基于分段信号相关累加的变速度多站联合直接定位方法

在低信噪比条件下,基于时延和多普勒频移的直接定位算法在解决宽带信号源定位时精度较差.针对此问题,提出了一种基于分段信号相关累加的变速度多站联合直接定位算法,并给出了其克拉美罗下界.该算法利用多个变速度的观测站对信号进行接收,然后将同一观测站接收的目标信号分割成多段不重叠的短时信号,采用最大似然估计器,联合各段信号的时延、多普勒频移信息对目标进行直接定位.算法充分利用了观测信号包含的定位信息,并利用观测站速度的变化增加了目标位置信息,解决了分段信号联合估计带来的定位模糊问题,使定位精度进一步提高,增加了算法的实用性.仿真实验表明,较之传统直接定位算法,本文算法定位精度更高,尤其在低信噪比条件下更能逼近克拉美罗界.     

基于最大似然的单通道交叠激光微多普勒信号参数分离估计

利用激光对目标微弱振动进行探测有利于获得明显的微多普勒效应,这为精确估计目标微动特征参数,实现对目标的分类和精细识别提供了可能.但对于多散射点或多目标激光探测,信号为单通道多分量微动混合的形式,而且补偿目标主体运动后,数值上相近的微动参数还会导致信号在时频域存在严重的交叠.为从这类混合信号中精确估计各分量的微动参数,本文提出了基于最大似然框架的参数分离估计方法.利用精细化扫描的奇异值比谱法从混合信号中获得目标微动频率,并得到各分量的幅值比信息.推导了微动参数最大似然估计的解析表达形式,根据激光微多普勒信号的特点从频谱能量分布的角度重新设计了似然函数,解决了传统似然函数在激光微动信号中出现的高度非线性问题,降低了初始化的要求,提高了抗噪性能,并采用马尔可夫-蒙特卡罗方法具体实现了参数的估计.在微动参数得到估计的基础上给出了信号的幅值和初相的估计方法.用本文方法对仿真和实验数据进行处理,得到了接近克拉美罗下界的估计结果,验证了方法的有效性.与传统非参数化估计方法的对比结果体现了所提方法对混合微动参数精确估计上的优势.     

一种基于最优频段的X射线脉冲星累积轮廓时延估计方法

为提高X射线脉冲星导航中累积脉冲轮廓的时间延迟估计精度, 分析了X射线脉冲星累积脉冲轮廓的频谱特性和现有Taylor快速傅立叶变换时延估计算法的缺陷, 提出了一种基于最优频段的累积轮廓时延估计算法, 并通过建立不同信噪比下时延估计误差与所采用频段之间的关系以确定最优频段. 数值及实测数据实验结果表明: 在短时观测或光子流量较小时, 该算法优于常用的近似最大似然 (FAML)、相关 (CC)、最小二乘 (NLS) 及加权最小二乘 (WNLS) 方法; 在观测时间较长或光子流量较大时, 该算法的估计精度与CC及NLS方法相当, 但其运算量低于NLS, FAML 及WNLS方法. 本文所提算法适用于短时观测脉冲轮廓或低流量脉冲星的高精度时延估计.     

双数态输入型M-Z干涉仪中量子相位的最大似然估计和贝叶斯分析

本文采用最大似然估计和贝叶斯分析两种方法，对双数态输入型马赫-曾德尔干涉仪中的量子相位估计进行研究.通过对干涉仪输出端粒子数差和宇称进行理论计算和数值模拟，发现采用贝叶斯分析和粒子数差测量的组合，可以在全相位空间实现最优测量，即待估相位精度达到由量子克拉美罗下界所给定的测量极限，同时，利用贝叶斯分析进行相位估计所需样本数较最大似然估计更少.在通过宇称测量进行相位估计的研究中，发现无法利用贝叶斯分析实现相位估计，但可采用最大似然估计进行研究.借助蒙特卡洛数值模拟分析，我们验证了理论计算结果，即相位估计精度会随待估相位θ₀的变化而改变，将其与粒子数差测量结果对比，进一步确认了粒子数差测量方案的优越性.     

基于回溯筛选的稀疏重构时延估计算法

针对无线定位中时延估计在小样本(单快拍)、低信噪比条件下需要大量独立分布测量数据问题,提出了一种基于回溯筛选的稀疏重构时延估计算法,实现了单快拍、低信噪比条件下接收信号的精确时延估计.该算法首先建立接收信号的稀疏表示模型,然后基于该模型建立正交观测矩阵,最后在重构算法中引入回溯筛选思想,利用时延与观测矩阵之间的一一对应关系得到时延的无偏估计.对该模型下时延估计的克拉美罗界进行了推导.仿真分析表明,所提方法在单快拍、低信噪比条件下精度远高于求根多重信号分类算法,相比于正交匹配追踪算法,在较小的复杂度代价下性能得到了较大提升.     

基于机器视觉的最大似然位姿估计算法

针对现有位姿估计算法对采样数据不做任何的统计假设,缺少评判标准等问题,从信号的概率密度函数出发,推导了基于机器视觉的最大似然位姿估计的一般形式,并证明利用单幅图像时,在各向同性高斯噪声情况下传统迭代算法与最大似然估计等效。推导了位姿估计的克拉美-罗界,给出了位姿估计的方差下限。根据仿真结果可以看出,利用10张图像时,最大似然算法在噪声功率大于5dB的情况下,性能明显优于传统迭代算法,证明适当增加图像数可有效提高估计性能。     

一种脉冲星周期的时域估计新方法

脉冲星信号的周期估计在脉冲星搜索、观测以及定时研究中具有重要作用.在分析脉冲星周期频域识别方法的基础上,基于脉冲星观测信号的二阶循环平稳模型,提出了一种周期估计的时域新方法-----最大相关方差搜索法.通过对观测信号按假定周期(可变)分组,计算分组后不同时刻的相关系数,进一步得到系数的方差,然后寻找不同周期下的方差最大值,即可得到脉冲星的辐射周期估计.分别对单峰脉冲星(PSRJ0437-4715)的实测信号、双峰脉冲星(PSRB1821-24)的仿真信号以及ATNFEPN数据库中的多颗脉冲星数据进行了周期估计,均得到了令人满意的结果.对众多脉冲星的计算结果表明,与傅里叶频谱法相比,该时域方法对噪声不敏感,尤其在低信噪比情况下仍表现出较优越的性能;与双谱相干统计量方法^[6]相比,运算复杂度更低;尽管其在处理非连续观测数据时能力不足,但仍然可为微弱脉冲星的实时周期估计提供有力参考.     

基于马尔科夫链蒙特卡罗的时延估计算法

针对无源雷达中时延估计辐射源信号未知的情况,构建了一种新的时延最大似然估计模型.根据模型特点利用快速傅里叶变换(FFT)的计算方法实现时延估计.为了提高估计的精度,采用马尔科夫链蒙特卡罗(MCMC)抽样的方法估计时延值.该方法不需峰值检测,可直接给出时延估计结果.并推导了该模型下的时延估计的克拉美罗界(CRLB).仿真实验表明,MCMC算法可适用于窄带和宽带信号的时延估计;在样本相同的条件下,MCMC算法估计精度高于重要性采样(IS)算法和基于峰值检测的ML算法,计算复杂度低于IS算法,且MCMC算法可直接估计采样间隔非整数倍的时延.     

基于小波Fisz变换的X射线脉冲星信号降噪研究

针对X射线脉冲星信号信噪比低,难以获取精确脉冲星信号相位的问题,提出了基于WaveletFisz变换的X射线脉冲星信号的估计方法.根据X射线脉冲星信号特性建立了信号模型,推导了Wavelet-Fisz变换理论,利用该变换将X射线脉冲星信号逼近于高斯分布,对变换后的信号数据进行估计.对大量RXTE的实测数据进行分析,结果表明在Wavelet-Fisz变换下能获得较好的估计性能,且耗时小,有利于X射线脉冲星导航的工程应用.     

基于循环平稳信号相干统计量的脉冲星周期估计新方法

讨论了脉冲星的周期估计在脉冲星搜索中的重要性.将脉冲星观测信号建模为二阶循环平稳模型,仿真验证了其合理性.在此基础上,提出了一种基于双谱相干统计量的周期估计新方法,并给出了稳健有效的周期搜索策略以消除其对数据量的敏感性.分别对单脉冲脉冲星(PSR J0437-4715)的实测信号和双脉冲脉冲星(PSR B1821-24)的仿真信号进行了周期估计,实验表明,相比较于常用的傅里叶频谱法,该时域方法直观、有效,在低信噪比情况下仍具有很好的性能,且适用于非连续观测数据.尽管方法运算量较大,但仍然可为微弱脉冲星的周 关键词： 脉冲星 脉冲星搜索 周期估计 循环平稳信号     

X射线脉冲轮廓稳定性对导航精度的影响

X射线脉冲星具有广阔的导航应用前景,稳定的脉冲轮廓是自主导航的基础,然而在X射线脉冲轮廓的稳定性及其对导航精度的影响方面一直缺乏系统的研究.采用Pearson相关系数、标准偏差及功率谱熵三组指标量化脉冲轮廓的稳定性.利用罗西X射线计时探测器卫星X射线段(2—16 keV)11年的观测资料,统计了包括周期跃变在内的Crab脉冲轮廓稳定性.在此基础上,引入Cramer-Rao理论建立了脉冲轮廓稳定性对距离测量误差影响的数学模型,并通过分析各误差因素确定脉冲轮廓稳定性对距离测量误差的影响范围.实测数据处理表明,Crab脉冲星的X射线脉冲轮廓具有极高的稳定性,跃变期间脉冲轮廓无明显变化,脉冲轮廓的稳定性导致沿脉冲星方向上产生34 m±25 m的距离测量误差.     

Necessary conditions for a maximum likelihood estimate to become asymptotically unbiased and attain the Cramer-Rao lower bound. Part I. General approach with an application to time-delay and Doppler shift estimation.

Analytic expressions for the first order bias and second order covariance of a general maximum likelihood estimate (MLE) are presented. These expressions are used to determine general analytic conditions on sample size, or signal-to-noise ratio (SNR), that are necessary for a MLE to become asymptotically unbiased and attain minimum variance as expressed by the Cramer-Rao lower bound (CRLB). The expressions are then evaluated for multivariate Gaussian data. The results can be used to determine asymptotic biases. variances, and conditions for estimator optimality in a wide range of inverse problems encountered in ocean acoustics and many other disciplines. The results are then applied to rigorously determine conditions on SNR necessary for the MLE to become unbiased and attain minimum variance in the classical active sonar and radar time-delay and Doppler-shift estimation problems. The time-delay MLE is the time lag at the peak value of a matched filter output. It is shown that the matched filter estimate attains the CRLB for the signal's position when the SNR is much larger than the kurtosis of the expected signal's energy spectrum. The Doppler-shift MLE exhibits dual behavior for narrow band analytic signals. In a companion paper, the general theory presented here is applied to the problem of estimating the range and depth of an acoustic source submerged in an ocean waveguide.     

基于Bayesian估计的X射线脉冲星微弱信号检测

累积轮廓、流量和周期是X射线脉冲星辐射信号的三个重要特征,将其应用于X射线脉冲星信号检测中,提出了一种基于Bayesian估计的X射线脉冲星周期辐射信号时域检测方法.该方法以非脉冲区噪声观测为先验知识,利用X射线脉冲星辐射信号的泊松分布模型推导了信号概率密度分布函数,以该函数的累积分布函数为判据,对X射线脉冲星微弱信号进行检测,并提取位相偏移量.利用仿真数据和RXTE卫星的实测数据进行实验验证,结果表明:本文方法性能优于同类的基于高斯分布模型的检测方法,在检测信号的同时能在一定精度下给出信号位相偏移值. 关键词： 脉冲星 Bayesian估计 位相测量 时域检测     

空间弥散X射线对脉冲星导航精度的影响

基于RXTE卫星天基数据,建立了时空坐标系转换、时间修正及历元折叠方法,构建了用于提取导航信息的Crab脉冲星轮廓,剖析了该天基载荷结构及特性,对卫星运行空间背景辐射进行了模拟计算。结果表明,在设定导航条件下,空间弥散X射线对航天器单星定轨及多星定位影响在km量级以上。同时阐述了实用化脉冲星导航探测中,改进导航定位精度急需注意的技术问题。     

基于TOA信息的脉冲星信号周期估计方法

针对脉冲星信号周期估计需逐步搜索、计算量大等问题,提出脉冲星信号周期直接估计算法.根据周期不确定误差对时域上脉冲到达时间(Pulse Time of Arrival,TOA)估计方法的影响,推导了基于TOA信息的脉冲星信号周期估计方法的数学模型.该方法将一组观测到的脉冲光子到达时间序列(Photon Time of Arrivals,TOAs)进行等时间间隔分段,在时域上对每段TOAs进行相位估计获得相应的TOA信息,并根据建立的TOA信息与周期误差的关系采用最小二乘原理估计脉冲星信号周期.对周期准确性的评价不同于传统的依赖折叠轮廓的好坏,而是以TOA与时间图像的斜率作为依据,这一依据更直观、易于理解.理论分析与物理、计算机仿真数据结果表明,本文所提的周期估计方法能够根据短时间脉冲光子到达时间序列获得高精度和高分辨率的脉冲信号周期,有利于X射线脉冲星导航的工程应用.     

X射线脉冲星自主导航的观测方程

在分析脉冲时间相位模型(pulse timing model)的意义和研究已有观测方程结论的基础上, 对脉冲到达时间(TOA)所含各种效应进行了解析,推导建立了一阶后牛顿近似下光子到达时间转换方程, 与一些作者的结果进行比较讨论; 同时推导出航天器在三种类型轨道下质心坐标时与航天器原时转换公式. 通过程序实现了推导的观测方程对X射线脉冲星空间观测数据处理的功能, 并利用RXTE卫星观测数据进行验算,搜索出正确的脉冲星周期, 折叠出准确的脉冲轮廓,验证了本文观测方程的正确性, 并与Heasoft软件计算结果进行对比分析, 最后分析了脉冲星位置误差与行星历表误差对数据处理的影响. 关键词： 太阳系质心 时间相位模型 Crab脉冲星 引力时延     

A pitch-synchronous analysis of hoarseness in running speech

A method of pitch-synchronous acoustic analysis of hoarseness requiring a voice sample of only four fundamental periods is presented. This method calculates a noise-to-signal (N/S) ratio, which indicates the depth of valleys between harmonic peaks in the power spectrum. The spectrum is calculated pitch synchronously from a Fourier transform of the signal, windowed through a continuously variable Hanning window spanning exactly four fundamental periods. A two-stage procedure is used to determine the exact duration of the four fundamental periods. An initial estimate is obtained using autocorrelation in the time domain. A more precise estimate is obtained in the frequency domain by minimizing the errors between the preliminary calculated power spectrum and the predicted spectrum spread of a windowed harmonic signal. Analysis of synthesized voices showed that the N/S ratio is sensitive to additive noise, jitter, and shimmer, and is insensitive to slow (8 Hz) modulation in fundamental frequency and amplitude. An analysis of pre- and postoperative voices of six patients with benign laryngeal disease showed that the N/S ratio for vowel /u/ in running speech consistently improved after surgery for all subjects, in agreement with their successful therapeutic results.     

Achievable accuracy of parameter estimation for multidimensional NMR experiments

A fundamental issue in NMR spectroscopy is the estimation of parameters such as the Larmor frequencies of nuclei, J coupling constants, and relaxation rates. The Cramer-Rao lower bound provides a method to assess the best achievable accuracy of parameter estimates resulting from an unbiased estimation procedure. We show how the Cramer-Rao lower bound can be calculated for data obtained from multidimensional NMR experiments. The Cramer-Rao lower bound is compared to the variance of parameter estimates for simulated data using a least-squares estimation procedure. It is also shown how our results on the Cramer-Rao lower bound can be used to analyze whether an experimental design can be improved to provide experimental data which can result in parameter estimates with higher accuracy. The concept of nonuniform averaging in the indirect dimension is introduced and studied in connection with nonuniform sampling of the data.