宽带扩展性目标时反算子分解成像

在时反算子分解技术的基础上,提出了宽带全信号子空间加权成像方法。虽然扩展性目标与时反算子的特征向量不再是一一对应关系,传统的时反选择性聚焦仍然选择某一特定的信号子空间成像,而时反MUSIC只利用某一频点成像,导致定位结果背景起伏较高。为克服这些缺陷,利用时反算子的特征值判断信号子空间的个数,以广义散射系数为加权系数,实现全宽带和全信号子空间成像。结果表明,此方法的旁瓣水平明显下降。      

多输入多输出与时反联合的波导声呐有源目标定位

为了提高对浅海静止小目标的探测能力,提出了将多输入多输出和时反处理相结合的波导声呐处理框架。利用收发合置垂直阵,假设目标为点目标,每一个阵元轮流时反发射正交信号照射目标,整个阵接收对应的目标回波。当所有的阵元发射正交信号结束以后,对所有接收的目标回波数据进行分集处理,然后与时反发射驾驶向量做匹配滤波完成对目标的定位。分时发射策略克服了水声信道时延扩展和多普勒扩展导致常规多输入多输出处理接收端不同回波信号分离的困难。采用物理时反发射和数值时反接收聚焦,有助于抑制混响、提高回混比。数值仿真和波导水池实验结果表明多输入多输出时反处理较常规的有源匹配场处理以更高的精度对波导中的目标进行定位。      

不确实环境下目标检测与定位的宽容性最小方差时反波束形成

揭示了时间反转技术的本质,指出时反不仅是一个物理过程,更是一种信号处理方法,进而提出"时反波束形成"的概念.针对时反空时聚焦特性受到环境不确实性限制的问题,研究了用模型探查源(MS)代替实探查源(PS)的发射时反波束形成实现发射聚焦,以及用对角线加载的宽容性MVDR接收时反波束形成实现接收聚焦,并最后用于目标检测.水池实验的结果表明了该发射聚焦和接收聚焦在不确实环境下用于目标检测及其距离估计的有效性.     

前后混响零点约束下基于时反算子分解的信混比增强方法研究

结合时反算子分解和时反混响置零方法,提出了一种前后混响零点约束下基于时反算子分解的信混比增强新方法.利用目标回波出现时刻及其出现前后时刻的回波信号,通过时反算子分解获得目标距离对应的一个二维信号子空间和目标前后距离附近的海底聚焦权向量,根据该信号子空间和海底聚焦权向量,以目标前后距离附近的海底声场置零、目标处最大为约束条件,导出了时反阵的一个约束最优激励权向量.该方法解决了现有直接时反处理、混响置零方法以及时反选择性聚焦方法存在的局限性,可以在没有探测声源、没有目标和海底散射强度谁大谁小的先验知识的条件下,实现声场在目标处聚焦,同时在目标距离附近海底处设置混响凹槽,进一步增强回波信混比.针对典型浅海波导环境,通过计算机仿真验证了所提方法的有效性及其改进的信混比增强能力.     

一种基于模态提取的深度和距离可变的时反聚焦方法

提出了一种基于模态提取的深度和距离同时可变的时反聚焦方法。首先,通过模态提取方法从时反阵列接收的探测信号中提取出波导中传播的模态函数信息,并且进一步地从中获得一个包含探测声源深度信息的对角阵以及一个包含探测声源距离信息的向量;然后,利用模态提取获得的信息对探测声源深度信息矩阵和距离信息向量进行调整,重新构造出时反阵列的一个接收声场向量信息,使得时反发射声场聚焦的深度和距离发生变化。这种方法克服了传统时反处理只能在探测声源位置聚焦的局限性,通过对探测声源深度信息矩阵和探测声源距离向量信息进行适当的调整,可以将时反发射的声场聚焦到探测声源以外的某个期望位置上。针对典型浅海波导环境,通过计算机仿真试验验证了该方法的有效性。      

波束形成与独立分量分析融合的宽带高分辨方位估计方法

针对波束域高分辨方位估计存在方位估计偏差大等缺点,提出了将波束形成与独立分量分析融合的宽带高分辨方位估计方法:(1)阵元域数据转换到波束域后,对多波束数据利用基于二阶统计量的独立分量分析算法处理,(2)将波束域独立分量分析融合方法输出结果重构回阵元域信号,(3)对重构后的阵元域数据,使用约束最优化方法改进的MUSIC算法做高分辨方位估计。最后利用ICS (Interactre Circuts&System)声呐模拟器数据和海试数据对算法进行了验证。结果表明:本文方法在弱目标检测、观测区域外强干扰抑制、方位分辨率方面都优先于波束域MUSIC和波束MVDR方法。      

基于正交传播算子的闪电宽带甚高频辐射源定位方法研究

闪电甚高频辐射源定位技术为闪电放电特征及其物理机制的研究提供了重要手段.基于空间谱估计理论,可将正交传播算子方法应用于闪电放电通道时空演变过程的成像.该方法将阵列数据协方差矩阵进行线性分解形成正交传播算子,然后以子空间的正交性构造空间谱,通过空间谱搜索实现辐射源定位.针对闪电宽带甚高频信号,采用非相干子空间处理方法将带宽内的有效频点进行平均,减小噪声干扰.利用数值仿真分析了该方法的定位性能,验证该方法定位弱辐射源的有效性,并与时间反转技术进行了对比.针对人工触发闪电过程的定位结果表明该方法可以较高的时空分辨率清晰地描绘出闪电通道的基本结构及放电通道的发展过程,并且其对双源同窗事件的定位能力优于时间反转方法.该方法对提高宽带甚高频阵列在闪电弱辐射源定位、闪电起始机制的研究中的应用价值具有重要意义.     

有限采样下低频声源聚焦波束形成的定位研究

依赖于基阵协方差矩阵的算法,要求有足够样本容量来实现稳健的性能。针对常规聚焦波束形成在低频段分辨能力不足以及有限的数据长度,本文研究了一种基于最小方差无失真响应(MVDR)的重叠分子阵算法。仿真实验表明,重叠分子阵MVDR算法在低快拍数、低信噪比情况下,稳健性优于全阵列MVDR算法。在海试数据中,利用一条孔径为109m的光纤水听器阵列,验证了该算法可以在低快拍数下对50m内低频段100～200Hz的目标实现分辨率为0.5m的近场定位。     

基于任意阵的最小方差无失真响应聚焦波束形成的被动定位方法

将最小方差无失真响应(MVDR)聚焦波束形成近场被动定位方法应用到平面任意结构阵列上,可以很好地解决线列阵由于阵长较长,在实际使用中存在布放困难、部分阵元失效影响定位性能等问题。本文首先分析了平面任意结构阵列的近场接收信号模型,推导出阵列流型,然后将MVDR聚焦波束形成技术应用到该模型中,得到了基于任意阵的MVDR聚焦波束形成近场被动定位方法。仿真验证了该方法的可行性和有效性。     

球形传声器阵列下基于主导声源检测MUSIC群时延算法的多声源定位*

针对混响环境中,多径效应、散射、衍射等原因导致声源定位失败或分辨能力不足的现象,提出一种基于主导声源检测MUSIC群时延的邻近多声源定位方法。该方法采用球形传声器阵列,相比平面阵列可以捕获3D声场信息,利用球谐域下信号的频率分量与角度分量解耦的优势,从而可直接利用频率平滑技术处理宽带语声信号而不需要构造聚焦矩阵,并在球谐域下通过设置阈值对一组时频段进行主导声源检测,从而选择出包含直达声的一组时频块来构造MUSIC群时延空间谱。上述举措在提升波达方向估计在高混响环境下定位鲁棒性的同时,也提高了多个邻近声源的分辨能力。仿真实验结果表明,所提出的主导声源检测MUSIC群时延算法,在高混响和低信噪比条件下,仍具有更好的定位精度与更优的邻近多声源分辨效果。     

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.     

水声无源材料插入损失测量时反聚焦方法

提出了利用时间反转(时反)聚焦技术的水声无源材料插入损失测量方法。通过无试样及有试样情况下实现接收信号的时反聚焦,并对聚焦信号进行透射系数计算,获得试样的插入损失。由于时反原理可实现接收信号的空时聚焦,从而提高测量信混比,因此本方法适用于非自由场环境下材料声学参数的测量,尤其适用于低频条件下的声学参数测量。波导水池试验开展了对两块试样的测量,试样尺寸为1.1m×1.0m×5mm,测量频率范围为1—20kHz,通过测量值与理论值的对比验证了该方法的有效性。      

Echo-to-reverberation enhancement based on decomposition of time reversal operator with forward and backward reverberation nulling constrains

Combined the decomposition of time reversal operator and the time reversal reverberation nulling, a new time reversal processing approach for echo-to-reverberation ratio enhancement is proposed. In this method, a 2-dimensional signal subspace for the range of the target and two bottom focusing weight vectors for the ranges near the target are obtained by the decomposition of time reversal operator. From the signal subspace and focusing weight vectors, a constrained optimal excitation weight vector of source receiver array can be deduced to null the acoustic energy on the corresponding bottom and maximize the energy at the tar- get. This method remedies the shortages of conventional time reversal processing, time reversal reverberation nulling and time reversal selective focusing method. It focuses sound energy at the target and nulls the energy at the bottom near the target range simultaneously, therefore enhancing the echo-to-reverberation ratio without probe source and prior-knowledge of the relative scattering intensity of target and bottom. Numerical simulations in typical shallow water environments showed the effectiveness of the proposed method and its improved performance for echo-reverberation enhancement than conventional time reversal processing.     

时间反演电磁波在金属丝阵列媒质中的超分辨率聚焦

本文利用一种已有的金属丝阵列结构, 验证了时间反演技术的时空聚焦特性, 并证明了在该阵列结构中, 时间反演电磁波具有超分辨率聚焦特性. 利用金属丝阵列能为凋落波提供传播渠道这一特性, 通过改变信号对时间反演镜的激励方式, 得到了多种亚波长异地成像的仿真结果. 本文的分析和仿真结果证实了利用时间反演技术, 可以采用传统的材料和设备, 在远场实现超分辨率聚焦成像, 并能在多个位置实现对源信号的提取和分析. 关键词： 时间反演 金属丝阵列 超分辨率聚焦 异地成像     

时间反转和逆时偏移混合法用于层状介质中目标的声学检测和定位

一般超声回波检测、时间反转和逆时偏移技术,都不能将界面附近的目标(缺陷)检测出来。这是因为目标反射波和界面(或底面)反射波相重叠的缘故。虽然改进的时间反转法(即换元的时间反转法)能够区别目标和界面(或底面),但还是不能定位。本文提出一种时间反转和逆时偏移混合方法。分析和仿真结果表明该方法不但能够鉴别出层状介质中的目标,而且可以定位。对于多个目标,也能给出其位置分布图。特别地,本文方法对于分层介质中的缺陷和浅海海底下的目标检测和定位具有重要的潜在价值。      

Time reversed reverberation focusing in a waveguide

Time reversal mirrors have been applied to focus energy at probe source locations and point scatterers in inhomogeneous media. In this paper, we investigate the application of a time reversal mirror to rough interface reverberation processing in a waveguide. The method is based on the decomposition of the time reversal operator which is computed from the transfer matrix measured on a source-receiver array [Prada et al., J. Acoust. Soc. Am. 99, 2067-2076 (1996)]. In a similar manner, reverberation data collected on a source-receiver array can be filtered through an appropriate temporal window to form a time reversal operator. The most energetic eigenvector of the time reversal operator focuses along the interface at the range corresponding to the filter delay. It is also shown that improved signal-to-noise ratio measurement of the time reversal operator can be obtained by ensonifying the water column with a set of orthogonal array beams. Since these methods do not depend upon a priori environmental information, they are applicable to complex shallow water environments. Numerical simulations with a Pekeris waveguide demonstrate this method.     

基于宽带分裂阵列的水下远程被动多目标检测与定向

为获取更高的水下远程多目标检测和定向性能,基于工程中广泛应用的最小方差无畸变响应(MVDR)波束形成算法,设计了大间隔分裂线列阵,通过扩大阵列有效孔径改善了空间谱峰锐度。同时提出非相干宽带预处理方法,利用MVDR在多频子带下波束宽度和间隔的非一致性来抵消由于稀布阵元造成的栅瓣效应。最终实现大间隔分裂阵和宽带非相干波束形成的互补。仿真和湖上试验结果表明,与采用宽带MVDR的均匀线列阵和采用互相关法的大间隔分裂阵相比较,所提方法能显著提高对水下远程目标的检测和分辨性能。      

Robust minimum-variance time-reversal beamforming for target detection and localization in uncertain environment

The target detection and localization in uncertain environment with robust time reversal （TR） technique was investigated. TR is a physical process as well as a method of signal processing. Therefore, it is natural to perform beamforming via TR, i.e., TR beamforming （TRBF）. To reduce the effects of environmental uncertainty on TR spatio-temporal focusing, transmitting TRBF with modeled instead of physical probe source was studied and robust minimum-variance receiving TRBF with diagonal loading was put forward. Both of them were applied to the detection and distance estimation of the target, which was dealt with in a waveguide experiment. The experimental results show the validity of the methods in uncertain environment.     

Modal time reversal of waves for shallow-water sea

A method is proposed for calculating the time-reversed wave field generated by a point source in a waveguide by using signals received by a vertical antenna array. The procedure of time reversal is based on representing the wave field in the form of the decomposition into modes of the ideal waveguide. In contrast to the earlier proposed simplified numerical method of time reversal of waves, the method presented here allows one to obtain the reversed field for the entire thickness of the waveguide. The method is successfully applied to a shallow-water sea with a depth of 120 m, at distances of 7, 10.5, and 12 km. It is shown that an opportunity arises to increase the gain of the array; to determine the parameters of the medium, including its stability in the presence of currents; and to match the point of transmission of an arbitrary received signal and the point of transmission of the reversed signal.     

Buried target detection based on time reversal focusing with a probe source

Buried target detection under the background of strong reverberation in shallow water is a complicated problem. As the target is buried, the echo of the active sonar is very weak and the echo-to-reverberation ratio (ERR) is quite low. In the paper, the technique of time reversal (TR) with a probe source is discussed to detect a buried target. By TR transmission, the sound wave is focused at the target and the ensonification acoustic energy at the target is maximized. By reception focusing, the echo received by each sensor is added coherently and the waveform of the transmitted signal is recovered. Finally, the matched filtering is used to detect the target and estimate the target range. The waveguide experiment provides a practical implementation guideline to apply TR to buried target detection.