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。     

结合主动时间反转算法的短基线定位研究

短基线声学定位技术是水下运动目标定位的重要研究内容。为了解决定位系统工作于浅水或近岸时多途扩展严重造成的时延估计误差和系统工作不稳定的问题,本文提出一种结合时间反转算法的短基线宽带应答定位技术,该方法利用短基线阵元发射宽带信号,通过应答器接收该信号时间反转处理后再返回给短基线阵元位置,实现信道多途的自适应聚焦,进而提高时延估计精度及信号检测的鲁棒性。仿真研究和湖上试验表明,该方法能够充分利用信道多途信息实现聚焦,减少信道多途对定位信号时延估计的影响,具有较强的抗噪声和多途干扰的能力。相对传统定位方法,该方法可以抑制短基线定位过程中误差及野点的产生,改善了物体定位导航的精度。      

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.     

非同步水声定位技术及其性能评价

探讨用非同步方式进行水声定位的解算方法,用蒙特卡洛方法对各误差源及目标位置对同步及非同步定位系统定位精度的影响作了统计分析,并对其可行性及适用性进行了分析和探讨。仿真结果及湖试结果表明,采用长基线阵的非同步水声定位系统具有较高的定位精度。     

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。     

一种单频水声信号多径时延估计算法

提出一种针对单频水声信号的多径时延估计算法,通过采用频域加权并结合进化规划算法解决代价函数强烈振荡下的高效全局优化.算法引入多径径数建立由多径时延、幅度系数及径数组成的水声信道多径参数模型,在采用频域加权预白化进行非线性最小二乘代价函数解耦处理的基础上,结合进化规划算法进行非线性参数解空间的高效全局寻优,从而实现多径时延的高分辨率估计.利用仿真数据和海上实验数据进行的实验表明,本算法具有较高的多径时延估计精度并可同时实现多径径数的估计.     

时延匹配加权的舷外异常噪声源曲面投影定位方法

对现有的"滤波-时延估计-双曲面定位"的声源定位方法进行改进。结合经验模态分解消噪方法和广义平均幅度差函数时延估计方法,利用能量分布准则和频谱一致性准则进行源信号本征模态函数筛选和信号重构,提取多组分析信号求取时延,并利用时延匹配准则对真实时延值进行筛选和加权处理。考虑水听器贴近壳体布放,对壳体进行建模,并按照象限投影到平面再进行双曲线定位。分别进行模型系泊及航行实验,实验结果表明,改进后的定位方法有更高的定位精度,且减小了时延估计误差造成的定位精度影响。      

互谱域MVDR自适应时延估计方法研究

针对窄带信号,通过构造互谱时间序列,在互谱域建立了平稳时间序列时延估计的最小方差无畸变响应(MVDR)滤波器模型;利用分段近似处理,类比空间MVDR自适应算法,给出了其具体算法(Algorithm of MVDR in cross spectral domain,CSMVDR);进行了数值仿真实验研究和海上实验数据处理。数值仿真与实验数据处理结果初步验证了CSMVDR时延估计对于舰船辐射噪声的适用性,CSMVDR时延估计有比相关检测更好的时延估计性能,能够提高信噪比增益和时延估计精度。     

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。      

双扩展水声信道的时延多普勒域稀疏估计

利用双扩展水声信道在时延-多普勒域存在的稀疏结构,将信道估计转化为压缩感知框架下的稀疏恢复问题可改善估计性能。但是,稀疏恢复经典方法如l_1范数、近似l₀范数无法适应水声信道时延-多普勒域稀疏度的动态变化,而匹配追踪(Matching pursuit,MP)、正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)等贪婪类算法则存在着易进入局部最优解、二维搜索导致运算复杂度高等问题。提出在时延-多普勒域稀疏恢复的目标函数中引入非均匀范数约束(Non-uniform Norm Constraint,NNC),即在时延-多普勒域信道响应中根据每个时延-多普勒域位置的幅值分别分配为l₀或l₁范数约束,因而可通过不同范数约束组合的方式适应不同的时延-多普勒域稀疏度;同时,通过对非均匀范数代价函数进行梯度下降迭代求解并将梯度解投影至解空间推导了非均匀范数稀疏恢复的迭代求解方法,从而实现双扩展水声信道时延-多普勒估计。数值仿真和实验数据处理表明该算法相对经典方法有较明显的性能改善。通过仿真、海上水声通信实验结果可获取结论,利用时延-多普勒域稀疏特性的信道估计方法结合均衡器可有效提高双扩展信道条件下的水声通信性能。      

针对周期偏移声信标的二阶高精度水声定位模型

针对传统长基线水声定位模型在以飞机黑匣子等周期偏移声信标为目标时定位精度显著下降的问题,提出了一种不依赖于信号周期信息的新型长基线定位模型。该模型将传统时延差定位模型拓展至二阶,通过求取到达时间的二阶导数,消去未知声信标周期。为避免由阶数提高引起的解算非收敛问题,引入了改进牛顿迭代算法,有效提高了新模型的收敛概率。所提出新模型的仿真试验及湖上试验的定位误差分别为3.14 m和1.19 m,试验结果表明,该模型实现了周期偏移声信标的高精度定位解算。     

多子阵组合的短基线声学定位系统数据优化方法*

短基线声学定位系统是一种常用的水下声学定位设备,为提高适用性,常采用多阵元接收阵的方式进行水声定位,其工作时将带来冗余的测距数据和定位结果,而部分冗余数据的解算定位结果误差较大（以下简称奇异值）,其代入融合将导致最终定位结果的误差不减反增。为解决该问题,本文分析奇异值特征,提出了基于多子阵组合(Multiple Subarray Combination,以下简写MSC)的短基线声学定位数据优化方法。该方法将空间阵中划分出的各单元子阵进行筛选,对冗余数据进行优化,筛除会引入较大误差的中间数据,进而提高定位精度。计算机仿真及实际测试数据表明：该方法可实现整体声源定位精度的提高。同时与传统定位方法相比可有效减小运算量,提高整体定位系统的性能。     

无精准同步的小规模水声网络节点相对自定位

提出了一种无精准同步的小规模水声网络节点相对自定位方法。针对节点数量较少的小规模水声网络,利用水声通信在无精准时钟同步的情况下进行节点间测距,进而根据由相邻节点构成的三角形结构校正节点的相对位置。通过仿真得到,在几种典型拓扑结构下,该方法在测距误差不超过10 m时,将初始定位误差降低40%以上。在水声网络自组织的同时进行节点自定位,避免了传统的二次定位过程,节省了节点能耗和定位时间,并在一定范围内提高了定位精度。      

Multipath time delay estimation of underwater acoustic sinusoidal signals

To overcome the performance limitation of multipath time-delay estimation posed by underwater acoustic sinusoidal signals, an approach incorporating the frequency-domain weighting of the highly oscillatory Nonlinear Least Squares （NLS） cost function with the evolu- tionary optimization was proposed to facilitate the accurate estimation of the multipath timedelay of sinusoidal signals. In the described method, the number of the effective multipath signals, which is included into the parameter model as well as the multipath time-delay and amplitude factor, can be estimated simultaneously thus avoiding the requirement of additional computation. The experimental results performed with numerical simulation and sea-trial data are provided, demonstrating the effectiveness and precision enhancement of the proposed algorithm.     

快速正交搜索算法在水声信号处理中的应用*

信号的谱估计技术作为一种十分重要且应用广泛的信号分析处理手段,对其性能的不断提升和改进一直是水声信号处理领域研究的重点和热点。对此,该文将快速正交搜索算法应用于水声信号的谱估计中,通过隐式正交对参数进行搜索,实现对信号频率、幅度、相位的估计。仿真和实验数据处理结果表明,相较于传统的谱估计方法,该方法能稳定且准确地估计水声信号的多个参数,获得频率分辨率较高的谱估计结果。     

基于并行蚁群算法的长基线定位方法*

为了降低各个误差源对水声目标导航定位精度的影响,该文将水声目标导航定位问题抽象为带约束条件的非线性优化问题,并论证了最优化表达式参数求解过程与降低误差源干扰的过程具有同一性;设计了并行蚁群算法求其最优解。海试数据处理结果表明,该方法具有收敛速度快、解稳定和定位精度高等优点,能有效地降低各个误差源对水声目标导航定位精度的影响。     

软件抗距离模糊技术在异步水声跟踪定位中的应用分析

异步水声定位系统可在目标信号发射时刻未知时对目标跟踪定位,此时发射和接收时钟存在固定时差。对于基于时延测量的长基线异步定位系统,当信号传播时延大于脉冲重复周期时,就会出现距离模糊。本文提出了在异步水声跟踪定位系统中软件抗模糊的思想,探讨了一种利用目标参考位置抗模糊的算法。从异步定位模型出发,得出等价的抗模糊准则,依据准则推导了算法及相应的参考位置取值范围,分析并克服了固定时差对算法的影响。海试结果验证了算法的可行性和有效性。     

字典奇异值分解加权压缩感知多径信号参数估计

为提高水声信道多径参数估计的分辨率,提出了一种基于字典奇异值分解的加权压缩感知算法。对于有源声呐,根据发射信号构造字典,对字典进行奇异值分解,利用大特征值对应的特征向量构造信号子空间,然后使用信号子空间对接收信号进行滤波。对滤波结果进行加权压缩感知参数估计,得出最终时延估计结果。仿真实验表明,所提方法能够对水声多径参数进行超分辨估计,适用于任何脉冲信号。湖试处理结果显示,混响背景下该方法也有较好的多径参数估计性能,能够降低接收数据的噪声成分,提高对水声信道的多径时延、个数和幅度的估计精度。      

块稀疏水声信道的改进压缩感知估计

压缩感知信道估计可利用信道稀疏特性提高估计性能,但对于具有典型块稀疏分布的水声信道,经典的l₀或l₁范数无法很好地描述块稀疏特性。利用水声信道块稀疏分布规律特性提出一种能够识别块稀疏结构的块稀疏似零范数,并在稀疏恢复信道估计算法中引入块稀疏似零范数约束项,进一步推导了复数域块稀疏似零范数恢复迭代算法,该算法通过对块稀疏似零范数进行梯度下降迭代并将梯度解投影至解空间来获得水声信道的块稀疏似零范数估计。数值仿真和海上水声通信实验结果表明该算法相对经典的稀疏信道估计算法有较明显的性能改善。通过算法推导、仿真和实验可获取结论:利用水声信道的块稀疏特性进行压缩感知重构可有效提高信道估计性能。