联合重叠压缩感知法消除水声通信系统限幅噪声

针对正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)水声通信系统的高峰值平均功率比(Peakto-Average Ratio,PAPR)问题,在发射端采用了压扩变换法和限幅法联合的方法降低PAPR。由于限幅法会产生带内干扰和带外噪声,降低通信系统的误码性能,因此利用限幅噪声的稀疏性,在接收端采用压缩感知(Compressed Sensing,CS)法对限幅噪声进行估计和恢复。限幅噪声的估计受信道估计准确性的影响,为提高限幅噪声估计的准确度,提出了重叠压缩感知算法,在恢复限幅噪声的过程中利用了压缩感知信道估计法估计所得的信道信息和发射数据对限幅噪声进行估计,有效降低了限幅法对系统误码性能的影响。仿真和水池实验验证了该算法的有效性。     

浅水时变多途信道特性分析与模型实验研究

时变多途水声信道是影响水声通信性能的一个重要因素,深入了解水声信道挣性并对水声信道进行建模具有重要的研究意义。本文在分析传统时变信道模型基础上,从时域角度出发,提出采用AR(ρ)模型对已有的浅水时变多途信道模型中的小尺度衰落分量进行修正。然后基于莲花湖实测信道数据,分析了时变信道各个路径的幅度、时延、时间相干系数、系统传递函数等特性,并对修正模型进行了验证正。从仿真结果来看,修正模型与试验结果拟合的很好。本文从多个方面对水声信道特性进行了分析,有助于对水声信道的深入了解,同时为水声通信系统性能评估提供了一种仿真信道模型。     

多途条件下近场声源三维被动定位

为了解决近场被动目标的三维定位问题,在多途条件下提出了一种水平阵定位方法。任意选择扫描深度获得二维声图测量结果,进而在二维扫描平面搜索谱峰,得到目标信源与海面镜像虚源的聚焦点位置;利用它们的几何关系对测量结果进行修正,得到目标的三维坐标。仿真结果表明：不同的扫描深度对定位精度的影响较小;随着目标远离阵列,定位误差逐渐增大;在靠近阵列的区域里,多途聚焦点与直达声聚焦点混叠,方法失效。因此,该方法可以在多途条件下对一定范围内的近场被动目标实现三维定位。     

Bayes匹配场地声参数反演:多步退火Gibbs采样算法

为实现海洋地声环境参数的快速高效反演,提出多步退火Gibbs（Multi-AG）采样算法,可消除因参数搜索空间设置对参数反演结果的影响,并有效解决Bayes匹配场高维参数反演过程中常见的运算量大、旁瓣高等问题。分析待反演地声参数对匹配场处理器的敏感性,用以制定多步反演与退火方案,利用Gibbs采样算法反演敏感性级别最高的参数,计算其均值并代入后续反演步骤,进而采用退火Gibbs采样算法逐步反演后续参数;利用数值仿真实验对比Metropolis-Hastings算法、Gibbs采样算法、快速Gibbs采样算法和Multi-AG采样算法的反演效果。实验结果表明,与其他3种算法相比,Multi-AG采样算法可通过最小的计算量得到均方差最小、精度最高的参数反演结果。     

基于分频带传输的单载波水声通信技术研究

针对正交频分复用技术的峰均功率比较高且对多普勒频偏敏感等问题,提出基于分频带传输的单载波水声通信技术,为水下高速通信领域提供了一种可行性方案。该方案将相对较宽的通信频带划分为若干子带,在每个子带间插入保护频带,以消除载波间干扰。开展了水声通信试验,发射换能器频带被划分为两个子频带,每个子带带宽为2.25 kHz,子频带保护间隔为0.75 kHz,载波频率分别为3 kHz和6 kHz. 采用被动时间反转镜联合判决反馈均衡器的接收机结构抑制码间干扰,当映射方式为8相移键控时,3 km、5 km和7 km距离上的试验数据均实现了通信速率为9 kbit/s的 低误码率数据传输,验证了该系统的稳健性。     

强相干干扰下基于二阶锥规划的圆弧阵宽带二维成像

该文针对水下目标2维成像在强相干干扰情况下,目标亮点容易被淹没的问题,以及圆弧阵波束的高旁瓣给图像检测带来较多虚警的缺陷,提出基于二阶锥规划的宽带2维成像优化方法。该方法在对相干干扰抑制的同时,很好地控制了波束的旁瓣。分析了2维成像算法流程中由于时域滑窗导致阵列的接收信号矢量与阵列流形不同,造成二阶锥规划设计的权值与阵列的接收信号矢量失配,旁瓣控制和零陷设计无法满足设计的要求。针对该问题提出利用计算出的滑窗理论阵列的接收信号矢量代替阵列流形来进行二阶锥权值设计的方法,通过改进的二阶锥权值,将波束优化与圆弧阵的2维成像优化相结合。计算机仿真和水池实验都验证了该方法的有效性。     

基于ESPRIT算法的L-型矢量阵源方位估计

建立了水平L-型矢量水听器阵列的数据模型,研究了利用ESPRIT算法同时对目标的水平方位角和仰角进行高分辨率角度估计,仿真L-型矢量水听器阵对单个源和多个源的方位估计情况,并和相同阵型的声压阵方位估计性能进行比较,结果表明,相对于声压阵,矢量阵可以在不增加阵孔径的前提下提高对单源方位估计的精度,获得的增益为6dB左右,同时提高了对多目标方位的分辨能力。     

水下复杂壳体的声学相似性研究

采用有限元和球函数相结合的方法,建立水下复杂壳体——两端带半球壳的弹性圆柱壳的振动、耦合振动和声辐射方程,运用方程分析法,导出水下复杂壳体的振动、耦合振动和声辐射的相似关系,根据建立的相似关系实现对壳体的振动响应和声辐射的预报．运用大型有限元软件ANSYS对具有相似关系的模型和原型的振动响应和声场进行数值分析,算例表明,该方法切实可行并且为预报水下大型复杂结构体的振动响应和耦合声场提供了一种简洁、实用的研究方法．     

基于空间平滑的多波束测深声呐相干分布源方位估计

在多波束测深声呐的工作环境中,若海底反向散射信号不满足点源假设,方位估计精度将严重下降,而基于分布源模型的方位估计算法可以适应这种环境。目前,大多数分布源算法要求分布源之间不相干,有人提出采用Toeplitz方法估计相干分布源,但该方法精度不高并且忽略了角度扩展参数。为解决多波束测深声呐相干分布源的方位估计问题,提出了基于空间平滑的广义MUSIC方法,公式推导证明了算法的有效性,通过计算机仿真给出算法方位估计的精度以及不同信噪比条件下的性能,最后采用多波束测深系统的实验数据对算法进行了验证。     

基于投影变换的声纳图像特征提取与识别

用投影变换的方法进行了成像声纳采集的水声图像特征提取与识别。阐述了Radon与扇束投影变换的特点与关系,并提出了一种基于图像边缘Radon变换的水声图像矩特征提取和识别方法。首先使用一种形态学边缘提取算子和细化算法提取二维图像中目标的轮廓,构造目标轮廓在 Radon变换空间的平移、比例和旋转矩不变量,并应用于三类水下物体的分类识别中,实验仿真结果表明该方法在运算速度上优于Hu’s不变矩和图像目标面Radon投影空间不变矩,具有很好的性能和较高的实用价值。