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．     

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。      

单水听器波导不变量被动测距

本文主要讨论利用声场干涉现象由单水听器被动测距的可行性及测距性能,为此提出了单水听器波导不变量被动测距方法,通过提取LOFAR图上干涉条纹、使用简正波模型计算波导不变量、频域相关法估计相对速度,最后依据干涉条纹方程得到声源距离估计量。数值仿真和海上实验结果验证了单水听器被动测距的可行性,并具备一定测距性能,在3 dB信噪比环境中,对于7 km处的运动声源,平均测距误差小于5%。本文方法具有设备简单、易于推广至阵列信号处理等特点,为声纳信号处理环境宽容性的提高及环境适配声纳的设计开拓了思路。     

基于FICP算法提高对低频噪声时延的估计精度

针对非平稳随机噪声（直升机飞行声音，导弹喷流噪声）信号，研究了提高时延估计计算精度的方法，通过计算信号的细化频谱，并避免了标准FFT计算带来的栅栏效应，从而使得对于超短取样信号的频谱计算精度与信号长度无关，采用快速计算方法FICP由N点互谱计算2N点相关波形，提高了相关波形的分辨率，使得时延估计精度得以提高。对实测直升机飞行噪声和导弹噪声计算了不同取样长度和不同采样率下的时延估计，得出了谱分辨率越高，时延估计精度越高的结论。     

一种基于多普勒频移的被动合成孔径声纳探测方法*

由于自主小平台声纳孔径有限,对声纳探测的分辨率的提高有所限制。小平台的机动可以有效的与声纳探测方法相结合来提高声纳探测性能。针对这一特点,提出一种基于多普勒频移技术的被动合成孔径声纳探测方法。该方法根据自主小平台的机动所引起声纳的接收信号多普勒频移的变化,进行目标的频率与方位联合估计。本文将自主小平台的机动引入到波束形成技术当中形成一种新的被动合成孔径技术。数值仿真表明,该方法可以有效的进行目标方位估计,并且获得较高的方位分辨率,改善了自主小平台的探测性能。     

红外告警系统三站被动测距目标确认及精度分析

介绍了基于红外告警系统的被动测距原理,探讨了影响被动测距的误差来源,在此基础上给出了目标同一性的判定条件,结合作战使用分析了三站红外被动测距系统的目标测距精度。结果表明,2 km的站点布阵可以保证对22 km范围内的目标测距精度优于8%,对40 km范围内的目标测距精度优于15%,可实现对目标全方位、远距离、高精度被动测距。     

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.     

基于平面投影的舰载红警多站被动测距单项误差解析方法

针对目前红警系统多站被动交会测距误差分析过程中,存在几何关系复杂、数学推导繁琐的缺点,提出一种多站被动测距的单项误差解析及总体精度判定方法.该方法基于平面投影的几何关系,对测距单项误差逐一进行推导,得到相应的解析表达,几何关系直观、物理意义明确.通过仿真计算,分析了单项误差对总体精度的影响,发现方位角误差是测距误差的主要来源,讨论了双站及三站被动测距相对误差分布的特点与规律.     

基于舷侧阵声纳的鱼雷远程自导性能研究

针对鱼雷的远程自导问题,研究了恶劣水文条件下浅海波导中鱼雷舷侧阵声纳对主动声纳信号的探测能力和测向精度,计算结果表明:在潜艇反舰作战中,通过利用水面舰艇发射的主动声纳信号,可实现潜射鱼雷对目标的远程被动探测,其被动测向精度一般可满足自导精度要求。     

温跃层及其变化对被动声纳检测概率的影响

根据被动声纳工作原理,构建被动声纳探测水下目标物概率数学模型。利用声学调查实测数据,综合考虑传播损失、环境噪声、和水文环境分布及季节变化,研究温跃层垂直分布及季节变化对声纳检测概率的影响。结果表明:温跃层对被动声纳影响巨大,逆温跃层环境中,声纳检测概率从海表向下逐渐减小;正温跃层对声纳总的影响与逆温跃层相反,在正温跃层上界,检测概率从表层向下先减小后增大;逆温跃层对被动声纳检测概率的影响随目标物与声纳距离的增大而增大,正温跃层影响相反。     

相关测速声呐阵元坐标估计算法研究

针对相关声呐接收阵元实际坐标与设计坐标不一致引起的测速误差,提出阵元坐标估计算法,以提高相关声呐的测速准确度。基于混响时空相关函数模型,对相关测速声呐时空相关函数特性进行了理论分析,提出了选择用延时0处的数据空间相关函数与理论空间相关函数进行阵元坐标估计的局域最小二乘拟合算法,并采用序列二次规划法解决了阵元坐标估计算法的最优化问题。海上试验数据的处理结果表明,该算法可以对阵元坐标进行有效估计,使用估计的阵元坐标后,相关测速声呐测速准确度提高了67%。      

三元阵被动测距浅海试验及后置处理

为改进三元阵被动测距性能,采用了滑动窗互相关器估计时延,与常规互相关器相比时延估计性能有较大提高;采用的方位和距离的改进计算公式,在近程有很高的测距精度。针对实验结果瑕点多的现象,提出了在线自动跟踪剔除瑕点的方法,能稳健有效自动地筛选出高质量的数据,称之为“圆筛”。并引入了“动态滤波”,将其与“圆筛”结合作为后置处理模块。介绍了浅水、近程的三元阵被动测距海试结果,目标船分别为摩托艇和中型双体船,测距结果与精度为20 cm的差分GPS定位结果比较,表明“圆筛”和“动态滤波”相结合的后置处理方法,可显著改善测距效果。      

深海会聚区声场多途时延差分析及声源距离估计*

深海会聚区声道由于具有传播距离远、传播损失低等优势,对实现声呐远程探测具有十分重要的意义。本文基于虚源理论推导了深海会聚区的多途到达时延结构,给出了会聚区内不同声线路径的时延差曲线随接收深度变化的近似表达式,通过分析时延差曲线与声源水平距离之间的关系,提出了一种利用多途时延差估计深海会聚区近海面声源距离的方法,仿真实验验证了该方法原理的正确性。南海实验结果表明,当收发距离在42km~52 km时,会聚区爆炸声源距离估计结果同实际爆炸距离吻合较好,估计误差为0.6%~6.1％,验证了该方法的有效性。     

奇异谱分析用于提升双光梳激光测距精度

从含噪数据中提取信号从而提升数据采集系统精度是极为重要的问题.奇异谱分析(singular spectrum analysis,SSA)作为一种无参数频谱估计技术,广泛用于区分系统模型未知情况下的动态系统信号的复杂成分.本文应用SSA方法提取双光梳飞秒激光测距系统中的含噪时间序列的距离信息,数值仿真显示SSA方法可以从含有有色噪声的信号中提取距离信号.实验中,SSA方法成功地从含有量子噪声的测距信号中提取出激光与目标之间的距离信息,提取后的信号有13倍的精度提升.这种方法同样适用于高维信号,如基于飞秒激光测距的高精度、高速率表面形貌测量的图像提取.     

一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法

当合成孔径声呐测绘带较大时,运动误差的空变效应严重,经典的相位中心重叠算法难以适用。为此,提出了一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法。首先使用混合调制的拉格朗日时延估计算法对前后两帧回波的时延进行估计,之后使用线性回归方法拟合出运动误差,最后利用运动误差的估计值对回波进行逐点精确补偿。仿真数据的结果表明,该算法能够获得比相位中心重叠算法更好的运动估计结果,运动补偿后成像分辨率接近理论分辨率。使用该算法分别对高、低频合成孔径声呐的湖试数据进行了处理,水下地貌和小目标的成像质量均有明显提高。      

Beam pattern of sparse array for passive sonar

This work aims at sparse array without grating lobe for passive sonar, in order to increase frequency band of the passive sonar and reduce the cost. According to traditional method, the distance between two contiguous sensors in sonar array should be less than the wavelength of highest frequency of the signal; otherwise the grating lobe appears on beam pattern. The paper realizes that the conclusion of the grating lobe emergence it is not fit to the passive sonar due to the sine wave signal model in traditional method, in fact the input of passive sonar is random signal. Prom three aspect of the computer simulation, real passive sonar signal and theory analysis, it is revealed that the grating lobe does not appear on beam pattern when the distance between two contiguous sensors in passive sonar array is longer than wavelength of highest frequency. Whitening of the radiated noise can widen the frequency band, to ensure the beam pattern without the grating lobe. The conclusion of the paper is: if the band of radiated noise is wide enough (broader than 1 octave), that the wavelength of signal can be shorter than the distance between two contiguous sensors in passive sonar without grating lobe.     

基于重采样技术的调频连续波激光绝对测距高精度及快速测量方法研究

调频连续波激光测距方法可以实现高精度的大尺寸绝对距离测量, 且测量过程无需合作目标, 在大空间坐标精密测量领域有很高的研究价值. 而如何提高测量分辨率和实用化一直是近年来调频连续波激光绝对测距研究的热点. 本文研究了调频连续波激光测距的原理, 基于双光路调频连续波激光测距系统, 提出了通过信号拼接提高测量分辨率的信号处理优化方案, 该方案可以提高测距分辨率, 且可以降低对激光器的性能要求; 提出了可实现高速测量的简易测量方法. 设计加工了双光路光纤调频连续波激光测距系统, 利用该系统进行了测距分辨率及测距误差标定实验, 实验结果表明: 优化方案可以有效地提高测量分辨率和测量效率, 在26 m测量范围内, 测距分辨率达到了50 μm, 测距误差不超过100 μm; 快速测量方案有较高实用价值.     

基于两次谱分析的时延估计方法研究

时延估计是目标定位跟踪系统的关键技术之一,在水声、雷达、声探测等领域广泛应用。时延估计的基本方法是互相关法和相位谱法。互相关法时延估计分辨率与信号带宽近似成反比,因此很难估计多目标时延。相位谱时延估计只能估计单目标时延,并且存在相位解绕问题。本文提出了两次谱分析时延估计方法,即将互功率谱函数再次进行谱估计,二次谱峰值位置间距即为时延估计,这种方法既能够估计单目标时延,又能够估计多目标时延,并且不用相位解绕。仿真计算验证了两次谱时延估计方法的可行性。     

三维信息测量的运动声源无源测距

针对运动声源无源测距问题,给出了目标方位、多普勒频移和距离特征量作为测量信息来估计目标初始距离的方法。通过伪线性化的处理方法,构造了一个异方差的线性模型。在声呐平台直航条件下,证明了非径向运动的声源目标,利用3个目标方位、2个多普勒频移和2个距离特征量的观测信息,可以唯一地确定目标的距离、速度和航向,而仅利用目标方位和距离特征量的观测信息,系统是不可观测的。蒙特卡洛数值模拟表明:对于初始距离5 nm(海里)的情形,三维信息测量方法比参考方法的目标距离的平均收敛时间要少200 s左右,收敛时间标准差要少40 s左右。随着初始距离的增加,两种方法收敛时间差有变大的趋势,这意味着三维信息构造的方法的稳健性优于参考方法。实验数据也进一步验证了在300 s左右,目标距离的估计逐渐趋于收敛。因此,该方法可以在稳定的干涉结构条件下,实现运动声源的无源定位。