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。     

时变信道下的被动时间反转扩频水声通信

本文研究了时变信道条件下采用被动时间反转的直接序列扩频水声通信方案。多通道被动时间反转可通过对信道多径进行时间、空间聚焦实现信道匹配,但低信噪比、时变特性造成的信道特性失配对被动时间反转处理的性能造成严重影响。在垂直阵接收的基础上,本文采用码片级信道估计获取水声信道特性并进行周期性更新,并采用已判决码元产生的扩频码片作为信道估计训练序列,结合应用稀疏信道估计算法抑制零值抽头上的估计噪声,从而可有效改善时变、低信噪比条件下的被动时间反转处理的时、空多径聚焦效果,提高扩频通信性能。通过湖试实验比较了采用稀疏信道估计、传统信道估计算法的时反扩频接收机,以及经典直扩接收机的通信性能,实验结果表明：本文方案可在低信噪比获得较好的性能,并有效抑制时变信道对时反扩频通信性能的影响。     

水下噪声目标被动测距技术研究

运用被动测距声纳中的三元测距技术，通过直接测1、3阵元的时延差来实现时延估计。仿真结果表明，改进的时延估计方法可提高时延估计精度，从而改善测距精度。此外，定义临界距离，并以此为分界点，分别采用K系数分配法和直接测量法对中远程和近程目标进行测距，解决了被动声纳的近程测距模糊问题。将其应用于声纳系统中，可显著提高声纳的被动测距能力，使被动测距声纳可全程测距。     

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。     

基于特征分析的自适应干扰抑制方法在水声目标被动测距中的应用

针对海洋环境中真实目标常常被强干扰掩盖而难以检测与定位的问题,本文提出了一种基于特征分析的自适应干扰抑制（EAAIS）方法,并将其应用于水声目标被动测距。EAAIS方法预先确定目标方向在一个可能的角度范围内,根据接收数据互谱密度矩阵（CSDM）单个特征向量的波束形成,构造合适的判决因子来自适应地估计并去除CSDM特征空间中的非目标信号子空间以抑制干扰和噪声。然后利用修正后的CSDM进一步获得更清晰的目标的声场干涉条纹,通过匹配声强的频谱结构进行水声目标被动测距。海试数据验证了EAAIS方法在强干扰环境下有效实现水声目标被动测距的能力。     

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。     

利用多途时延的被动目标定位方法

本文研究了在海洋波导环境中利用多途时延信息进行水下目标被动定位的方法。理论分析了在等声速理想海洋波导环境中,多途时延信息随时间变化的规律及其与目标运动状态之间的联系。分析结果表明,不需要已知声线类型而仅利用多途时延信息即可实现浅海波导环境中水下目标的被动定位。利用多途时延信息,当有两条声线到达时可以估计运动目标的归一化径向速度;当有三条声线到达时,可实现水下运动目标距离、径向速度的估计。最后利用仿真和实验数据对上述结论进行了验证。     

非正交多址光通信系统信道均衡的虚拟时反方法

室内非正交多址(non-orthogonal multiple access, NOMA)可见光通信系统(visible light communications, VLC)可实现高速率多用户通信,但多径效应会造成通信可靠性及用户公平性明显下降,为此,提出一种虚拟时间反转技术(virtual time reversal mirror, VTRM)对NOMA-VLC进行信道均衡,消除多径效应对通信过程的影响。分析了多用户场景下室内NOMA-VLC系统模型及其通信光链路的特性,依据光链路增益的稀疏特性采用稀疏度自适应匹配追踪(sparsity adaptive matching pursuit,SAMP)算法,估计NOMA-VLC系统的信道冲激响应(channel impulse response, CIR)。在此基础上,采用VTRM方法对NOMA-VLC进行信道均衡,通过VTRM的时空聚焦特性减少信道衰落影响,并重构接收信号,抑制多径效应。理论分析和实验结果表明：经论文算法均衡后的NOMAVLC系统,在满足前向纠错(forward error correction,FEC)误码率阈值的同...     

水声无源材料回声降低测量时反聚焦方法

提出了利用时间反转(时反)聚焦技术的水声无源材料回声降低测量方法。首先实现有界水声环境下有、无试样接收信号的时反聚焦,然后利用聚焦信号测量试样反射系数,最后通过标准试样对反射系数进行修正,从而得到试样的回声降低测量值。在小型水池中进行了铝板试样和钢板试样回声降低的测量,铝板试样的尺寸为1.1m×1.0×0.005m,测量频率范围为3~20kHz,钢板试样尺寸与铝板试样相同,测量频率范围为0.5~20kHz,测量结果经修正后与平面波理论计算值基本一致,和理论计算值的相对误差小于10%,扩展不确定度小于1.5dB。本方法采用时反原理实现了接收信号的空时聚焦,提高了测量信混比,因此适用于非自由场环境下无源材料回声降低的测量试验,尤其适用于低频的回声降低测量。     

使用稀疏贝叶斯学习的水声多途信道盲估计

提出了一种使用稀疏贝叶斯学习(SBL)的多途信号盲解卷积方法对水声多途信道的信道脉冲响应(CIR)进行盲估计。该方法利用垂直阵和多频SBL获得宽带舰船声源在不同垂直到达角上的复数域多频点信号,取其相位对垂直阵接收信号匹配滤波,得到每条路径上的CIR,将多路径CIR相干叠加得到最终的多途CIR结果。仿真与海试数据处理结果表明,相比于原有的基于交替投影的多途信号盲解卷积方法,所提出方法有以下几个好处:(1)无需准确预估多途信号数目;(2)分离的多途信号的方位更准确且信号相位更可靠;(3)有效获取了舰船与阵列之间的CIR.并且将弱路径CIR的平均时间估计误差从4.7 ms缩小到1.0 ms.显著提高了弱路径CIR的时间估计精度。使用稀疏贝叶斯学习的多途信号盲解卷积方法能够有效提高多途环境下水声信道盲估计的性能。     

Coherent underwater communication using passive time reversal over multipath channels

Passive time reversal exploits underwater acoustic channels’ spatial and temporal diversity. It can refocus multipath propagated signal at the receiver and can be realized simply by the passive phase conjugation (PPC) method. By the temporal focusing, time delay spread caused by multipath propagation is mitigated for spectral efficient coherent communications. However, the PPC method is unable to eliminate multipath and is limited by channel variations. An adaptive equalizer is therefore needed to compensate residual multipath after refocusing and to track channel temporal variations. Spatial diversity is obtained by using a vertical receiving array. In this paper we used 4-hydrophone array and demonstrated that the adaptive decision feedback equalization in conjunction with PPC significantly decreased the bit error rate.     

无源时间反转镜在水声通信中的应用

提出单阵元无源时间反转镜(PTRM),在对声信道没有任何先验知识的情况下可与信道自动匹配,实现自适应聚焦。并将其应用于Pattern时延差编码(PDS)水声通信体制,构成无源时间反转镜Pattern时延差编码水声通信系统(PTRM- PDS)。通过计算机仿真研究及湖试,验证了PTRM-PDS系统能够抑制声信道多途扩展产生的码间干扰,可在时变、空变的声信道中实现低误码率通信,具有很好的鲁棒性。     

基于主动式时间反转镜的声呐目标强度测量研究

为提高目标强度测量过程中的抗噪声、混响以及浅海多途干扰性能,从军标文件中的目标强度测量方法以及主动式时间反转镜的基本原理出发,经过研究和推演,发现可将基于单阵元的主动式时间反转镜与相关器结合应用于目标强度测量过程,提出了一种新的目标强度测量方法。该方法利用了主动式时间反转镜的抗多途特性,使得测量具有抗多途的性能;利用噪声与信号的不相关特性,算法结合相关器起到了很好的抗随机噪声效果;混响中的体积混响是随机的,算法具有抗体积混响的性能。论文分别从理论仿真和水池实验验证了算法的有效性和正确性。     

近程目标距离的实时估计研究

本文首先介绍了两种利用近程目标辐射噪声实时被动测距的快速算法,理论仿真和实验分析的结果表明这两种算法都是可行的。     

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.     

基于时间反转扩频的隐蔽水声通信方法

针对低信噪比条件下水下小尺度平台与通信浮标间进行隐蔽水声通信时,强多径干扰导致通信困难的问题,提出了一种基于时间反转技术的直接序列扩频隐蔽通信方法。该方法利用多通道主/被动时间反转的空时聚焦效应,提高了低信噪比条件下直接序列扩频通信的抗多径干扰能力,并且具有良好的低检测概率通信能力。仿真和水池实验结果表明:该方法满足水下小尺度平台处理结构简单、低功耗的要求,实现了水下单阵元平台与通信浮标之间的双向隐蔽通信。     

基于时间反演的局域空间多目标均匀恒定长时无线输能

在局域有限空间中,如何保证电磁能量的多目标精准均匀恒定无线传输是亟待解决的科学难题.本文针对此难题,以具有时空聚焦特性的时间反演技术为基础,提出一种自动区域选择信道匹配的恒定均匀无线输能方法.该方法不仅能够依据多径信号的贡献率,自适应性地补偿不同目标处的信道差异,还可以利用距离系数动态划分时间反演镜阵元的工作范围,降低不同目标间的相互影响.在提高能量聚焦精度的同时,解决微波无线输能(microwave power transmission, MPT)中多目标能量非均匀传输的问题,从而实现长时间恒定的多目标均匀MPT.     

单水听器被动测距的脉冲周期最接近法

为了解决单水听器对运动目标的被动测距的问题,提出了一种基于最小二乘的脉冲周期最接近法。该方法适用于目标发射固定周期脉冲信号,推导了目标运动参数与单水听器接受信号脉冲周期的关系式,构建一个长方矩阵,在最小二乘意义下,计算目标最接近距离和速度。使用泰勒展开公式,分析了算法的误差特性。为单水听器被动测距提供了新方法。仿真结果表明了新方法的正确性。