波导环境多目标时延-多普勒解卷成像

有源声呐感兴趣的参量是目标距离和径向速度,它们无法直接观测得到,需要通过估计而获得。利用波导多路径环境多目标时延-多普勒模型,可以导出采样互模糊度函数均值是发射信号自模糊度函数与广义目标反射性密度函数的两维卷积,其中广义目标反射性密度函数为信道扩展函数与目标反射性密度函数的两维卷积。依据信息理论最小Csiszar鉴别准则,可导出R-L (Richardson-Lucy)迭代解卷算法,对采样互模糊度函数均值进行两维迭代解卷积,消除发射信号和信道引入的模糊,序贯地实现时延-多普勒两维像的估计,进而获得多目标的时延和多普勒参量估计。仿真结果和海上实验数据分析验证了R-L解卷算法的可行性和有效性,较之常规的匹配滤波和维纳滤波算法,R-L算法有效地提高了时延和多普勒估计的分辨力和精度。     

主动声呐信息过程的实验研究——声呐信号综合分析仪在信道研究和声呐设计中的应用

本文介绍声呐信号综合分析仪(简称SZY)在主动声呐信道特性的实时测量和声呐设计中的应用原理和方法,并给出部分实验结果.内容包括:1.声呐信号分析:相关、模糊度和谱以及随机数据的统计测量;2.主动声呐信道(水声传输信道、目标散射和混响)特性的测量:时变谱和时变相关、时空相干性和散射函数;3.声呐检测和最佳设计:定位、跟踪、波形设计和信道匹配.     

关于有源声呐检测最佳波形

本文研究仅能量受限下有源声呐检测最佳波形。证明当混响、介质传播和目标散射过程的散射函数为对称函数时,相关接收机的最佳参考波形和最佳检测波形相同,最佳检测波形为一非线性齐次积分方程的解。如果进一步假定散射函数与时延无关,文中证明了最佳检测彼形仅取决于它的幅频特性而其相频特性的选择可自由。本文所得的结论把匹配滤波器的理论推广到存在混响和回波畸变的信道。     

基于OFDM的雷达通信一体化共波形设计

为了减小通信信息对一体化波形模糊函数的影响,以连续波信号为基础,提出了一种基于扩频的多OFDM符号调制的雷达通信一体化信号模型,并分别从波形以及雷达模糊函数的角度对其进行分析。通过对通信信息预扩频后采用OFDM调制的方法,可显著改善一体化信号的模糊函数性能,降低距离维旁瓣。理论分析表明,一体化信号的距离旁瓣由所用伪随机编码序列的自相关、互相关特性及调制的通信信息共同决定,为波形的性能改进提供了指导方向。仿真结果表明扩频因子、子载波数目、数据长度的不同取值对雷达通信一体化信号的距离维模糊函数的旁瓣的影响,为优化一体化信号的性能提供依据。设计的雷达通信一体化信号模型可有效改善对通信信息和多普勒频移的敏感性,满足雷达探测波形要求。     

任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累

现代声呐、水下制导等水声探测系统常常使用窄带脉冲、调制、编码、伪随机等种类繁多的发射信号波形来满足低信噪比检测、高分辨估计、抗干扰、主动隐蔽探测的应用需求.针对这一情况,本文研究了任意信号的长时间积累问题,给出了一种任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累检测方法.通过构建任意发射信号波形的广义模糊函数,将匹配滤波器输出表示为所构造的广义模糊函数,使得任意复包络信号的脉压波形不仅能够用统一的数学模型来表述和计算,而且能够提供多脉冲回波的距离走动信息和多普勒频移信息,为多脉冲距离位置对齐和Fourier变换(FFT)积累提供了依据.对于用广义模糊函数表示的匹配滤波器输出,采用Keystone变换将复包络对齐,消除了距离走动,采用FFT补偿多普勒频移项,实现了任意复包络信号的长时间相干积累.对于水下探测中使用的连续波信号、线性调频信号以及复杂的m序列编码信号、Costas跳频编码信号波形进行了信号积累及检测的计算机仿真,验证了任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累的正确性.消声水池实验验证了该方法的有效性.     

宽带多普勒技术中模糊速度处理方法改进

宽带多普勒剖面仪(BBADCP),利用复相关测频技术和伪随机码性质,测得各水层散射波的多普勒频率偏移,从而得到水流剖面图。复相关算法由于采用反正切函数,测频范围受到限制,会产生速度模糊问题。本文对接收信号作自相关运算,在以前研究者利用时延估计解决速度模糊的基础上,利用复相关测频结果与模糊边界的关系,设计了一种更准确更稳定的解模糊算法。     

双扩展水声信道的时延多普勒域稀疏估计

利用双扩展水声信道在时延-多普勒域存在的稀疏结构,将信道估计转化为压缩感知框架下的稀疏恢复问题可改善估计性能。但是,稀疏恢复经典方法如l_1范数、近似l₀范数无法适应水声信道时延-多普勒域稀疏度的动态变化,而匹配追踪(Matching pursuit,MP)、正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)等贪婪类算法则存在着易进入局部最优解、二维搜索导致运算复杂度高等问题。提出在时延-多普勒域稀疏恢复的目标函数中引入非均匀范数约束(Non-uniform Norm Constraint,NNC),即在时延-多普勒域信道响应中根据每个时延-多普勒域位置的幅值分别分配为l₀或l₁范数约束,因而可通过不同范数约束组合的方式适应不同的时延-多普勒域稀疏度;同时,通过对非均匀范数代价函数进行梯度下降迭代求解并将梯度解投影至解空间推导了非均匀范数稀疏恢复的迭代求解方法,从而实现双扩展水声信道时延-多普勒估计。数值仿真和实验数据处理表明该算法相对经典方法有较明显的性能改善。通过仿真、海上水声通信实验结果可获取结论,利用时延-多普勒域稀疏特性的信道估计方法结合均衡器可有效提高双扩展信道条件下的水声通信性能。     

线谱声源随机运动和随机海洋信道引起的非相干散射

本文采用广义相干函数和广义散射函数的概念探讨线谱声源随机运动和随机海洋声信道引起的非相干散射,指出接收点的散射函数是线谱辐射过程时空过滤函数和随机海洋声信道散射函数的卷积。文中分别给出了声源随机运动和海洋信道随机时延引起的空间频率谱扩展。     

基于车载通信标准街道场景的电磁散射信道模型

针对室外无线信道视距(line of sight,LOS)/非视距(non-line of sight,NLOS)传输环境下的车到车(vehicular-to-vehicular,V2V)通信系统,本文提出了一种基于标准街道散射的统计信道模型,其移动发射机(mobile transmitter,MT)与移动接收机(mobile receiver,MR)处于运动状态,街道两旁分布的散射体固定.由几何模型出发又引入了一种随机的参考信道模型,其散射体有无穷多个,均以平行于街道两侧的散射条纹形式均匀分布在三维(three dimensional,3D)空间的一个二维(two dimensional,2D)矩形内部.在室外街道通信环境下,模型推导了散射信道中发射角(angle of departure,AOD)以及到达角(angle of arrival,AOA)的概率密度函数(probability density functions,PDFs)解析式;研究了多普勒功率谱密度(power spectral density,PSD)及其时间自相关函数(autocorrelation function,ACF);分析了模型多普勒参数以及街道散射体等因素对V2V通信系统性能的影响.与城市、农村的测量信道对比分析,表明本模型仿真的统计特性符合理论与实际,拓宽了室外V2V无线通信信道建模的研究.为评估室外V2V通信系统的传输特性、仿真无线通信系统提供了有力的研究工具.     

利用深海回声多途结构匹配估计目标深度EI北大核心CSCD

提出一种利用深海目标回声多途亮点簇时延和幅度结构匹配估计目标深度的方法。目标回声结构是双程信道传递函数和目标声散射函数的卷积,在深海近海面或近海底条件下表现出回声亮点簇的特性,且亮点簇时延幅度结构与目标深度相关,可用于估计目标深度。建立了在深度-距离网格上利用非线性规划代价函数对目标深度进行匹配估计的方法。分别对簇间时延偏差和海水声速剖面(SVP)偏差对匹配估计的影响进行了仿真分析。一次南海冬季试验结果显示,在水深1 km、距离5~8 km条件下,水下40 m处的目标回声呈现出3个时延间隔约0.3 s的亮点簇结构,将其用于目标深度匹配估计的误差范围在0~65 m。     

Estimation of coherent detection performance for spread scattering in reverberation-noise mixtures

Narrow-band matched filter processing gain is estimated for medium- and high-frequency active sonars for which the random backscattering processes are assumed to be wide sense stationary in time frequency and uncorrelated in delay-Doppler wide sense stationary and uncorrelated scattering [WSSUS conditions]. Echo and reverberation processes that are WSSUS are described by two-dimensional scattering functions defined in the delay-Doppler plane. The average receiver responses are estimated from the convolution of the appropriate scattering function with the waveform ambiguity function. Estimates of matched filter processing gain are derived for continuous wave (CW) linear frequency modulation (LFM), and discrete frequency shift keyed (FSK) (hop code) waveforms reflected from point and uniform delay spread scatterers masked by reverberation. These bound matched filter performance for a particular waveform and interference distribution since most delay spread scattering falls somewhere between these extremes. The scattering and ambiguity functions are modeled by bounded constant amplitude functions in delay-Doppler that permit the convolutions to be approximated by overlapping area calculations. The results are presented in tabular form as simple formulas that are functions of the reverberation, noise, and waveform parameters. The estimates are shown to be consistent with processing gain measurements made from multiple realizations of synthesized and in-water data.     

有源声呐检测的信息原理

本文讨论了有源声呐设计中的三大要素（声呐波形、声呐信道和接收机）之间的相互关系,着重讨论有源声呐信道（包括混响、传播和目标散射过程的信息模型）,提出用统一的推广散射函数和相干函数来描述,并通过对信道输出相关函数以及匹配滤波输出的分析指出这两个函数的物理意义和测量方法,最后还讨论声呐最佳波形和最佳接收机设计的基本原则。     

超宽带散射信号的时域测量及处理

叙述了在超宽带电磁脉冲照射下良导电散射体散射信号的时域测量技术及数据处理方法。描述了产生散射信号的物理过程,散射信号的时域测量步骤、提取方法以及散射体冲激响应的计算方法。通过对铝金属球体散射信号的测量及处理,说明了上述测量技术和数据处理方法是有效的,基本满足逆散射成像的要求。     

超宽带散射信号的时域测量及处理

 叙述了在超宽带电磁脉冲照射下良导电散射体散射信号的时域测量技术及数据处理方法。描述了产生散射信号的物理过程,散射信号的时域测量步骤、提取方法以及散射体冲激响应的计算方法。通过对铝金属球体散射信号的测量及处理,说明了上述测量技术和数据处理方法是有效的,基本满足逆散射成像的要求。     

一种多通道高速数据采集系统软件北大核心CSCD

多通道高速数据采集软件面临:被测信号多样化,通道设置及管理难度大;传输数据并发量大,传输稳定性和瞬时传输速度要求高;测量数据量大,后处理及速度快;实验数据重要性高,测试软件必须稳定可靠的挑战。软件采用模块化+图形化设计,使用SCPI命令对设备及通道进行设置;测试了75台示波器同时上传数据的传输速度;对比了LabVIEW波形显示和GDI+波形绘制的区别;完成了上位机故障情况下数据获取功能设计。结果表明:该数据采集软件可完成75台示波器的管理,实现300通道数据的上传、处理、显示、存储。100 kpts存储深度300通道数据上传时间为9.7 s,300通道波形刷新时间为0.91 s。     

Delay-Doppler deconvolution image formation for multiple targets in waveguide environment

The ranges and radial velocities of targets are interesting parameters in the active sonar, which can't be observed directly but can only be estimated. Firstly, by making use of the delay-Doppler model of multi-targets in waveguide multipath environment, one finds that sample cross-ambiguity function is a two-dimensional(2D) convolution of the auto-ambiguity function of the transmitted signal with the generalized target reflectivity density, which is a 2D convolution of the spread function of channel with the reflectivity density as well. Secondly,from the perspective of information theory, an iterative deconvolution algorithm named R-L(Richardson-Lucy) is derived based on minimum Csiszar discrimination criterion. Finally, the blurs caused by both of the transmitted signal and channel are removed by 2D deconvolution of the expectation of sample cross-ambiguity function, 2D image and then parameters of time-delay and Doppler is estimated sequentially. Results of both numerical simulation and sea experimental data processing verify the feasibility and effectiveness of R-L deconvolution algorithm, which effectively improves the resolution and precision of the time delay and Doppler estimation, when compared to the classical match filtering and Wiener filtering.     

塑料闪烁体阵列探测器读出ASIC中峰值保持电路的设计

塑料闪烁体阵列探测器(PSD,简称塑闪阵列探测器)的输出信号经过前置放大器和滤波成形电路后输出准高斯波形,利用峰值保持电路可对准高斯波形信号的峰值进行采样和保持,以便后续的电子学系统对其进行进一步的分析。本工作采用180 nm CMOS工艺设计并实现了一款峰值保持电路ASIC芯片,每通道主要由跨导放大器(OTA)、电流镜和充电电容三部分电路组成。实验室电子学功能和性能测试结果表明：峰值保持电路功能良好;输入动态范围为33～940 mV,非线性误差优于0.8%,下垂速率好于8.6μV/μs,峰值探测延迟时间小于35 ns,芯片单通道静态功耗为825μW,达到设计要求。     

时变信道相干部分的修正匹配

由于水声信道的随机时变及多途特性,使得以发射信号作参考的匹配滤波器检测性能的下降。本文提出当多途结构具有相对稳定部分时,可采用以下两种信道匹配方法:（1）脉间相关信道匹配法（参见[4]）;（2）解卷求信道响应法,后一方法要求发射宽带短脉冲,用解卷求出的信道响应h（τ,ι）去修正欲发射的其它声呐信号,并把它当作匹配滤波器的响应函数,以提高匹配滤波器对时变信道的适配能力。本文前一部分对各种设定的信道模型,给出了修正匹配的计算机模拟结果;后一部分给出了经4浬和24浬海洋信道传输的数据的修正匹配,并给出了以上两部分修正前后的计算机结果比较。对大信噪比,修正匹配的效果是十分显著的。