源声呐弱目标检测的问题,提出了频域盲源分离与波束形成结合的干扰抑制方法:以子带分解的方法实现宽带干扰抑制。对每个子带进行频域盲源分离,并估计出各分离信号的方位,将与给定强干扰方位匹配的分离信号置零,利用估计的解混矩阵和处理后的分离信号重构回阵元域信号并进行波束形成实现目标方位估计。声呐模拟器数据与海试数据验证结果表明,相对于传统零陷常规波束形成与零陷最小方差无失真响应波束形成方法有2 dB以上的增益,约6 dB的背景级降低,证明该方法在抑制方向性强干扰方面是有效的。      

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。     

冰下运动目标主动探测技术研究*

使用主动声呐探测冰下目标时，混响是无法回避的问题。在大面积冰层覆盖的水域中，混响具有强度大、作用范围广的特点，导致主动声呐对目标探测的性能大大下降。本文针对有着强混响的冰下水域这一应用背景，重点研究了基于低秩矩阵恢复理论的冰下运动目标主动探测方法。该方法运用常规波束形成获取多组方位时间历程图像，然后利用低秩矩阵恢复算法分离图像中的混响背景与运动目标。仿真表明不精确的增广拉格朗日乘子法(Inexact Augmented Lagrange Multiplier, IALM)在等间隔直线阵、非等距线阵和均匀间隔圆形阵三种阵型下均有较好的效果。同时与经典的背景差分法做了对比，表明了低秩矩阵恢复算法具有更好的适应性。松花江冰下实验验证了在线阵情况下低秩矩阵恢复算法的实际应用性。     

单基地多输入多输出声呐的方位分辨力

为了研究波形分集和发射子阵对多输入多输出(multiple-input multiple-output:MIMO)声呐方位分辨力的影响,建立了同时适用于MIMO声呐和传统有源声呐的远场和近场波束图推导模型,证明了这两种声呐具有相同的方位分辨力。首先,将MIMO声呐发射阵划分为子阵无重合与子阵有重合两种情况,并对传统有源声呐的发射阵也进行相同的划分。据此,推导出两者的远场和近场阵列流型向量均可表示为发射与接收阵列流型向量的直积。接着,利用阵列流型向量的一致性证明了波束图(远场和近场)的一致性。进一步地,证明了发射子阵有重合的情况等效于对发射阵列进行幅度加权(发射阵列中间部分的阵元权值大于两端部分的阵元权值),其可获得更低的波束图旁瓣级但不能提高方位分辨力。理论分析与仿真结果表明:MIMO声呐的有效孔径等于发射与接收联合孔径,其方位分辨力由发射与接收阵列结构所决定,波形分集和发射子阵并未带来更高的方位分辨力。      

进行子阵加权波束形成的波达方向估计

针对水声信道的多径效应以及海底散射信号信噪比低导致方位估计性能较差的问题,提出了一种基于子阵加权波束形成的UESPRIT算法(Weighted Beamspace UESPRIT Based on Subarrays,BS-BUESPRIT)。首先利用密集波束域转换矩阵估计回波信号的方位谱,进而估计同一时刻到达阵列的回波数目;之后将均匀线阵分为多个尺寸相同、相互重叠的子阵,利用加权波束形成对各子阵接收信号做指定方向的空域滤波;最后基于各子阵波束形成后的输出结果,利用UESPRIT算法实现回波方向的估计。仿真和湖试、海试试验结果表明,与UESPRIT算法相比,BS-BUESPRIT算法提高了信号波达方向估计性能,在多径和较低信噪比条件下有着更高的估计精度,应用于高分辨率测深侧扫声呐时有效地提高了声呐的测深性能。      

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．     

基于空时级联滤波的拖船自噪声抵消方法

拖船自噪声属于近场多途强干扰信号,具有显著角度扩展现象,是影响拖曳阵探测性能的重要因素之一。在逆波束形成自噪声抵消方法基础上,结合空域和时域滤波,提出了空时级联滤波的拖船自噪声抵消方法。首先,由方位估计器估计拖船自噪声方位,经过波束形成空域滤波估计得到自噪声信号;然后,利用自噪声空域滤波输出设计最优维纳滤波器,将自噪声抵消在阵元级。基于简正波声场模型的仿真和实际海试数据的处理表明,该方法能够有效抵消拖船自噪声,性能优于逆波束形成方法。     

水下爆炸声源辅助声呐系统的目标定位和参数估计

系统阐述了利用水下爆炸声源作为发射声源,辅助声呐系统实现水下目标定位和目标方位、距离参数估计的方法。研究了目标散射信号的窄波束混响模型,以及混响背景下的目标方位参数的估计方法。对目标参数估计误差进行研究,证明方位参数、距离参数的估计误差近似满足高斯分布,并推导了距离参数估计误差方差的表达式。利用仿真实验对目标距离参数估计误差及其标准差进行研究,得出了一系列提高距离参数估计精度的措施。仿真和湖试数据处理结果显示,在存在一定爆炸声源距离误差的条件下,本文方法可实现对远距离水下目标的准确定位。      

信源空间散布条件下的声呐目标滤波方法

基于密集多波束接收空间观测数据向量,定义了一个与信源空间分布参数相关的特征量-空间散布指数,并利用蒙特卡洛积分对不同信源散布角宽度、不同信噪比和不同噪声空间分布特性条件下的空间散布指数进行了建模与计算。在此基础上,形成了在分布式混响/噪声背景下检测目标回波信号的空间散布指数滤波方法。利用轻型AUV（Autonomous UnderwaterVehicle）水下航行器声呐获得的实验数据进行了验证,表明该方法可显著抑制了混响及流噪声干扰。该方法无需假设信源间彼此独立,对混响干扰具有良好的适应性;由于混响及流噪声成分被大部分滤除,显著提高了信号处理增益,在后续检测过程中避免了宽波束接收、旁瓣泄漏、主动声呐平台运动等因素引起的背景噪声的显著增加。      

一种改善逆波束形成显示效果方法

在低信噪比条件下,由于协方差矩阵中主对角元素相比其他元素所含噪声能量大,致使逆波束形成(IBF)所得空间谱中目标方位处能量与其他方位处能量差别小、显示效果不好。对此,本文采用对协方差矩阵主对角元素进行修正法来降低噪声对IBF的影响,进而扩大目标方位与其他方位处能量差别,改善空间谱显示效果。 Matlab数值仿真和湖试数据处理结果均表明：在低信噪比条件下,本方法可改善IBF所得空间谱的显示效果。本文所述方法简单有效,可满足实际工程应用,为改善方位历程显示效果提供一个参考。     

波束形成与独立分量分析融合的宽带高分辨方位估计方法

针对波束域高分辨方位估计存在方位估计偏差大等缺点,提出了将波束形成与独立分量分析融合的宽带高分辨方位估计方法:(1)阵元域数据转换到波束域后,对多波束数据利用基于二阶统计量的独立分量分析算法处理,(2)将波束域独立分量分析融合方法输出结果重构回阵元域信号,(3)对重构后的阵元域数据,使用约束最优化方法改进的MUSIC算法做高分辨方位估计。最后利用ICS (Interactre Circuts&System)声呐模拟器数据和海试数据对算法进行了验证。结果表明:本文方法在弱目标检测、观测区域外强干扰抑制、方位分辨率方面都优先于波束域MUSIC和波束MVDR方法。      

基于FPGA的红外图像双向次序滤波模块的设计

针对红外图像中的物体边缘信息特点和噪声特点,提出一种基于统计排序的双向次序滤波算法,在去噪、保持图像边缘信息及小目标之间找到最佳的平衡点。给出了该算法的FPGA快速实现方法,开发的双向次序滤波FPGA IP模块已应用于多款红外产品中,能有效滤除红外图像中的椒盐类噪声,减轻非均匀性校正后的固定残差和信号处理电路的电子噪声,应用结果表明提出的算法滤波除噪能力强,图像细节损失少,设计的FPGA IP模块延时少,时序性能稳定。     

基于粒子滤波的多普勒信息辅助目标定位跟踪算法

多基地声呐探测系统主要通过测量回波的时延和方位信息进行目标定位与跟踪,定位精度受声速、时延和方位测量误差的影响较大,可以通过多普勒信息辅助进一步提高定位跟踪精度。现有的多普勒信息辅助定位跟踪算法多适用于单基地声呐系统,多基地中的多普勒测量值与目标状态的关系更为复杂,需要研究新的融合方法。该文提出了一种适用于多基地声呐系统的多普勒信息辅助采样重要性重采样目标定位跟踪算法,将多普勒信息融入到粒子滤波的重采样过程,使重采样后的粒子集合更逼近目标的真实状态分布,从而提高了目标定位跟踪精度。数值仿真实验结果表明,提出的目标定位跟踪算法可以有效融合多普勒信息,提升目标定位跟踪精度。     

相位调制水声高速通信中的一种空间滤波算法

提出了一种智能天线技术与空时联合判决反馈均衡器相结合的空间滤波算法。实现方法是水下通信系统采用水听器阵列接收,进行多波束智能天线算法处理,得到多路空间滤波后的信号,再经过空时联合判决反馈均衡处理。该算法已应用于在实际的水下正交相移键控调制高速水声通信系统中,在相同条件下的湖水试验中,与传统的空间分集算法进行了比较,获得的误码率分别为2．9×10-3和8．62×10-2,多组试验结果表明该算法有效抑制了水下多径干扰的影响,获得了与空间分集算法相比低十倍的误码率。