脉内跳频信号研究

以频率跳变方式逼近任意的信号频率调制规律是设计复杂信号的有效方法。本文研究了在声信号检测中应用这种“脉内跳频信号”的一些基本问题。 首先,本文对脉内跳频信号的检测模糊度函数作了计算和分析,说明了信号频率量化所引起的检测模糊度函数的量化效应。接着指出,为了消除信号相位起伏对检测性能的影响,脉内跳频信号适宜于用“检波后匹配处理器”实现“最佳”处理。这种信号处理器的检测响应函数已经导出,并通过分析和“全相干检测器”的性能作了对比。最后,本文给出了一个“数控跳频信号源”的原理方案。其中,信号的跳频规律由指令装置按预定的数码控制,并且便于同“检波后匹配处理器”直接配合而组成完整的信号检测系统。     

用相干累加算法改进ALE的性能

众所周知,自适应线谱增强器(ALE)可以在噪声背景中有效地检测未知频率的窄带信号或CW脉冲信号。然而,利用LMS迭代算法的自适应线谱增强器,由于迭代噪声和权噪声的影响,系统的处理增益不够理想。本文提出了ALE的相干累加算法,证明了该算法的自适应滤波器具有ARMA结构。实验表明,改进的ALE较传统的ALE的处理增益高出约14dB。     

一种在色噪声环境下的信号检测方法

为了抑制蛟龙号载人潜水器水声通信受母船色噪声干扰的影响,本文提出了一种统计匹配滤波器在色噪声环境下使用的新方法,它通过将接收信号映射到一个生成子空间中进行信号检测,可提高输出水声通信信号的信噪比。受客观条件限制,向阳红09船——蛟龙号载人潜水器的试验母船噪声环境比较恶劣,对水声通信产生了较强的干扰。如何在向阳红09船的这种强、色噪声环境下,提升水声同步信号的检测能力,对提高水声通信的可靠性是非常有帮助的。实际采集试验数据分析结果验证了该检测算法比传统匹配滤波器有更强的信号检测能力。     

Barker码激励超声导波在长骨检测中的应用

单脉冲激励的超声导波在长骨中传播时,信号的衰减大,导致接收信号的幅度很小,且噪声严重。Barker码激励能有效增大接收信号幅度,提高信噪比(SNR)。将其应用到超声导波长骨检测中,进行仿真和长骨实验,得到的信号分别用加权匹配滤波器和有限冲激响应-最小均方误差(FIR-LS)逆滤波器进行压缩,并与单脉冲激励的结果进行了对比。结果表明,对于13位的Barker码,采用加权匹配滤波器进行解码时,压缩信号幅度是单脉冲激励接收信号的13倍;而FIR-LS逆滤波器则达到-63.59 dB的峰值旁瓣水平(PSL),更好地抑制噪声。说明可以将Barker码激励超声导波应用于长骨的检测中。      

结合卷积神经网络的浅海有源探测信道匹配

信道匹配方法在有源探测领域是一种重要的提升检测信噪比的方法。针对非确知海底参数环境下的有源探测信道匹配问题,提出一种结合卷积神经网络进行信道匹配的算法。该算法基于海底参数扰动开展声场仿真生成卷积网络训练数据;首先通过分类网络将信号按照海底底质类型分类,在每个分类区间内采用单独的卷积网络反演海底参数;然后结合声场模型估计信道传递函数,进行信道匹配,从而在非确知环境下抑制多途影响,提升回波检测能力。仿真与实验结果表明,该算法能够在不确知海底环境条件下,有效估计信道传递函数,实现信道最优化匹配,在实验条件下可提高回波检测信噪比4 dB左右。相比传统方法,该算法可以在海底参数不确知条件下对低接收信噪比的信号实现信道匹配,同时不需要高信噪比的实验参考信号,有效提高了信道匹配方法的环境宽容性。      

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.     

特定频率响应FIR滤波器的设计及其在水声中的应用

在水声信号处理中，有时普通滤波器不能够满足应用要求，需要利用具有任意的给定频率响应的滤波器，本文利用自适应方法设计具有给定频率响应的FIR滤波器，将将该方法设计的滤波器用于产生宽带信号的精确时延信号和进行时域宽带波速形成，使用效果较好。该类滤波器使用非常有效。而且计算量小，易于工程实现。     

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。      

时变信道相干部分的修正匹配

由于水声信道的随机时变及多途特性,使得以发射信号作参考的匹配滤波器检测性能的下降。本文提出当多途结构具有相对稳定部分时,可采用以下两种信道匹配方法:(1)脉间相关信道匹配法(参见[4]);(2)解卷求信道响应法,后一方法要求发射宽带短脉冲,用解卷求出的信道响应h(τ,ι)去修正欲发射的其它声呐信号,并把它当作匹配滤波器的响应函数,以提高匹配滤波器对时变信道的适配能力。本文前一部分对各种设定的信道模型,给出了修正匹配的计算机模拟结果;后一部分给出了经4浬和24浬海洋信道传输的数据的修正匹配,并给出了以上两部分修正前后的计算机结果比较。对大信噪比,修正匹配的效果是十分显著的。     

背景噪声中检测舰船辐射噪声的周期调制的性能估算

为了估算在高斯背景噪声中检测舰船噪声的周期调制的性能,本文导出了在平稳高斯白噪声中检测周期性局部平稳窄带高斯信号的周期调制的最小可检测信号(MDS)的一个简洁公式(19)。式(19)表明,检测性能基本取决于四个因素;信号的周期调制的深度(m_p),前置处理器带通滤波器的带宽B,后置处理器中窄带滤波器带宽B_2和低通滤波器的积分时间T_2。若实际背景噪声偏离平稳,检测性能差于(19)式的估算值。为了减小误差,用实测的参数B_(eqN)代替式(19)中的B来修正式(19)。在非平稳背景噪声时检测性能不仅取决于上面所述的因素,而且与背景噪声非平稳性的强弱有关。     

基于任意Riemann解法器的相容中心型ALE方法

深入分析了精确Riemann解法器、MFCAV(Multi Fluid Channel on Averaged Volume)和Dukowicz近似Riemann解法器不能直接应用于相容拉氏方法的原因,通过引入更一般形式的角点算子,成功将以上3种Riemann解法器应用于新相容拉氏方法中;进一步结合高效的网格重分、重映技术,建立了一种基于任意Riemann解法器的相容中心型显式两步任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法。将新的ALE方法应用于数值算例中,结果表明,新ALE方法不仅具有新相容拉氏方法的优点,而且具有处理大变形流动问题的能力。     

稀疏驱动自适应线谱增强的水下目标谱熵检测

针对无人平台在水下复杂环境中的线谱弱目标自主检测问题,提出了一种采用稀疏驱动自适应线谱增强(ALE)为前处理的监督学习目标检测方法。该方法在ALE代价函数中引入稀疏性l_p范数,并将稀疏正则化推广到01/2稀疏驱动ALE比常规ALE的处理增益高11.5 dB。利用水下无人平台海上拉距试验的数据对算法性能进行验证,在宽带强干扰影响下,该方法可有效检测远距离声源,虚警率为3.5%时,检测率达95.8%,有效提高了对线谱弱目标的检测概率,具有较强的环境适应性。      

一种用于缺陷超声检测的相位标准差分离谱新算法

在粗晶材料超声无损检测中，分离谱处理技术可用来降低材料内部的相干噪声、但分离谱处理对滤波器阵列参数较敏感、造成性能不稳，且至今对滤波信号有效利用的解释尚不明了．本文从理论上讨论了超声检测信号滤波输出的相位统计特性，据此提出了一种基于相位标准差的分离谱新算法，用计算机模拟及实验数据对该算法的世能进行了测试并与常用的极小值分离谱算法作了对比。结果证实，相位标难差的分离谱算法有好的信噪比增强能力，且对滤波器数不敏感．     

迭代法MIMO声纳目标检测——一种凸显弱目标的方法

通常MIMO声纳接收机收到的信号会直接送入匹配滤波器组,然后测量信号到达时间。当遇到强弱两个目标散射信号混叠的情况时,弱目标的输出峰值可能被淹没在强目标的旁瓣内而无法分辨。为提高MIMO声纳对弱目标的分辨能力,本文提出一种迭代信号分析方法,可以由强到弱依次对目标进行估计。通过数值仿真分析了本方法的性能。结果表明:采用迭代分析方法可以有效提高系统对弱目标的分辨能力。     

影响宽带幅度调制信号检测的因素分析

通过推导宽带解调处理的输出信噪比公式,系统地分析了影响幅度调制的宽带信号检测的各种因素。分析表明,宽带调制信号检测性能取决于以下因素:信号的周期调制的深度、前置处理器带通滤波器的带宽、调制噪声在总的噪声中的比重、采样速率,以及计算解调谱时的傅里叶变换的长度、降样倍数、时间窗、数据块重叠程度以及平均次数。     

基于虚拟时间反转镜的短基线定位研究

海洋的多途效应是影响水声定位信号检测性能的主要因素。为了满足信号检测中的某种"最佳"准则,克服海洋水声信道的多途效应,本文基于信道的匹配滤波器-时间反转镜技术,提出虚拟时间反转结合匹配滤波器构造信号处理接收机的方法。通过计算机仿真和实验数据处理表明,经过基于虚拟时间反转处理的匹配滤波(TR-MF)接收机性能优于传统的匹配滤波(MF)接收机,并且将该技术应用在短基线水声定位系统中,提高了时延估计分辨力,改善了定位精度。     

时频分布后置积累法检测和识别分布目标

由于线性调频信号（LFM）的线性时频调制规律，即其模糊度和Wigner－Ville分布（WVD）图象均具有线性峰脊特性，本文利用LFM信号的这一特性，用对其回波的互模糊度函数和WVD进行分析，着重讨论沿着斜脊方向进行后置积累的检测和识别多目标回波的性能，指出WVD后置积累的检测和分辨性能比通用匹配滤波器优越。     

基于可调高斯型滤波器的光纤光栅振动解调技术研究

 传统的匹配光纤布拉格光栅型光纤光栅波长解调系统具有波长匹配精度低、调节困难和动态测量范围小的缺点。为了克服上述缺点,采用波长可调谐高斯型滤波器代替传统匹配光纤光栅,提出了一种新型的光纤光栅波长解调技术。建立了基于高斯型滤波器的光纤光栅振动解调系统。对不同频率和振幅的周期性振动进行了解调实验。发现当选择合适带宽的滤波器时,透过滤波器的光功率随压电陶瓷上所加电压信号同步且高保真地变化,表明该系统对振动信号实现了有效的解调。该系统同时具有响应速度快、物理结构简单、动态测量范围大的优点。     

失配情况下匹配模处理方法研究

匹配场处理是一种水声学和物理学相结合的信号处理技术,其在水下目标定位方面的高精度特点使得该方法受到广泛关注。匹配模处理是工作在模态空间的匹配处理方法。相对于匹配场处理方法,匹配模处理方法通过选取受环境失配影响较小的模态参与匹配处理(然而匹配场处理方法使用了全部声场数据),减小环境失配对定位性能的影响。本文研究了简正波模型下的匹配模处理器,讨论了环境失配时匹配模处理器的性能,通过选取受失配影响较小的模态组合,得出的定位结果更加精确。     

最大似然参数估计水声通信帧同步技术研究

水声通信中传统帧同步方法仅仅依赖于匹配滤波输出的相关系数,在复杂信道条件下,容易出现误触发和漏同步。针对这一问题,分析了水声信道中噪声、多普勒和多径对帧同步的影响,提出了一种基于参数估计的帧同步方法.在同步过程中引入参数估计,将信号参数作为检测判决依据,以降低误触发率和漏检率;同时对最大似然估计算法进行适当简化,以降低实现复杂度。计算机仿真实验验证了新的帧同步方法相对于传统方法在定时精度和相关系数方面的优势。实际水声通信实验结果表明,无论是静止平台还是移动平台之间的通信,新的帧同步方法均能有效提高匹配滤波器输出的相关系数,提升接收机检测能力,从而避免出现误触发和漏同步。