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。     

多基地空时码探测信号设计及时反相关检测技术

为实现浅海复杂环境下的多基地声纳多源目标回波分辨,本文设计了一种适用于多入多出垂直阵信道环境下的空时码探测信号,并针对倾斜垂直阵的多途子信道差异问题,提出了信号的时反相关检测技术.空时码探测信号采用伪随机信号调制,具有良好的正交性,能在抗子信道严重衰落的同时,分辨多源目标回波.垂直阵受水流冲击,呈倾斜状态时,其多途子信道不一致性会导致各子信道传递信号无法在接收端聚焦,使阵列增益受损,同时导致时延测量能力下降和信号判决错误率上升,为此本文设计了信道训练信号用以估计多途子信道环境,通过虚拟时间反转镜获得子信道不一致条件下的最佳匹配检测信号,实现对接收信号的时反相关检测.仿真结果表明,本文所设计的探测信号和检测方法,能够克服复杂的信道条件和多途子信道不一致性引起的检测问题,满足多基地声纳探测需求,实现多源目标回波分辨.     

虚拟时反镜在水声被动测距中的应用

水声信道多途干涉使被动测距产生偏差．接收信号的自相关输出波形含有信道冲激响应结构的信息，本文提出通过简化模型可估计出信道冲激响应，并将其时间反转构造一前置预处理器，可实现虚拟时间反转镜（VTRM）．虚拟时反镜可获得时间、空间上的自适应聚焦效果，克服多途干涉对被动测距的影响，并且实现简单，可实时对目标进行测距．通过计算机仿真研究，验证VTRM技术可匹配声信道，提高被动测距的精度．     

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。      

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。     

矢量水听器拖曳阵的信号模拟器设计

本文中所设计的基于矢量水听器的拖线阵声纳模拟器,仿真了拖线阵的拖船干扰时域信号和空间传播特性,以及矢量水听器偶极子指向性。对于拖船干扰的仿真用Ecs模型来设定宽带功率谱,以AR模型来拟合指定功率谱,利用海底、海面对声场的一次反射作用仿真了拖船干扰的空间多途信道。利用插值滤波器的方法按照设定的时间精度仿真了宽带信号的阵元间精确延时。处理该模拟器所产生阵元时空采样仿真信号而得到的波束形成结果验证了该模拟器的有效性。     

基于倒谱分析的单水听器目标运动参数估计

基于浅海射线声学多途结构,提出了一种具有高稳健性、高精度的单水听器目标运动参估计方法.针对匀速直线运动目标,综合多途时延差和运动学几何关系,构建了目标三维多途时延模型,进而获得目标运动参数与多途时延差的非线性时间映射.研究了典型水声信道的倒谱表达式,提出了利用倒谱提取多途时延差的策略.采用差分进化综合优化手段估计目标运动参数,提高了算法的稳健性.理论及仿真结果表明,倒谱的时间分辨率不受信号带宽的限制,而主要取决于信号类型和信噪比;CW信号的倒谱对多普勒不敏感;参数估计精度主要取决于时延差估计精度和参与差分进化运算的信息量,当包含有最近点信息时参数估计性能较好.水池实验结果进一步验证了方法的正确性和有效性.     

基于虚拟时间反转镜的垂直阵舰船辐射噪声级测量方法

研究了利用垂直阵测量舰船辐射噪声过程中因水声信道的多径效应对测量性能产生的影响,建立了基于声场模型的舰船辐射噪声测量的数学模型,推导了基于虚拟时间反转镜辐射噪声测量的理论公式,提出了一种基于虚拟时间反转镜技术的垂直阵舰船辐射噪声级测量方法。该方法首先采用基于波束积分的SCOOTER模型,根据海洋环境参数计算出辐射声源至测量水听器之间的信道传输函数,然后,用计算出的信道传输函数对接收信号做虚拟时反处理,以消除或减弱信道多径效应对接收信号的影响,从而提高舰船辐射噪声级测量精度。针对典型的浅海声信道,进行了计算机仿真试验。结果表明,该方法能有效地进行舰船宽带辐射噪声测量,当阵元个数满足一定要求时,测量得到的声源级与实际声源级相比,误差小于1 dB。      

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。     

梯度投影最小二乘多途信道实数域高分辨估计方法

为解决水下定位过程中的多途信道高分辨估计问题,文章给出了一种梯度投影最小二乘多途信道实数域高分辨估计方法,不同于频域最小二乘,方法利用时域迭代求解去除了矩阵求逆,降低了计算量,并且能够直接获得高分辨的实数域信道冲激响应。与MUSIC、Richardson-Lucy (RL)以及稀疏贝叶斯(SBL)等几种典型时域高分辨信道估计算法进行对比分析,仿真和实验结果皆表明,文中给出的梯度投影LS算法和SBL算法时延分辨力明显优于MUSIC和RL算法,水池实验结果时延分辨力可达1/(5B)(B为信号带宽)。所提方法幅度衰减估计精度略差于SBL算法。但最小二乘(LS)算法使用过程中不需要预知多途数目,更适用于大时延多途扩展情况,且计算量显著优于SBL算法。     

时间反转镜用于被动检测技术的研究

从信道理论出发研究了时间反转镜的聚焦效应,提出时间反转镜空间滤波技术,对其空间匹配特性、处理增益、检测能力、稳健性作了仿真研究。仿真结果表明,利用了海洋信道的相干多途特性,时间反转镜可实现信号的空间匹配滤波,从而对目标进行检测,检测能力强。     

半经验关系与匹配场联合处理的爆炸声源快速定位

爆炸声源位置的快速准确获取对声源级测量和声传播计算具有重要意义。为了解决利用单一水听器进行爆炸声源定位时难以获得较好的定位效率和精度的问题,提出了一种基于半经验关系与匹配场联合处理的爆炸声源快速定位方法。首先通过爆炸声源满足的半经验关系,对爆炸位置进行预估,缩小匹配参数的搜索范围;同时,在基于多途时延差匹配定位理论的基础上,利用爆炸声源的半经验关系建立联合匹配定位方法,引入气泡脉动周期和冲击波峰值增加匹配物理信息,实现爆炸声源深度和距离精确反演。仿真分析与2013年南海水下爆炸声试验数据分析结果表明,一次气泡脉动周期与多途时延差的联合匹配可提高对爆炸声源深度的估计精度;冲击波峰值与多途时延差的联合匹配可提高对距离的估计精度。额外匹配量的引入减少了估计精度对接收阵元个数的依赖,能够实现用单阵元快速准确地进行爆炸源位置的估计。      

浅海环境中的时间反转多用户水声通信

在无线电通信中,多用户通信可以采用时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或者码分多址(CDMA)技术来实现,在水声通信中,信道的多途传播特性带来的空间差异,提供了另外的多用户通信手段。时间反转(或相位共轭)技术,能够实现对空间中指定点的聚焦接收和多途压缩,它为空间位置不同的多个用户提供了相互独立的通信通道,能够很好地克服用户之间的同道干扰(CI)。本文在垂直阵接收的基础上,利用时间反转技术来实现不同用户在同一信道中的同时通信,结合带锁相环的自适应判决反馈均衡技术来消除残余的多途码间干扰,并进行了初步的海上试验,实现了两个不同深度上用户的同时通信。     

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。     

十字阵短时宽带声源实时定向算法

面向短时宽带声源实时定向问题,提出了一种基于互功率谱时延估计的十字阵定向优化算法。针对该方法估计结果离散且呈不均匀分布的特点,将观测平面划分为四个测量区域,并利用不同阵元组合分别处理,解决实时性与估计成功率的矛盾;依据互相关函数的特点,设计了若干判断准则,排除由于数据取样短造成的异常时延估计,改善算法的可靠性;采用频域插值方法,一定程度上提高时延估计精度,从而提高定向精度。MATLAB仿真和DSP系统实验表明,这种方法在实际应用中有效提高了对短时宽带声源定向的性能。     

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.     

矢量反转镜时空滤波技术研究

从信道理论出发研究了时间反转镜的聚焦效应,提出矢量反转镜时空滤波技术,对其空间匹配特性、处理增益、检测能力、稳健性作了研究。结果表明:利用海洋信道的相干多途特性,矢量反转镜可实现信号的空间匹配滤波;利用了相干源信号声压、振速相关性与各向同性干扰声压、振速相关性的差异,矢量反转镜可完成信号的时间匹配滤波。因而较传统的反转镜技术,利用矢量反转镜时空滤波技术进行目标无源检测可获得更好的检测性能、更低的检测阈及更强的稳健性。     

深海声影区稀疏时延估计与声源测距

研究了深海声影区中经一次海底反射的多途声线到达垂直双水听器的时延差与声源位置的关系,提出了一种稀疏时延估计与声源测距方法。首先利用近海面布放的短间距垂直双水听器接收一定频带的声信号,然后计算接收信号的广义互相关函数,并利用频谱搬移和稀疏解卷积技术提取时延差,最后通过时延差匹配,估计水下声源的距离。仿真实验表明,在4300 m深海中,所提方法能够正确提取多途到达时延差,估计声影区内的声源距离。海试结果表明,当垂直接收孔径分别为21 m和30 m时,声源测距误差分别小于13.6%和8.1%。上述结果表明,所提出的时延估计方法可适应带宽较窄的接收信号,多途到达时延估计参数可用于实现声影区中的水下声源测距。      

基于时间反演的局域空间多目标均匀恒定长时无线输能

在局域有限空间中,如何保证电磁能量的多目标精准均匀恒定无线传输是亟待解决的科学难题.本文针对此难题,以具有时空聚焦特性的时间反演技术为基础,提出一种自动区域选择信道匹配的恒定均匀无线输能方法.该方法不仅能够依据多径信号的贡献率,自适应性地补偿不同目标处的信道差异,还可以利用距离系数动态划分时间反演镜阵元的工作范围,降低不同目标间的相互影响.在提高能量聚焦精度的同时,解决微波无线输能(microwave power transmission, MPT)中多目标能量非均匀传输的问题,从而实现长时间恒定的多目标均匀MPT.