时频-Radon变换在激光微多普勒效应特征提取中的应用

鉴于激光微多普勒效应探测运动目标复合振动的重要性,利用离散小波多分辨分析对激光微多普勒效应探测运动目标复合振动的实验数据进行分解,研究不同尺度下的信号特征。将Radon变换与时频分析结合在一起,对实验所得信号在时频域中进行分析,结果表明:时频-Radon变换适合于微多普勒信号的识别,应用该方法能够抑制多分量信号时频分布产生的交叉项干扰,有效地提取微动目标的特征,为目标特征的识别、分类和探测提供了便利。     

声光移频器对微多普勒效应探测的影响研究

为实现基于微多普勒效应的远距离目标探测和识别,研究了采用声光移频器的激光外差相干探测结构对目标微多普勒特征探测的影响。建立了声光移频器驱动功率与系统信噪比之间的数学模型,并进行了仿真计算,搭建了1550 nm激光外差/零差相干探测实验平台对所建模型进行了验证。研究结果表明:在移频器驱动电压限定范围内,驱动电压越高,对微多普勒效应探测的效果越好,得到的目标特征越明显,与理论分析一致。通过对比实验发现在同样条件下,外差探测得到的反映目标特征的时频分布曲线较零差的清晰,特征提取误差小,可读性更高,说明外差探测结构更有利于复杂的远距离目标探测。     

基于微多普勒效应的旋翼弦长激光探测方法研究

为实现基于微多普勒效应的旋翼目标激光探测与识别,研究了面目标旋翼对激光回波的调制作用.利用物理光学法中面元散射回波叠加原理,构建了矩形面旋翼的微多普勒激光回波模型.通过仿真,利用时频分析方法提取了异于线目标模型的微多普勒特征.机理分析证实该特征反映弦长即旋翼横向尺寸信息,据此提出了相干探测激光回波的矩形旋翼弦长计算方法.不同展弦比旋翼的回波仿真结果与理论公式吻合较好,验证了该方法的有效性.误差分析表明,与进行单一窗长条件下的短时傅里叶变换相比,利用改变窗长的方法分别提取时间、频率信息可有效减小弦长计算误差至1.58%.该模型可实现对旋翼飞行器弦长尺寸的计算,为进一步的旋翼形状探测识别提供了依据.     

多尺度分析在激光微多普勒效应特征提取中的应用

由于小波变换具有准确度高、抗噪性好等优点,在微多普勒效应探测方面具有很好的应用前景。利用多尺度分析（MRA）将信号进行分解并提取出含有微多普勒效应的低频平滑信息,获取了目标微小振动引起的微多普勒效应。用频谱分析和基于瞬时频率(Instfreq)的时-频域联合分析方法对原始信号及通过MRA分解得到的结果进行了对比研究。结果表明：利用时-频分析对MRA处理后的低频信号进行分析,可更加有效地提取微多普勒效应中振动信号的特征,为目标特征的识别、分类和探测提供了便利。     

空时多普勒频移域运动小目标的抗干扰探测方法

有源声呐使用多普勒敏感信号可在多普勒频移域分离杂波、混响等干扰和运动目标,但低信干比时强干扰的时间旁瓣泄露和多普勒旁瓣泄露会淹没弱目标.针对该问题,提出了一种基于自适应最小均方(LMS)算法和宽带模糊函数(WAF)的运动小目标抗干扰探测方法.首先在空间多普勒频移域上利用基于LMS的自适应陷波器抑制干扰,然后在快时间多普...     

基于声光移频的激光侦测正交解调方法

针对激光侦测信号调制与传输特点,提出一种基于多普勒移频的激光侦测系统,研究声光多普勒移频效应理论,探讨相干光平衡探测与正交解调原理,从数值仿真和频域分析了系统抗噪性能及载频失配对信号恢复的影响,给出基于声光移频效应的相干平衡激光侦测的技术实现方法.实验结果表明,基于相干平衡探测与正交解调的激光侦测系统可有效抑制基底及过剩强度噪声对系统输出的影响,进一步提高接收信噪比,实现声波振动对界面产生微扰的非接触信号检测,为实际应用提供一种有效的技术途径.     

运动目标激光微多普勒效应平动补偿和微动参数估计

利用激光探测微多普勒效应可以精确估计微动参数,有利于实现目标的准确分类和精细识别.运动目标的微多普勒效应是一种由多项式相位信号模型与正弦调频模型组成的混合信号.对于这类混合信号中的微动参数估计目前还未提出有效的方法.对此,本文提出一种基于分数阶傅里叶变换(Fr FT)的平动补偿方法,通过设计对Fr FT参数域的带宽搜索方法,可以从混合信号中精确估计平动参数,实现平动和微动的分离;通过设计静态参数粒子滤波器,从补偿后的信号中准确估计了微动参数;针对静态参数模型,采用马尔可夫-蒙特卡罗方法增加粒子多样性,并利用累积残差定义新的粒子权重计算函数,保证了算法在对多维参数估计时的快速有效收敛,避免了参数分别估计时误差传递的影响.通过仿真分析对比和实验数据,验证了本文所提补偿和参数估计算法的有效性.     

激光微多普勒探测系统中降低相位噪音影响的方法研究

相干微多普勒激光雷达具有探测灵敏度高、探测信息量大等特点,特别适合于动目标探测、目标特征识别等应用.本文从线宽和探测距离两个方面讨论了模场相位随机起伏（相位噪音）对于测速准确度的影响,实验证实了相位噪音对激光微多普勒探测的影响,并探索出解决上述问题的方法——光纤补偿法.实验中,以输出波长为1.064 μm单块非平面环形腔激光器为光源,利用光纤补偿方法,并结合时频变换的算法,用外差探测的方式成功观测到了微多普勒频移,在传输距离为11 km时,系统最低探测速度达到了0.5 mm/s,速度分辨率达到了mm/s量级,频率分辨率达到了kHz量级,为微多普勒激光雷达的实际应用奠定了良好的实验基础.     

基于高分辨谱估计方法的快速运动目标分析*

水下运动目标产生的声场由一系列不同模态的简正波组成,不同模态简正波具有不同的多普勒频率移动,携带了运动目标速度、频率等参数的信息。针对快速运动目标水下辐射声场的这一特点,采用高分辨谱估计Burg算法估计不同模态简正波多普勒频移,进而获得运动目标的速度、频率参数估计。数值仿真结果表明,高分辨谱估计Burg算法获得了高频率分辨率,在较短的观测时间或是阵元不足的情况下,较准确地估计了多普勒频移,获得了目标运动速度和初始频率等运动参数。     

基于多普勒效应的水波特性实验装置的设计

设计了一种基于多普勒效应的水波特性实验装置,在频闪光源照射下,通过毛玻璃屏,可直接观察多普勒效应的现象,通过设计的光电检测装置测量出水波的频率及频率的变化情况,实现水波多普勒频移的数字化测量.当波源位置固定,波源以一定频率振动,根据多普勒效应,通过实时测量多普勒频率,测量出探头的速度,进而推算出水波波速.该装置有利于多普勒效应的水波特性研究,直观演示了多普勒频移现象.     

扩展性微动目标回波模拟与特征参数提取研究

研究了微动目标的多普勒回波模拟及特征参数提取技术. 提出了一种基于物理光学法和等效电磁流法的扩展性微动目标回波模拟方法. 将在目标坐标系下计算得到的后向散射场通过坐标转换, 成为雷达坐标系下的目标回波, 通过与解析信号模型对比验证方法的正确性. 分析了圆锥与带翼弹头的进动特性, 为获得较好的时频聚集性同时避免交叉项采用S-method方法对获取的回波信号进行时频分析, 分析了不同雷达波入射角度, 不同运动状态及不同几何外形的时频分布特点. 对时频分布图进行逆Radon变换, 将正弦曲线映射到参数空间, 从而获取目标的微动参数. 该研究结合电磁散射与信号处理技术, 通过对典型弹道目标的仿真, 获得一些不同于传统微动模型的结果, 结合电磁散射理论, 对这些现象进行了解释分析. 该研究成果在弹道目标的探测识别领域具有重要的理论与应用价值.     

平行光路方向运动的光栅多普勒效应及其在测微小位移中的应用

研究了光栅平行光路运动时产生的光的多普勒效应,用实验进行了验证,并将该原理应用到对微小位移量的检测中. 对原理进行了拓展,得到光栅以任意角度运动产生光的频移的普适公式.     

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.     

光栅横向位移遥测中的辨向和移相技术

分析在用光栅多普勒效应实现横向位移遥测过程中利用移相技术和频移技术获得９０°相移的方法以及光栅运动方向的辨别方法,得出相应的实验结果。     

运动声源多普勒畸变信号的一种时域校正方法

运动声源信号中广泛存在多普勒效应的影响,为了解决其引起的频移、频带扩展问题,提出了一种时域信号校正方法。该方法首先从运动关系和莫尔斯声学理论出发推导得出离散插值时间序列和幅值还原公式,然后对畸变信号进行幅值还原和插值拟合。仿真信号和实验信号处理结果表明多普勒效应带来的频移和频带扩展问题得到了较好的解决,畸变信号得到了有效校正。该方法在时域内对离散信号进行单点操作,与以往的频域处理方法相比具有无需已知声源特征频率、不受频带混叠因素影响的优点,该方法能够处理多频信号,是一种简单有效的多普勒效应消除方法。      

微结构阵列对近壁面层液体运动规律的影响

表面微结构阵列可用于调控微间隙中液体的流动行为、运动阻力和混合特性等.本文采用石英晶体微天平实验研究了微凹坑和微圆柱阵列以及微结构表面形貌对近壁面层液体运动行为的影响.石英晶体微天平的系统频移和半带宽变化与近壁面层液体的运动行为密切相关,研究显示,表面微凹坑倾向于受限液体的运动,因此微凹坑表面引起的频移绝对值明显大于与其具有相同特征尺寸的微圆柱表面,且均大于光滑表面.粗糙表面结构会明显地增加近壁面区域液体运动的紊乱程度,因此具有粗糙顶部的二级微圆柱表面引起的半带宽变化明显大于与其具有相同特征尺寸的微圆柱表面,且均大于光滑表面.该研究为微流道表面阵列微结构形式的选择提供了实验依据.     

海面微波散射场多普勒谱特性研究

基于粗糙面电磁散射双尺度模型推导给出了海面微波散射场多普勒谱频移和谱宽的理论公式, 在该理论公式的推导过程中同时考虑了大尺度海浪的倾斜调制、遮蔽效应和曲率修正效应等因素的影响. 文中将理论公式计算结果与精确数值结果进行了比较, 并讨论了倾斜调制、遮蔽效应及曲率修正效应等因素对多普勒频移和谱宽的影响, 发现倾斜调制使水平极化散射回波多普勒频移显著增大, 从而导致水平极化回波多普勒频移比垂直极化回波多普勒频移大; 在中等入射角度区域, 遮蔽效应和曲率修正效应对多普勒谱并无显著影响, 而在掠射条件下, 遮蔽效应使得多普勒频移增大、谱宽变窄. 本研究对深入理解动态海面散射场频谱特性具有一定参考意义.     

电磁学多普勒效应在高层大气探测中的应用

风是理解大气动力学行为、热力学性质和成分结构的一个关键参数,大气风场的探测已成为当今国际上的前沿科学和热门研究课题.高层大气(80～300 km)风场被动探测的基础理论是干涉成像技术和电磁波的多普勒效应.论文对气辉(极光)的形成、电磁波的多普勒效应和双光束干涉进行了解释;对通过探测目标气辉谱线的多普勒频移,获知大气风场的速度、温度和粒子辐射率的原理进行了论述;给出了由于频移量数值极小难以观测、进而将频移量的观测转换成对位相、干涉图观测的四强度探测理论.向读者展示了电磁学、光学的基本原理应用到当今高新科技中的巧妙与完美,启发对物理学基本知识应用和对科学家创新思维的联想和思考.     

基于小波leaders的海杂波时变奇异谱分布分析

海杂波的奇异谱分析不仅能从理论上揭示海洋表面的动力学机理,同时也是对海探测雷达的关键技术之一.本文提出基于小波leaders的海杂波时变奇异谱分析方法,将时间信息引入海杂波的奇异谱分析之中,从而实现动态的解析描述海杂波随时间变化的奇异谱特性.在理论上,通过信号自身加窗,将时间信息引入传统的奇异谱(或称多重分形谱),实现了对海杂波时变奇异谱分布分析;在算法上,充分利用了小波leaders技术对于多种奇异性的提取能力(包括chirp奇异性和cusp奇异性),通过对时变奇异性指数和时变尺度函数的Legendre变换,实现对海杂波时变奇异谱分布的计算;在应用部分,采用经典的多重分形模型——随机小波序列(RWC)以及三级海态条件下连续波多普勒体制雷达海杂波进行仿真分析,实验结果表明:1)基于小波leaders的奇异谱分布能跟踪海杂波的时变尺度特性,有效展示其时变奇异性谱分布;2)算法具有较好的负矩特性和统计收敛性.该方法能为复杂非线性系统及随机多重分形信号分析提供参考.     

光速处理的高精度光电混合相关探测图像运动位移

为测量航天遥感相机因姿态不稳定以及各种扰动引起的图像运动,提出了基于光速处理的高精度光电混合相关探测测量方法.利用高速CCD和主CCD对同一目标进行成像,在曝光时间内高速CCD获取序列图像,利用联合变换相关器对所采集的图像序列进行光学运算,测量出相邻序列图像的运动位移.阐述了光学相关方法测量图像运动的原理,并模拟分析了噪声和不同运动条件下的测量精度.建立了相应的测量像移的实验系统,实验数字模拟及实验结果都证实了该方法的有效性,测量精度优于0.1像元,满足卫星遥感相机的使用要求.