Burst模式在多波束声呐高帧率测深方法中的应用

在常规多波束测深声呐系统中,需要等待远距离目标信号到达接收基阵后才能再次发射探测信号,这将导致测深帧率下降。针对该问题,本文提出了一种基于Burst模式的多波束声呐高帧率测深方法。由于各角度的海底回波持续时间远小于远距离目标信号到达接收基阵的所需时间,根据这一特性我们采用Burst模式,通过等间隔地发射多帧信号并接收,同时保证发射的间隔大于最大波束持续时间,实现多帧信号在时间角度域中的分离,提高测深系统帧率。由于相邻帧的隧道效应会与部分波束发生重叠,针对该问题采用改进的线性约束最小方差算法,实现了低副瓣宽零陷的波束形成,从而削弱隧道效应的影响。最后通过仿真数据验证了本文所提方法的有效性,表明该方法在特定条件下能够将测深帧率提高3.3倍。     

浅水多波束高帧率测深技术研究

针对常规多波束测量中由于远距离目标信号未到达接收基阵而不能再次发射探测信号,导致测深帧率下降的问题,提出了基于Kasami编码的浅水多波束高帧率测深方法。首先讨论了频分复用高帧率测深方法、基于Kasami编码的并行高帧率测深方法和串行高帧率测深方法的原理,然后通过仿真对比了三种方法的条带间干扰和测深精度的性能,最后分析表明基于Kasami编码的串行高帧率测深方法具有较低的条带间干扰能力和较高的测深精度。最后采用国产首套浅水宽覆盖多波束测深系统进行了水池实验验证,结果表明该方法在保证测量精度的情况下,可有效的提高测量帧率。     

有源声呐距离维波束形成方法

针对脉冲压缩处理所获得的距离分辨率和干扰抑制能力不足的问题,提出了有源声呐距离维波束形成方法。该方法从单个脉冲回波的频域输出中提取多组子带分量,每个子带分量的中心频率形成等差数列,对应的相移形成复指数等比数列(可类比于均匀直线阵的阵列流形向量)。根据这一特点,使用多组子带分量构建协方差矩阵,根据中心频率设计距离维加权向量,建立了距离维波束形成模型。给出了距离维常规波束形成和距离维自适应波束形成的表达式、处理流程,对距离分辨率和干扰抑制能力进行了分析。利用数值仿真和水池实验证明,距离维常规波束形成可获得与脉冲压缩处理类似的距离分辨率,而距离维自适应波束形成可获得更高的距离分辨率和更优的距离维干扰抑制能力。      

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。      

合成孔径激光雷达多通道TOPS模式及频谱恢复方法

针对多通道循序扫描地形观测模式中单个通道的回波数据在方位向存在模糊,采用传统空域波束形成技术及方位预滤波方法均无法恢复信号频谱的问题,在分析产生模糊原因的基础上,提出了一种基于谱压缩的空域波束形成方法.该方法首先对信号进行反旋处理,压缩信号的频谱宽度;然后对多通道数据进行空域波束形成,获得无模糊的频谱;最后对信号反旋处理引入的相位项进行补偿,得到原始信号的二维频谱.点目标及场景仿真实验数据处理结果均验证了该算法的有效性.     

激光测深系统中大动态范围压缩技术的实验研究

分析了分通道、距离选通、光电倍增管变增益、正交偏振等多种技术相结合的方法,用以改善机载激光测深系统中激光回波的动态范围。并研制了相应的变增益部件,开展了水池试验以及海上现场试验。试验结果表明,多种方法相结合的技术可对水底信号的动态范围进行有效压缩,满足机载测深系统对浅海测量的动态范围要求;但正交偏振技术对信号测量压缩的改善效果并不明显。报道了试验过程中出现的光电倍增管后脉冲对水深测量的影响。对动态范围压缩技术进一步研究提供了有价值的参考。     

TRC路径特征及其对时间反演信噪比的影响

时间反演具有时空聚焦特征，在许多方面有着潜在的应用。其中，基于时间反演腔的系统是一种主要的反演系统，可用于脉冲压缩、波束成形、微扰探测等。时间反演腔通常是一个电大的微波混沌腔，内部电磁波的传播具有明显的多径特征，即时间色散特征。因此，在时间反演过程中，反演腔可对反演信号进行相位补偿，重构出初始信号，从而在初始位置形成脉冲的时间压缩和空间聚焦。为了拓展时间反演腔的实际应用，本文基于多径信道模型研究腔体参数对反演性能的影响，重点分析路径的衰减特征、串扰特征和叠加特征对反演信噪比的影响，并总结给出影响反演信噪比的主要参数以及基本规律。     

超声平面波同相正交信号频域波束形成算法

针对频域平面波波束形成算法尚不能直接应用于采用正交解调的超声成像系统中的实际问题,提出一种平面波同相正交信号频域波束形成方法。以平面波射频信号频域波束形成算法为基础,根据射频信号与同相正交信号波数空间变量之间的关系,推导了平面波同相正交信号与对应图像的频谱映射表达式,从而实现对正交解调后信号的频域超声图像重建。采用2016年Plane Wave Imaging Challenge in Medical Ultrasound (PICMUS)发布的仿真、仿体及在体原始回波数据对这一方法进行验证,并评估图像的分辨率和对比噪声比。仿真和仿体实验结果表明,相对于射频信号的频域波束形成算法,该算法可获得与之相同的图像质量,并将成像速度提高了约4倍。在体实验数据的成像结果也验证了该算法在实际应用中的有效性。      

浅海脉冲声传播及信道匹配实验研究

进行了浅海声信道中低频脉冲压缩和信道匹配的理论和实验研究。实验中通过脉冲压缩,实现了超过110 km的高信噪比信号接收,信噪比时间增益与理论分析结果一致;信道实测时间相关半径超过了500 s;信道匹配处理提高了实验脉冲信号检测信噪比(信道匹配增益),基本消除了多途对脉冲信号检测信噪比的影响,且信道匹配增益可以进行理论预报。实验表明,脉冲压缩可有效增加浅海低频声脉冲的传输距离,信道匹配可用于消除多途对脉冲信号检测信噪比的影响。     

声脉冲法空间电荷测量系统的研究

气体中空间电荷的分布与电晕放电的机理紧密相关, 获取电晕放电过程中空间电荷分布对深入研究电晕放电起始、自持过程有着重要作用, 但是如何准确获得电晕放电过程中的空间电荷分布一直是国际上尚未解决的难题. 本文基于声脉冲法提出一种电场信号解耦算法, 推导了空间电荷在声场中被调制产生的电场信号与声脉冲信号和空间电荷密度之间的数值关系, 讨论了不同测量情况下声发射系统的设计要求; 搭建了一套可用于实时测量针板电极电晕放电空间电荷分布的非接触式测量系统, 该系统主要包括声脉冲发生模块、空间电荷模块及电场信号解耦算法模块. 运用该系统实现了声脉冲激发作用下电场信号的测量, 通过提出的电场信号解耦算法得到了空间电荷密度, 对其测量结果与电晕电流法测量结果进行比较, 验证了电场信号解耦算法的有效性. 该算法可以应用于空间电荷一维、二维和三维测量系统中.     

时域压缩合成孔径超分辨水声成像算法

提出一种针对水下稀疏目标的时域压缩合成孔径声呐成像方法(TC-SAS),实现了水声目标高分辨实时成像。通过多子阵的孔径合成,在时域上构造出成像网格格点到有效孔径内逐帧阵列的格林函数,并给出成像区域散射强度到数据域的映射矩阵;然后利用该区域空域稀疏的先验知识,通过正交匹配追踪的稀疏重构方式,解算出成像区域散射系数矩阵,实现了稀疏目标高分辨成像.同时,针对线性调频信号提出数据缩减的方法,通过对观测数据和字典矩阵同时脉压后截取,减小了数据规模;进一步结合二维矩阵数表查表的方法,以空间换时间,实现了区块实时成像。数值仿真以及湖试试验表明,所提算法能分辨出传统的时延求和算法难以分辨的目标,并且在图像清晰度指标上平均提升4.9 dB.改善了合成孔径声呐的成像质量.      

基于SOA和NOLM的光脉冲放大与压缩的设计模型

设计了一种基于半导体光放大器(SOA)和非线性光学环镜(NOLM)的光脉冲放大与压缩的模型。数值研究结果表明:在NOLM中,当调节合适的控制脉冲的输入和初始时延时,具有较低峰值功率、宽度为几十皮秒的高斯信号脉冲经此模型放大压缩后,可以得到脉冲峰值增益高、脉冲宽度窄以及基本无基座的高质量超短信号光脉冲。     

基于GPU的高性能并行计算技术

针对NVIDIA CUDA(Compute Unified Device Architecture)架构的第三代GPU高性能计算技术开展了研究,利用具有448个处理核心的NVIDIA GPU GTX470实现了脉冲压缩雷达的基本数据处理算法,包括脉冲压缩算法与相参积累算法。根据GPU的并行处理架构,将脉冲压缩、相参积累完成了并行算法优化设计,有效的将算法映射到GPU GTX470的448个处理核心中,完成了脉冲压缩雷达基本处理算法的GPU并行处理实现,并针对处理结果效果与实时性进行了评估。     

Compression and amplification of an ultrasonic pulse reflected from a one-dimensional layered structure

Compression of ultrasonic pulses reflected from layered structures is studied. A short pulse is emitted into water towards a structure consisting of solid plates backed with an air layer. Due to multiple reflections in the structure, the signal is elongated. The reflected signal is received by the same transducer and digitized. After that, the wave is reversed in time and emitted towards the layered structure for the second time; then, the reflected signal is received. Due to the invariance of the processes under the time reversal, the pulse is compressed by the structure: the reflected signal becomes shorter and acquires the waveform of the initial pulse. The possibility of an efficient compression of signals is demonstrated experimentally. Numerical simulations show that the use of more complex structures can considerably increase the compression ratio and produce short signals of a much higher amplitude than that emitted by the transducer. An efficient compression algorithm is proposed.     

Dynamic gain induced pulse shortening in Q-switched lasers

We describe a novel mechanism of pulse shortening in a Q-switched laser induced by the gain compression effect under strong pumping conditions. The pulse shortening requires a large variation of the gain excursion during the saturation process and benefits from the large volume of the gain medium. The effect has been experimentally demonstrated using a passive Q-switched Tm/Ho-doped fiber laser that shows gain-induced pulse compression from 800 ns down to 160 ns when the pump threshold is exceeded by 15 times.     

1 MHz repetition rate hollow fiber pulse compression to sub-100-fs duration at 100 W average power

We report on nonlinear pulse compression at very high average power. A high-power fiber chirped pulse amplification system based on a novel large pitch photonic crystal fiber delivers 700 fs pulses with 200 μJ pulse energy at a 1 MHz repetition rate, resulting in 200 W of average power. Subsequent spectral broadening in a xenon-filled hollow-core fiber and pulse compression with chirped mirrors is employed for pulse shortening and peak power enhancement. For the first time, to our knowledge, more than 100 W of average power are transmitted through a noble-gas-filled hollow fiber. After pulse compression of 81 fs, 93 μJ pulses are obtained at a 1 MHz repetition rate.     

超声阵列的多频脉冲压缩方法研究

脉冲压缩方法通过采用编码信号激励与脉冲压缩接收来提高超声检测的时间分辨率和信噪比。然而,受换能器带宽的限制,编码信号的时间带宽积往往有限,影响脉冲压缩效果。开展了基于超声阵列的多频脉冲压缩方法研究,超声阵列是由具有不同中心频率和带宽的多个阵元组成,从而使得整个阵列具有比单个换能器更宽的带宽。提出了压缩后叠加取包络的脉冲压缩方法,并研究了这种方法在提高时间分辨率和主副瓣比上的技术方案,对多频脉冲压缩的超声阵列进行了设计与优化,发现多频脉冲压缩方法能很大程度地提高时间分辨率,并能有效地抑制各阵元信号叠加产生的周期副瓣。理论和实验结果表明,这种压缩后叠加取包络的方法得到的时间分辨率在性能上受阵元带内不平整度的影响很小,能使阵元压缩包络中的主副瓣比得到明显改善。      

基于集群的高频合成孔径声纳并行处理方法

大测绘带下的高频合成孔径声纳需要解决的主要问题是海量数据的实时处理。该问题对数据处理的计算平台、成像处理和架构提出了很高的要求。本文利用非均匀离散快速傅里叶变换改进了成像算法,使之能够适应采用了多子阵技术的合成孔径声纳;提出了高频合成孔径声纳信号并行处理方法,在集群上实施了该方法,并进行了湖试试验。实时成像结果表明,改进的并行处理方法可以满足分辨率为距离向4cm、方位向5 cm,测绘带宽为200m的高频合成孔径声纳实时成像要求,具有较高的稳定性。     

基于混沌与快速小波变换的多光谱图像压缩加密算法

针对多光谱图像存储和传输安全性问题,提出一种将混沌思想、小波变换和KL（karhunen-loeve）变换相结合的多光谱图像压缩加密算法。首先,采用K-means聚类方案将多光谱图像聚类为通用像素,通过选择合适的K值使算法的性能最优,同时便于后续处理;然后对通用像素进行二维离散9/7小波变换,对变换后的系数进行Arnold变换以及加密处理,消除多光谱图像大部分空间冗余,减少压缩过程中的块效应;之后对产生的小波系数进行改进的KL变换,消除残余空间冗余和光谱冗余;最后采用差分脉冲滤波器对系数进行编码,并采用Tent映射对码流进行混淆扩散加密。通过实验可知,本算法的信息熵达到11.794 3（选取12位多光谱图像）,信息熵更接近最大值12,优于现有算法,可以更好的隐藏原图特征;该算法的像素变化率（NPCR）和归一化平均变化强度(UACI)分别为99.81%和34.19,优于现有的其他算法,本算法可以更好的抵御差分攻击;输出比特流变化率保持在47.62%～47.71%之间,密文比特流变化率保持在47.45%～47.52%,本算法具有较好的密钥敏感性;在压缩比为4∶1～32∶1范围内,系统PSNR在42 dB以上,具有很高的压缩性能。在4∶1～32∶1范围内,本压缩算法达到很高的峰值信噪比,优于现有的压缩算法,在正常工作压缩比为16∶1时,比现有压缩算法的信噪比提高了0.64 dB以上。为进一步验证算法在高压缩比情况下的压缩性能,该研究测试了压缩比为128∶1时系统的信噪比为31.28,此时,重建后的图像较为清晰,优于现有算法1 dB以上。可见,该算法可行,且特别适合对压缩比要求较高的场合,并在频谱保真方面具有较好的效果。