利用正弦调频信号的宽带速度敏感特性抑制混响

有源声呐探测水中低速目标时,混响与目标回波的频率接近,目标回波与混响分离困难。根据运动目标与产生混响的散射体在速度域的差异,利用正弦调频信号(SFM)的速度敏感特性实现目标回波与混响的有效分离。推导了 SFM信号宽带混响抑制能力与速度分辨模糊之间的约束关系,建立了波形优化设计的搜索模型。通过多普勒滤波处理将数据从频率域统一转换至速度域,设定合适的速度门限,去除静止的混响成分。通过仿真分析了 SFM信号的混响抑制能力、调制指数和带宽的关系,在设定的速度范围内平均混响抑制能力较连续波(CW)信号可提高7.5 dB。动目标试验数据的处理结果表明了该方法能够抑制混响中强杂波造成的虚警,通过速度差异性可有效提高对动目标的检测能力。     

非均匀混响统计建模与功率估计

针对非均匀混响中进行恒虚警(CFAR)检测所需的背景功率估计问题,通过对非均匀混响进行统计建模分析,提出一种非均匀混响功率自适应估计方法。所提方法基于排序统计、功率分类等处理,对混响数据服从的统计模型进行判别,根据均匀混响、参杂强干扰混响、混响边缘等具有不同特性的混响成分,选择不同的处理方式进行功率估计。进一步将所提出的混响功率估计方法应用于CFAR检测中,获得一种新的CFAR检测器。仿真和实测混响数据的处理结果表明,提出的混响功率估计方法可以对强干扰和混响边缘等非均匀混响背景进行有效判别和功率估计,提出的CFAR检测器有效提高了非均匀混响背景中的目标检测性能。     

波束域下利用角度散布特征抑制宽带混响

通过研究宽带信号的信源空间展宽特征,提出了一种宽带波束域的混响抑制方法。在有效观测角度范围内,进行密集的波束形成,将数据从阵元域转换至波束域,通过与蒙特卡洛积分得到的参考值比较,得到角度散布指数ADI。信混比越大,ADI越小。因此,设定合适的ADI阈值,去除高ADI值的成分,目标回波能够从混响背景下分离出来。该滤波器兼容于声呐现有的波束形成和信号检测流程,并且计算复杂度低。通过仿真分析了ADI与频率、带宽、信混比的关系。湖海试数据的处理结果表明了该方法能够抑制混响,并且ADI滤波器阈值选取具有容错性。     

利用目标信道特性约束的信道匹配检测算法

浅海有源声呐的探测性能主要受到多途扩展以及混响干扰的影响。为了提高声呐系统的检测性能,根据双扩展信道匹配原理,结合混响信道与声呐目标信道特点,提出了一种基于回波特性约束的信道匹配检测算法。该算法通过最小二乘匹配追踪算法估计信道稀疏响应,并根据混响和目标信道的扩展差异,通过约束目标信道扩展对稀疏信道响应去冗余,得到更精确的目标回波信道响应。利用该信道响应进行信道匹配检测,可以进一步提高信混比处理增益。数值仿真结果表明所提算法可以有效汇集多途信号能量并抑制混响干扰,提高声呐系统的检测性能;海试数据处理结果显示,在试验信道条件下,所提算法处理结果的峰值信混比,与匹配滤波相比提升约7~12 dB,与传统自适应相关器相比提升约6~7 dB。     

一种混响背景下的自适应动目标检测方法

本文提出了一种混响和噪声干扰下动目标检测的自适应方法,其结构为自适应混响抵消器（ARC）加推广的自适应相干累积器（GACI）。用自适应混响抵消实现干扰背景的预白化,用推广的自适应相干累积实现匹配滤波的功能。该方法不需要混响干扰的先验知识,也不需要知道信号参量,就可以实现混响干扰背景下动目标的检测。仿真和试验表明,其具有良好的动目标检测性能,且具有很好的海洋信道适应能力。     

浅海双基地有源探测调频信号直达波消除

双基地有源探测常采用长脉宽探测信号以获取更高的时间增益,容易导致回波弱信号被强直达波信号掩蔽而影响回波检测。针对长调频信号直达波的干扰,提出基于分数阶傅里叶变换(FrFT)的直达波消除方法。该方法利用调频信号在时频分布上的稀疏性,通过对接收信号进行分数阶傅里叶变换分离直达波和回波信号然后在变换域对直达波信号进行去除。远程双基地有源探测的收发距离较远,直达波信号经过长距离传播,浅海多途信道的影响不可忽视,因此通过数值仿真分析了浅海声传播对FrFT消除直达波方法的影响。理论和仿真分析结果表明,FrFT对一定时频分布的调频类信号具有足够的分辨力,可以有效在浅海环境中分离和消除直达波干扰。利用2018年的一次海上试验数据,对基于FrFT的直达波消除方法进行了检验,结果表明该方法可有效消除有源探测中的直达波干扰。该方法计算复杂度低,受浅海频散信道影响小,具有很好的稳健性。     

利用Duffing系统周期跳跃的弱超声导波识别

在超声导波检测中,由小缺陷产生的弱回波信号有可能淹没在噪声信号中从而造成漏检风险,通过分析Duffing系统随策动力幅值变化的分岔特性,获得了系统发生周期跳跃的临界状态,将与策动力同频率的弱回波信号作为干扰项叠加到Duffing系统临界状态中,相当于改变了策动力的幅值,从而引起临界状态的周期跳跃,依据系统的周期跳跃实现了弱超声导波回波信号的识别。进一步研究发现,超声导波导致策动力幅值增加或减小取决于截取信号与策动力的相位差,且两者之间互为异相位,同周期内近似相差π。以此构造了小尺度周期态和大尺度周期态两种检测模型,并利用仿真信号和实验信号检验了检测模型识别弱导波信号的有效性,同时对比了两种检测模型的抗噪声干扰能力,结果表明小尺度周期态检测模型具有结果唯一、抗噪声能力强的优点,该方法可有效的提高超声导波检测小缺陷的灵敏度。     

高分辨率有源声呐强混响抑制技术研究

有源声呐分辨率的提高可以抑制混响,但也使声呐包络数据的统计分布偏离瑞利分布,而更接近拖尾较重的K分布。强散射体所带来的强混响的幅值一般较大,它们使统计分布拖尾更严重,表征K分布的形状参数也越小。强混响作为目标干扰,严重影响了背景功率估计的准确性,从而降低了目标检测的性能。本文基于模糊统计理论,首先提出了用于抑制强混响的模糊统计归一化处理方法;然后对强混响和模糊统计归一化处理如何影响声呐数据分布和CFAR(Constant false-alarm rate)目标检测性能进行了仿真、研究和分析,最后对基于模糊统计归一化处理的CFAR检测性能和传统CFAR检测性能进行了仿真比较。仿真结果表明强混响目标干扰能使K分布数据的形状参数变小,而模糊统计归一化处理可抑制强混响目标干扰,增大包络数据分布的形状参数,提高形状参数估计性能和CFAR检测性能。     

结合卷积神经网络与混响时间注意力机制的混响抑制

提出一种结合卷积神经网络的编解码器模型和混响时间注意力机制的混响抑制算法,该算法通过编解码器模型实现混响抑制,并利用混响时间注意力机制克服混响环境变化对混响抑制效果的影响。该算法在编码器中使用具有不同大小的卷积核来处理混响语音幅度谱,从而获得包含多尺度上下文信息的编码特征;通过引入注意力模块,实现在不同的混响时间环境中选择性地使用不同权重的编码特征生成加权特征;最后,在解码器中使用加权特征来重建混响抑制后的语音信号幅度谱。在模拟和真实的混响环境下,该算法相对于基线系统在语音混响调制能量比上分别取得了0.36 dB和0.66 dB的提升。实验结果表明,该算法可以适应不同混响环境的变化,相对基线系统在真实混响环境下具有更高的鲁棒性。     

采用混响杂波比估计的有源声呐波形杂波抑制性能评价方法

浅海混响中由礁石等强散射体引起的杂波会导致有源声呐虚警、检测性能降低,合理的波形设计可有效抑制此类杂波。虽然使用多普勒敏感波形或减小波形多普勒容限已被证明能够有效抑制杂波,然而只有对当前波形的杂波抑制性能进行量化评价,才能判断当前波形的杂波抑制效果优劣,进而帮助决策是否需调整发射波形,而目前尚缺乏波形杂波抑制性能评价方法的提出。首先通过建模阐述了波形抑制杂波的原理,然后针对波形抑制杂波的性能评价问题,提出了采用混合分布统计模型对混响进行拟合及杂波比估计的方法,最后,通过湖试实验验证了该方法能够有效评价波形的杂波抑制性能。提出的方法利用混响统计特征的参数估计来反映和评价当前波形的性能,对波形体制选择和参数设计具有指导意义。     

冰下运动目标主动探测技术研究*

使用主动声呐探测冰下目标时，混响是无法回避的问题。在大面积冰层覆盖的水域中，混响具有强度大、作用范围广的特点，导致主动声呐对目标探测的性能大大下降。本文针对有着强混响的冰下水域这一应用背景，重点研究了基于低秩矩阵恢复理论的冰下运动目标主动探测方法。该方法运用常规波束形成获取多组方位时间历程图像，然后利用低秩矩阵恢复算法分离图像中的混响背景与运动目标。仿真表明不精确的增广拉格朗日乘子法(Inexact Augmented Lagrange Multiplier, IALM)在等间隔直线阵、非等距线阵和均匀间隔圆形阵三种阵型下均有较好的效果。同时与经典的背景差分法做了对比，表明了低秩矩阵恢复算法具有更好的适应性。松花江冰下实验验证了在线阵情况下低秩矩阵恢复算法的实际应用性。     

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,然后在快时间多普勒频移域上利用WAF探测小目标。给出了理论推导和仿真分析,进行了水池试验。结果表明,该方法可有效抑制强干扰并能准确估计小目标的时延及多普勒频移,在水池试验中约有13 dB的干扰抑制能力。此外,该方法能够容忍归一化幅度起伏方差小于0.5的干扰起伏,提高了有源声呐对运动小目标的探测能力。     

宽带双曲调频信号参数化时频分析波达方向估计

针对有源探测或脉冲侦查中双曲调频信号的波达方向估计问题,提出了基于参数化时频变换(PTFT)的多重信号分类(MUSIC)测向算法,简称PTFT-MUSIC算法。该算法由发射信号确定针对双曲调频信号的参数化变换核,对接收信号进行频域参数化时频变换,利用获得的时频分布建立阵列信号时频分布模型,并以此模型设计基于时频分布矩阵的MUSIC算法以实现双曲调频信号的波达方向估计。通过仿真和实验对该算法的估计误差和多目标分辨性能进行了分析,仿真和海上实验结果表明:相比现有的时频MUSIC算法,PTFT-MUSIC算法能有效提高空间谱分辨率和波达方向估计性能,同时该算法拥有对特定调频信号筛选性,结合时频域滤波算法能有效抑制相干直达波干扰,应用于多基地声呐系统时有效提高了声呐定位性能。     

Generation of broadly tunable picosecond mid-infrared laser and sensitive detection of a mid-infrared signal by parametric frequency up-conversion in MgO:LiNbO3 optical parametric amplifiers

Picosecond optical parametric generation and amplification in the near-infrared region within 1.361-1.656 μm and the mid-infrared region within 2.976-4.875 μm is constructed on the basis of bulk MgO：LiNbO 3 crystals pumped at 1.064 μm.The maximum pulse energy reaches 1.3 mJ at 1.464 μm and 0.47 mJ at 3.894 μm,corresponding to a pumpto-idler photon conversion efficiency of 25%.By seeding the hard-to-measure mid-infrared radiation as the idler in the optical parametric amplification and measuring the amplified and frequency up-converted signal in the near-infrared or even visible region,one can measure very week mid-infrared radiation with ordinary detectors,which are insensitive to mid-infrared radiation,with a very high gain.A maximum gain factor of about 7 脳 10 7 is achieved at the mid-infrared wavelength of 3.374 μm and the corresponding energy detection limit is as low as about 390 aJ per pulse.     

Generation of broadly tunable picosecond mid-infrared laser and sensitive detection of a mid-infrared signal by parametric frequency up-conversion in MgO:LiNbO₃ optical parametric amplifiers

Picosecond optical parametric generation and amplification in the near-infrared region within 1.361-1.656 μm and the mid-infrared region within 2.976-4.875 μm is constructed on the basis of bulk MgO:LiNbO 3 crystals pumped at 1.064 μm.The maximum pulse energy reaches 1.3 mJ at 1.464 μm and 0.47 mJ at 3.894 μm,corresponding to a pumpto-idler photon conversion efficiency of 25%.By seeding the hard-to-measure mid-infrared radiation as the idler in the optical parametric amplification and measuring the amplified and frequency up-converted signal in the near-infrared or even visible region,one can measure very week mid-infrared radiation with ordinary detectors,which are insensitive to mid-infrared radiation,with a very high gain.A maximum gain factor of about 7 × 10 7 is achieved at the mid-infrared wavelength of 3.374 μm and the corresponding energy detection limit is as low as about 390 aJ per pulse.