被动迭代时间反转镜研究

抗除多途信道的干扰,优化被动检测性能是声纳信号处理关注的问题之一。通过仿真揭示了多途信道中单水听器时间反转镜的聚焦效应,研究了被动迭代时间反转镜技术,对其多目标定位选择性、多目标选择聚焦性能作了研究。结果表明利用了海洋信道的相干多途特性,被动时间反转镜可实现多个目标的空间匹配滤波：利用迭代算法,被动迭代时间反转镜可在抑制环境噪声干扰的同时,在信道输出总能量强的目标处实现选择性聚焦。     

多盲孔缺陷的超声兰姆波时域拓扑能量成像方法研究

传统超声成像方法受瑞利准则的约束，难以对缺陷间距小于成像分辨率阈值的多缺陷进行成像。提出了一种基于时域拓扑能量的超声兰姆波成像方法，将逆散射拓扑成像方法中的拓扑渐进过程转换成求解直接声场和伴随声场。然后通过将伴随声场进行时间反转，两个声场将具有在缺陷处聚焦，在非缺陷处不聚焦的特性。将直接声场和伴随声场进行融合，以时域拓扑能量值作为像素值进行成像，从而使表征缺陷的精度较高。建立了缺陷间距小于分辨率阈值的多盲孔缺陷有限元模型，通过“一发多收”的方式激发S0模式和采集缺陷散射信号，并进行时域拓扑能量成像。仿真结果表明：对于多盲孔缺陷，时域拓扑能量成像法能够获得比延时叠加法和时间反转成像法更高的分辨率，并且能在缺陷间距小于成像分辨率阈值时进行成像。     

基于Shannon 复数小波的复合材料结构时间反转聚焦多损伤成像方法

研究了一种基于压电传感器阵列和主动Lamb 波的结构损伤成像方法,有助于克服Lamb 波在板结构中、特别是在复合材料板结构中存在的频散、多种模式及模式转换的现象给结构健康监测带来的困难。分析了结构多损伤散射信号的时间反转聚焦原理,在此基础上提出了一种基于Shannon 复数小波和时间反转聚焦的信号合成成像方法。该方法中,确定Lamb 波响应信号的到达时刻是信号能够准确聚焦的关键因素之一。提出了利用Shannon 复数小波变换计算Lamb 波响应信号到达时刻的方法。在碳纤维复合材料板结构上对整套信号合成成像方法进行了验证。研究结果表明,该方法能够有效地对同一个监测区域中的多个损伤进行成像定位。相对于30 cm ×30 cm 的监测区域,定位误差不超过2 cm。该方法有助于结构健康监测技术的工程应用。      

单水听器被动时反定位研究

介绍了一种基于单传感器的时间反转镜定位基本原理之后，进行了仿真和海试试验数据的验证。仿真数据处理结果表明，该时间反转镜算法能实现被动定位，且具有较高的定位精度。海试试验数据处理同样证明该单水听器被动时间反转镜定位算法的正确性，在高信噪比条件下．单水听器被动时间反转镜定位算法可实现定位。     

基于改进时间反转法的超声导波检测系统构建

针对目前国内自主研制超声导波检测设备能力不足以及常规超声导波检测灵敏度较低等问题,构建一种基于改进时间反转法的超声导波检测系统。利用超声导波线性叠加性,单独激励时间反转信号,再线性叠加检测信号,在LabVIEW环境下,开发基于NEXTKIT信号万用仪和NI PXI-6331采集卡的超声导波时间反转检测系统。实验结果表明:纯净的时间反转信号是获得良好聚焦效果的前提,为窗宽选择提供依据,有效提高小缺陷反射回波信号幅值,为设备小型化提供可能。     

浅海波导中时间反转处理增强信混比能力的仿真分析

针对典型的浅海波导环境,通过计算机仿真研究了目标位于波导中间深度条件下时间反转处理增强信混比的能力以及目标深度的变化对信混比增强能力的影响。对时间反转处理和一般均匀传输产生的目标回波和海底混响强度进行了定量比较。结果表明,在仿真条件下,目标位于波导中间深度时,与一般的均匀传输相比,时间反转处理获得的目标照射强度高10dB～15dB,而相应的海底混响却低了10dB左右,这验证了时间反转处理有效增强信混比的能力,而目标靠近海面或海底时,时间反转处理的海底混响抑制能力有所减弱,当目标位于海底时,由于时间反转聚焦,该距离上将出现一个海底混响峰值。     

基于虚拟时间反转的高分辨率复合材料板结构损伤成像

针对传统时间反转(TR)方法消除Lamb波传播时间和操作复杂的问题, 提出了虚拟时间反转(VTR)方法。该方法采用换元激励和接收机制以保留时间信息, 并运用信号运算代替物理TR操作。讨论了基于阶跃激励获取损伤监测路径传递函数的VTR实现过程。提出了基于VTR的高分辨率损伤成像方法。为了降低复合材料各向异性的影响, 在成像中进行了速度修正。实验结果表明, VTR方法能对碳纤维复合材料板中的Lamb波损伤散射波包进行部分再压缩和TR聚焦, 通过本文中成像方法也能清晰显示出板中单个和两个近邻损伤。      

基于时间反转加权分布的复合材料Lamb波损伤成像

超声Lamb波是检测板状结构损伤的常用方法,然而碳纤维增强聚合物基复合材料（Carbon Fiber ReinforcedPlastics,CFRP）本身的各向异性会对Lamb波的损伤成像和定位造成很大的影响。且大多数检测方法均采用健康结构的检测信号作为参考信号,用差信号的方法来实现损伤成像,该过程容易受到待测结构和实验环境变化等外界因素的影响。针对该问题,采用时间反转和加权分布成像相结合的方法,将其应用在复合材料板状结构的Lamb波损伤检测和成像中。仿真结果表明,该方法能够有效地实现板中单源脱层损伤和多源脱层损伤的二维成像与定位,且具有较高的精度和准确性。     

复合材料板脱层损伤的时间反转成像监测

基于时间反转理论,对主动Lamb波复合材料结构脱层损伤成像监测技术进行了研究。分析了时间反转方法的理论基础以及对波源的信号聚焦过程。根据信号传播自身的特性,研究采用时间反转聚焦方法使损伤散射信号能量叠加放大,从而提高信号的信噪比,分析给出了具体的损伤信号时间反转聚焦增强过程;利用时间反转法对波源的自适应聚焦能力,重建信号传播波动图,通过信号聚焦显示损伤位置和区域。在玻璃纤维复合材料板上的真实损伤实验结果表明,该方法能有效提高损伤散射信号的能量,较为准确地监测出损伤的位置、大致范围等特征。     

稳健的稀疏信号单快拍波达方向估计

通过稀疏重构得到传感器阵列输出数据的稀疏表示模型,研究了单快拍采样情形下的信号到达角(Direction of Arrival, DOA)估计问题。提出了一种基于最小均方误差(Minimum Mean-Square Error, MMSE)准则迭代实现的单快拍到达角估计算法(Iterative Implementation of MMSE, II-MMSE)。该算法将原有的稀疏表示模型中稀疏信号矢量的求解问题,转化为迭代求解稀疏功率对角阵,进而估计多目标信号的DOA。给出了算法的完整实现流程,从理论上分析了II-MMSE算法的迭代收敛性和对阵列模型误差的鲁棒性。仿真结果表明,II-MMSE算法在低信噪比、相干背景、小样本、阵列未校准等条件下都具有良好的测向精度和多目标分辨能力。     

一种适用于低信噪比条件的DOA估计方法

波达方向（Direction of Arrival,DOA）估计技术是信号处理中一个非常活跃的研究领域。但是无论传统的波束形成技术还是现代谱估计技术均适应于高信噪比的环境,当信噪比较低时,这些方法的波达方向（DOA）估计性能急剧下降。根据信号在时间上的强相关性和噪声在时间的弱相关性,提出了一种协方差矩阵的重构方法,该方法能够明显地提高协方差矩阵的信噪比。将新的协方差矩阵应用到最小方差无畸变响应（Minimum Variance Distortionless Re-sponse,MVDR）算法进行DOA估计,改善了传统MVDR算法在低信噪比条件下的DOA估计性能。计算机仿真和定向实验均表明在信噪比较低的环境中可以进行高精度的DOA估计。     

谱校正技术在水下信号波达方向估计中的应用

针对具有不稳定强线谱特征的水下目标,提出了一种基于目标线谱校正技术的信号波达方向估计(Direction of Arrival,DOA)方法,该方法结合矩形窗谱校正技术和全相位修正方法对目标线谱参数进行估计,从而计算目标方位.对该技术进行了仿真研究,并应用于实际水下目标线谱方位估计和单频脉冲波(Cw波)的DOA估计中....     

基于遗传算法的矢量水听器阵相位误差校正

研究了矢量水听器阵各通道存在相位误差时,用MUSIC算法对信号到达方向进行估计的问题,并在利用遗传算法估计相位误差来对阵列流型进行修正时引入自适应概念,得出更加准确的信号到达方向值。采用与适应度函数值相对应的交叉概率与变异概率,逐步搜索,首先计算适应度值,采用轮盘赌法进行选择操作,并保存个体的适应度值,按照适应度分配交叉概率和变异概率,进行交叉变异操作,取得误差的最优解,通过仿真,可以看出引入自适应概念后的遗传算法具有较为精确的估计阵列相位误差的功能。与传统遗传算法相比,此方法能很好地得到全局最优解,并且成熟收敛,计算机仿真结果验证了本方法的有效性和可行性。     

基于过估计信源数的宽带弱信号源DOA估计

为改善MUSIC类DOA估计算法检测弱信源的性能,提出了一种利用过估计源个数和频域峰值统计信息检测宽带弱信号源的MUSIC类DOA估计算法(OSM)。该算法放宽了MUSIC类DOA估计算法过于依赖信源个数质量的限制,OSM把过估计的信源个数输入给MUSIC,提高了正确检测弱信源的概率,同时也增加了虚警概率,但虚假峰值随窄带的变化呈无规则分布。由PPNN和MNT把这一频率域信息引入到信源检测,抑制了虚假峰,提高了OSM的检测性能。其最小可检测信噪比较传统的MUSIC类DOA估计算法降低了6dB。当带宽较窄时,若信号平稳性较好,适当增加一次快拍的采样长度,可提高窄带数目,亦增加了OSM的稳定性。海上实验数据处理得到了和理论分析一致的结果,该数据处理结果也初步验证了OSM算法的良好检测性能。     

低信噪比下重构协方差矩阵的高分辨MUSIC算法

在满足对称分布的海洋噪声场中,为提高低信噪比条件下目标方位估计性能,提出一种重构信号协方差矩阵的MUSIC算法。利用数据协方差矩阵虚部与对称噪声无关的性质,根据协方差矩阵虚部和虚部MUSIC算法的预估角重构出信号协方差矩阵,在此基础上实现MUSIC算法。仿真结果表明,所提算法相比常规MUSIC算法能有效降低对称噪声的影响,提高方位估计性能,并避免双边谱的出现,有更高的分辨率和更低的分辨门限。还研究了协方差矩阵的Toeplitz修正处理对于MUSIC类算法的改善作用。仿真表明,Toeplitz修正处理能显著提高MUSIC类算法的分辨性能。     

噪声干扰对被动声呐系统的影响及仿真分析

在从信号处理的角度,就干扰信号对被动声呐系统的目标信号检测、目标方位估计、接收系统饱和等方面的典型情况进行了仿真分析,定义了噪声掩盖比、方位偏离度、噪声阻塞级等参数,用以表征干扰信号对被动声呐系统的影响,并给出了典型的仿真结果。     

一种频分MIMO声呐的波达方向估计算法

为了使声呐阵列在有限的载体空间内获得较高的角度分辨率,设计了基于频率分集的多输入多输出（MultipleInput Multiple-Output,MIMO）声呐。该MIMO声呐采用N发M收的布阵方式,接收阵为M元均匀线阵,发射阵由N个阵元组成,且各发射阵元发射中心频率不同、包络相同的窄带信号。建立密集式频分MIMO声呐的回波模型,并以此模型为基础提出了波达方向估计算法方向-相位域多重信号分类（Direction and Phase Domain-Multiple Signal Classification,DPD-MUSIC）算法。仿真实验中以双频MIMO声呐为例,将频分MIMO声呐的DPD-MUSIC算法的估计性能与单输入多输出（Single-Input Multiple-Output,SIMO）声呐MUSIC算法的估计性能进行了对比。仿真结果表明,频分MIMO声呐利用DPD-MUSIC算法可以获得优于等接收阵元数SIMO声呐的角度分辨率和角度估计精度。     

双目标相干源窄带信号波达方向估计算法

利用水下目标发出的窄带信号,能够实现目标方向的精确估计。针对均匀线列阵接收水下目标窄带信号的特点,提出一种相干源波达方向(Direction of Arrival,DOA)估计的快速算法。通过精确估计目标信号对应的空间频率,直接计算出单目标或双目标信号的波达方向。对该算法进行了理论推导,通过仿真对算法进行验证,并对影响DOA估计精度的因素进行了分析。仿真结果表明,该算法具有较高的估计精度,不受信号时间长度的影响,算法计算量小,便于实时处理,具有较好的工程应用前景。     

基于测深侧扫声呐的DOA估计算法研究

针对测深侧扫声呐进行波达方向(Direction of Arrival, DOA)估计时会受到阵元幅度、相位误差及低信噪比影响的问题,提出一种改进的波束域加权子空间拟合算法。首先,采用总体最小二乘-旋转不变子空间算法进行回波方向预估计;其次,将连续线阵划分为多个子阵,并将各个子阵在预估计方向做加权波束形成;再次,采用加权子空间拟合(Weighted Subspace Fitting, WSF)算法构造代价函数;最后,采用阻尼牛顿法求解得到高精度的DOA估计结果。仿真结果表明,文中所提算法在阵元出现幅度相位误差条件下的角度估计均方误差相对于WSF算法减少了约0.03°。海试数据分析结果表明,文中所提算法的测深点均方误差整体优于WSF算法,其相对测深精度提高了约9.8个百分点。以上分析结果表明,文中所提算法整体优于WSF算法,可以实现在阵元幅度相位误差及低信噪比情况下的高精度DOA估计。     

三维前视声呐信号处理方法

三维前视声像声呐是安装在小型水下载体上的重要声学探测设备。提出了基于波达方向估计技术的三维前视声呐信号处理方法,接收阵水平方向采用波束形成技术,垂直方向采用波达方向估计技术。在波束内采用分裂孔径相位法提高水平方向分辨率,形成声呐阵前方的三维声像。仿真结果和水池实验结果表明:在接收阵面面积相同的条件下,能够获得优于常规技术的分辨率,可以实现点目标和连续目标的探测,适合于在水下载体上安装使用。