压缩感知在宽带声学多普勒测速技术中的应用*

为降低宽带声学多普勒测速技术中宽带回波信号处理系统的采样和数据存储压力,研究了压缩感知的回波信号重构算法,并将其应用于宽带声学多普勒测速的回波信号分析中。在点回波模型下进行宽带回波信号的仿真实验,利用复协方差法计算频移。仿真实验结果表明,在无噪声的理想条件下,利用压缩感知理论处理宽带多普勒测速的回波信号,能够达到理想的测频效果;在相同的噪声条件下,应用压缩感知方法处理后的回波信号能够获得与带通采样方法相当的测频效果。     

波束开角对多普勒测频结果的影响

具有不同波束开角的声学多普勒测速设备未标定的测速结果存在偏差。基于水底椭圆散射模型研究了波束开角对声学多普勒测速结果的影响,对提高声学测速性能具有实际意义。水底椭圆散射模型下,足印上不同方位传播损失和散射强度存在差异,导致频谱不对称,测频结果偏小。利用不对称系数量化频谱不对称程度,若波束开角增大,方位不对称系数随之增大,测频偏差增大,推导了波束开角导致的测频偏差解析式。分析仿真和外场试验数据测频结果可知,不同多普勒频移下测频偏差和理论计算值相符,不同波束开角下实际测频偏差与理论公式计算的测频偏差均随波束开角增大而增大。     

底混响空间相关函数方法估计载体姿态

在海底是起伏不大的非均匀薄层的假设条件下,建立了底混响空间相关函数模型。当混噪比较高时,模型中空间相关函数相位等于基元间垂向矢量与波数的乘积。对于平面阵而言,基元间垂向矢量是由于基阵载体姿态引起的。因此,可以给出底混响空间相关函数相位与载体横摇角和纵摇角之间的关系式。如果接收阵存在3个接收基元,它们对应平行四边形面积与对角线之比不小于半波长,那么可以通过解方程组的方法得到横摇角和纵摇角的确定解或优化解。由于相位模糊的存在, 解的范围是有限的。通过Fisher信息矩阵得到了这种方法姿态估计的Cramer-Rao下限。仿真实验和海试结果表明这种方法是可行的。     

宽带多普勒测速技术中的发射信号

声波信号作为系统测速的载体，直接影响测速性能，是多普勒测速技术的关键。研究 了不同发射信号的频谱特性及基于复协方差法的多普勒频移测量误差。一般假设二相编码信号频谱关于载频对称，但实际上其频谱为不关于载频对称的双边谱，不对称程度由不对称系数量化。不对称系数越小，测频偏差、标准差均越小，即测频性能更佳。仿真实验表明，在不考虑波束开角的点回波模型下，差分重复伪随机Blackman码元幅度调制编码信号与常用的非差分重复伪随机二相编码信号相比：不对称系数低3个数量级；信号频带同带宽内信噪比在0~-10 dB范围内测频标准差约下降2%~20%；信噪比高于10 dB时相对测频偏差约小5‰~6‰。     

相关时延及频谱不对称对声学多普勒测速偏差影响

研究了复协方差频移估计测速下相关时延及接收信号频谱幅值不对称对声学多普勒测速偏差的影响。不考虑测速公式简化误差,复协方差频移估计测速偏差可以简化为多普勒频移测量偏差。经推导,不考虑发射信号波束开角的窄带测频无偏、宽带测频有偏;考虑波束开角的窄带测频和宽带测频均有偏。相关时延不准确且频谱不对称是该偏差的重要来源。仿真分析表明,点回波模型下,消除时延不准确或频谱不对称影响,测频偏差可趋于0。基于上述发现,建立底跟踪多普勒测速声呐的相位、幅度双重加权的椭圆网格测频模型;给出相同脉冲长度下窄带与宽带测频偏差存在差异的理论解释。利用所建宽带测频模型仿真出真实频移与估计频偏的拟合曲线,进而对实际数据进行修正,水槽实验场景速度测量相对偏差从1.14%降至0.78%,最大绝对值从2.83%降至1.83%;海试场景速度测量相对偏差从4.79%降至3.82%。