波束域加权子空间拟合算法

将阵元域高分辨加权子空间拟合算法（ＷＳＦ算法）推广到了波束域中,利用声系统接收基阵波束输出信息估计目标方位．由于波束输出可以看作是,一个阵元数为波束个数的虚拟阵的阵元输出,而在大多数的水声系统中,参与确定某个来向的信号方位的波束数通常远小于阵元数,从而算法的运算量得以大大降低。针对某水声系统接收基阵波束输出所作的计算机仿真结果表明,波束域ＷＳＦ算法应用到实际的水声系统时,可以保持其在阵元域中估计目标方位的优越性能。     

基于时反镜能量检测法的循环移位扩频水声通信

海面的起伏和多普勒效应使得接收信号的载波相位发生跳变以及水声信道的多途扩展使得接收信号波形发生畸变,这严重影响循环移位扩频系统的性能.本文提出循环移位能量检测器算法,通过检测循环移位匹配滤波器的输出能量对系统进行解码,可有效解决载波相位跳变对循环移位扩频系统的影响;将时间反转镜技术与循环移位能量检测器相结合,进一步提出时反镜能量检测器算法,利用已检测到的符号对信道进行实时估计并进行时反处理,抑制了水声信道多途扩展的影响,保证了循环移位扩频系统可在低信噪比条件下工作.通过大连海上试验以及莲花湖湖上试验验证,在复杂水声信道多途扩展、载波相位跳变和低信噪比条件下实现了低误码水声通信.     

基于虚拟时间反转镜的垂直阵舰船辐射噪声级测量方法

研究了利用垂直阵测量舰船辐射噪声过程中因水声信道的多径效应对测量性能产生的影响,建立了基于声场模型的舰船辐射噪声测量的数学模型,推导了基于虚拟时间反转镜辐射噪声测量的理论公式,提出了一种基于虚拟时间反转镜技术的垂直阵舰船辐射噪声级测量方法。该方法首先采用基于波束积分的SCOOTER模型,根据海洋环境参数计算出辐射声源至测量水听器之间的信道传输函数,然后,用计算出的信道传输函数对接收信号做虚拟时反处理,以消除或减弱信道多径效应对接收信号的影响,从而提高舰船辐射噪声级测量精度。针对典型的浅海声信道,进行了计算机仿真试验。结果表明,该方法能有效地进行舰船宽带辐射噪声测量,当阵元个数满足一定要求时,测量得到的声源级与实际声源级相比,误差小于1 dB。      

基于深度神经网络的水声信号恢复方法研究*

针对干扰或噪声环境下水声目标信号难以获取的问题,该文提出研究基于深度神经网络的自适应水声被动信号波形恢复方法。在单阵元情况下,该方法提取对数功率谱特征作为输入,采用深度神经网络回归模型自适应学习目标信号的自身特征,输出降噪后的对数功率谱特征并还原时域波形。在多阵元情况下,提出阵列深度神经网络降噪方法,将部分或全部阵元特征拼接为长向量作为输入,从而利用空域信息。为全面利用阵列丰富的时频域信息,该文提出一种两阶段特征融合深度神经网络,在第一阶段将阵列分为若干个子阵,将每个子阵分别用阵列深度神经网络进行处理,在第二阶段将第一阶段的各子阵处理结果与阵列接收信号同时输入一个深度神经网络进行融合学习。实验表明,所提出的单阵元和两阶段融合深度神经网络取得了显著优于常规波束形成的恢复结果,能够准确估计目标信号波形和功率并显著提高输出信噪比。     

基于虚拟时间反转镜的短基线定位研究

海洋的多途效应是影响水声定位信号检测性能的主要因素。为了满足信号检测中的某种"最佳"准则,克服海洋水声信道的多途效应,本文基于信道的匹配滤波器-时间反转镜技术,提出虚拟时间反转结合匹配滤波器构造信号处理接收机的方法。通过计算机仿真和实验数据处理表明,经过基于虚拟时间反转处理的匹配滤波(TR-MF)接收机性能优于传统的匹配滤波(MF)接收机,并且将该技术应用在短基线水声定位系统中,提高了时延估计分辨力,改善了定位精度。     

时间反转处理用于掩埋目标检测

研究了有PS(Probe Source)源发-收时间反转在强混响背景下对掩埋目标的检验问题.所提出的发-收互动时反处理是:在目标处放一个PS声源产生引导信号, SRA(Source Receiver Array)接收引导信号,并对接收稿:的信号做物理时反(即多路径补偿反波束形成),将声能聚焦在目标位置处,对SRA接收稿:的目标散射回波做与发射聚焦互动的接收聚焦(即多路径补偿波束形成),得到聚焦后的目标回波,实现发-收互动的聚焦.并对常规BS(Broadside)发射检测(没有时间反转)和时间反转检测两种方法各自的性能进行了比较.实验室波导掩埋目标实验数据处理验证了理论分析的结论,并证明时间反转检测比常规BS发射检测可得到更大的信混比,从而提高了掩埋目标的检测概率.     

低信噪比线性调频信号目标的方位估计

线性调频(LFM)信号目标的方位估计是水声探测研究的重要内容,在进行方位估计时,若存在强干扰信号源与强背景噪声,阵元接收信号的信噪比会显著降低,严重影响LFM信号目标方位估计结果的准确性.针对该问题,提出了一种简明分数阶滤波方法,并将其与常规波束形成方法(CBF)相结合来实现低信噪比条件下LFM信号目标的方位估计.简明分数阶傅里叶变换能在正交角度上将LFM信号的能量聚集在特定频点处并形成明显的能量峰,利用该特性,可对阵列各阵元接收的低信噪比LFM信号在简明分数阶域聚集的能量峰进行最佳滤波,以滤除干扰信息及背景噪声.对滤波输出进行逆简明分数阶傅里叶变换可得到增强信干比和信噪比的阵元域信号,进一步用于目标方位估计,就能获得更加准确的目标方位。数值仿真结果和海试实验数据处理结果验证表明,本文所提出的方法可有效抑制干扰和背景噪声,并对低信噪比LFM信号进行准确、稳健的方位估计。      

盲重构频域阵列信号的压缩感知水声目标方位估计

针对复杂海洋环境条件下压缩感知水声目标方位估计性能下降的问题,利用盲源分离能够提高信噪比的优势,提出了一种盲重构频域阵列信号的压缩感知水声目标方位估计方法。首先将阵元域信号通过傅里叶变换方法得到多个子带阵列信号;然后对各个子带阵列信号进行复数域盲源分离得到子带解混矩阵和子带分离信号估计,并对子带分离信号进行属性分析和处理;再根据处理后的子带分离信号和子带解混矩阵重构子带阵列信号,对重构的子带阵列信号采用频域压缩感知方法进行空间谱估计,得到各个子带的空间谱;最后将各子带得到的空间谱进行求和,搜索求和后空间谱的峰值则可实现目标方位估计。模拟器数据和海上实测数据验证结果表明,同等条件下该方法的目标检测能力优于经典的最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)方法、频域压缩感知(Compressed Sensing,CS)方法、盲源分离(Blind Source Separation,BSS)与MVDR相结合的方法(BSS+MVDR方法),测向精度更高,明显提高了弱目标信号的空间谱能量,增强了声呐检测弱目标的能力。      

多元阵时间反转镜被动定位技术研究

摘要单水听器和二元阵时间反转镜处理都可以有效实现目标检测和定位，但多元阵时反镜处理的定位精度和水平定位距离远优于单水听器或二元阵定位处理。本文先简述了时间反转镜定位技术的发展和近况，又详细介绍了多元阵时间反转镜定位技术的基本原理，并借鉴乘积阵处理理论利用射线传播模型给出了多元被动时间反转镜定位的算法和公式。仿真和试验数据处理证明，多元阵时反镜处理效果明显优于二元阵时间反转镜处理，即利用阵增益后时反镜性能改善明显。对四元阵海试数据时间反转镜分析处理结果表明：该方法能实现目标被动定位，且对10公里处静止目标其水平定位误差仅为15％。但该方法运算量太大，很难实现实时运算，因此，其工程应用还有许多问题待解决。     

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。      

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.     

单矢量水听器稀疏近似最小方差方位估计算法

针对单矢量水听器海上目标探测问题,利用稀疏近似最小方差(Sparse Asymptotic Minimum Variance,SAMV)算法进行目标方位估计,该算法利用单矢量水听器自身具有阵列流形的特点,将整个扫描空间离散化,目标方位分布于某一离散方向位置上,利用空间信号的稀疏性可提高目标方位估计性能。仿真结果表明,SAMV算法在各信噪比条件下方位估计噪声背景级明显优于常规波束形成(Conventional Beam Forming,CBF)算法和最小方差无失真响应(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)算法,当信噪比大于0dB时,该算法测向结果均方根误差小于2°,且SAMV算法具有更好的空间方位分辨能力。消声水池和海上声学浮标海上试验数据处理结果表明,SAMV算法给出了噪声背景级更低的目标方位历程图,有效验证了SAMV算法对海上目标的探测性能及其有效性。      

High-resolution azimuth estimation algorithm based on data fusion method for the vector hydrophone vertical array

To aim at the problem that the horizontal directivity index of the vector hydrophone vertical array is not higher than that of a vector hydrophone,the high-resolution azimuth estimation algorithm based on the data fusion method was presented.The proposed algorithm first employs MUSIC algorithm to estimate the azimuth of each divided sub-band signal,and then the estimated azimuths of multiple hydrophones are processed by using the data fusion technique.The high-resolution estimated result is achieved finally by adopting the weighted histogram statistics method.The results of the simulation and sea trials indicated that the proposed algorithm has better azimuth estimation performance than MUSIC algorithm of a single vector hydrophone and the data fusion technique based on the acoustic energy flux method.The better performance is reflected in the aspects of the estimation precision,the probability of correct estimation,the capability to distinguish multi-objects and the inhibition of the noise sub-bands.     

拖曳线列阵机动时的一种目标检测算法研究

根据水动力学流体运动特性,对Burgess建立的水中运动拖缆模型进行了修正,并基于有限差分法和牛顿迭代法提出修正模型的实时求解方法。同时,在阵形求解理论和自适应宽带聚焦波束形成理论的基础上,提出一种畸变阵的目标检测算法。将实时计算所获得的阵元位置信息作为变量引入自适应宽带聚焦波束形成算法中进行目标检测。并进行了海试。试验中在常规算法失效的情况下该算法准确的检测到目标。数据处理结果表明,该算法在阵形大幅度畸变时的输出信噪比比常规算法高15 dB。解决了拖线阵在机动(转向)过程因阵形畸变而无法检测目标的问题,充分验证了该算法的有效性。      

矢量水听器垂直阵列数据融合高分辨方位估计算法

为了实现矢量水听器垂直阵列对目标的高分辨方位估计,提出了基于MUSIC子频带最优加权数据融合方法。该方法采用MUSIC算法对划分的各窄带信号进行方位估计,并在各子频带对多基元方位估计结果进行最优加权最小二乘融合处理,最后通过加权直方图统计法得到最终方位估计结果。对算法进行的仿真及海上试验数据处理结果表明:本文算法在方位估计精度、方位估计正确概率、多目标分辨以及对噪声子频带的抑制能力方面都优于单个基元MUSIC以及多基元复声强器融合算法。      

自适应直达波抑制方法在前向散射宽带信号中的应用（英文）

The basic principles of target detection by forward acoustic scattering are presented.A direct blast suppression approach based on adaptive filtering(DBS-AF) is proposed to suppress the direct blast.The DBS-AF technique is extended to the linear frequency modulation(LFM) signal,where the envelope of the signal is regarded as a "general waveform" and imported into the adaptive filter.Application of the DBS-AF method to the data collected from a lake trial yields an output detection curve,in which the direct blast is mapped to the background while the acoustic field aberration is represented by the peak value fluctuation.The inhibitory effect in single hydrophone is approximately- 5 dB,and is then enhanced by exploiting the mean value removal approach as a preprocessing technique.The direct blast is further suppressed to a level of-10 dB by making full use of multichannel receptions.The main factors affecting the algorithm performance are as follows:the fluctuation degree of the receptions during the weighting vector training period and the power ratio of the forward scattered wave to the direct blast when the target is present.     

时间反转和逆时偏移混合法中参数改变对目标检测和定位的影响*

时间反转和逆时偏移混合法能有效地抑制分层介质中界面或底面反射波的干扰,从而实现分层介质中目标的检测和定位。该文计算得到阵列阵元的疏密,目标在空间中不同位置,以及不同载波频率相应的声场图和声场等高线图,从而详细研究不同参数对目标检测和定位的影响。研究结果表明,接收阵元需要达到一定数目才能获得较好的聚焦效果;目标无论距阵列远近都可以被很好地定位,特别是离界面很近的目标也可以清晰地分辨出来;用调制载波信号可以得到在目标处更尖锐的声场分布,但周围的各处声场分布高低起伏,可能带来定位的不稳定。     

基于水声信道传播时延排序的分层空时信号检测

基于分层空时编码的多输入多输出技术是一种极具潜力的高速水声通信技术, 但要实现这种潜力需要复杂的空时信号处理方法, 以抵消来自水声信道的多径干扰和异步到达干扰, 以及叠加在接收端的各层信号之间的干扰. 对低复杂度的空时信号处理方案进行了研究, 提出了一种基于子信道传播时延排序的有序连续干扰抵消信号检测算法, 利用子信道间的传播时延差, 实现可使差错概率最小的最佳检测排序; 给出了利用信道估计, 以极低的计算量确定排序的方法, 从而可以大幅降低信号检测的计算复杂度. 采用低复杂度的单载波频域均衡来抵消水声信道中的码间干扰和异步到达干扰. 仿真结果表明, 基于时延排序的信号处理算法可以获得检测性能的改善, 而且性能增益在高数据率时更加显著. 研究结果表明, 采用有效的信号处理方法可使水声信道中造成信号检测干扰的传播时延成为改善系统性能的有利因素.