参量阵声纳回波信号模拟器设计

本文所设计的信号模拟器基于参量发射声纳,能够对多目标的信号回波进行模拟。通过建立阵元域信号的数学模型,提出了基阵模拟器的软硬件设计方法。对模拟器信号的处理结果表明该模拟器对不同信号、多个目标的设计有效,能够应用于声纳设备的实验室联调和测试,具有实时性强和人机交互性强等特点,为水声设备的试验与鉴定提供了经济便捷的手段。     

超声阵列的多频脉冲压缩方法研究

脉冲压缩方法通过采用编码信号激励与脉冲压缩接收来提高超声检测的时间分辨率和信噪比。然而,受换能器带宽的限制,编码信号的时间带宽积往往有限,影响脉冲压缩效果。开展了基于超声阵列的多频脉冲压缩方法研究,超声阵列是由具有不同中心频率和带宽的多个阵元组成,从而使得整个阵列具有比单个换能器更宽的带宽。提出了压缩后叠加取包络的脉冲压缩方法,并研究了这种方法在提高时间分辨率和主副瓣比上的技术方案,对多频脉冲压缩的超声阵列进行了设计与优化,发现多频脉冲压缩方法能很大程度地提高时间分辨率,并能有效地抑制各阵元信号叠加产生的周期副瓣。理论和实验结果表明,这种压缩后叠加取包络的方法得到的时间分辨率在性能上受阵元带内不平整度的影响很小,能使阵元压缩包络中的主副瓣比得到明显改善。     

双侧回波联合的合成孔径声呐运动补偿算法

利用单侧回波可估计合成孔径声呐基阵的斜距误差,但无法区分横荡误差和升沉误差。针对此问题,提出了一种双侧回波联合的运动补偿方法。该方法首先根据双侧基阵运动误差的几何关系,建立了双侧基阵的运动误差模型,再结合偏移相位中心算法估计基阵的横荡误差和升沉误差,最后利用所估计的运动误差对不同掠射角上的回波进行运动补偿。仿真结果表明:该方法能精确估计双侧基阵的运动误差,其估计值与实际值的偏差为10~(-4) m左右,估计结果的标准差接近克拉美罗下界;对回波进行运动补偿后,能获得比基于单侧回波运动补偿方法更好的成像效果。水下球串目标的湖试数据的成像结果显示,与基于单侧回波的运动补偿方法相比,所提方法能更好地抑制图像的散焦现象。     

合成孔径压缩感知超声成像中的高效能稀疏字典设计

针对目前常见的稀疏字典缺乏针对性,在合成孔径医学超声成像中的应用效果不佳,难以在低压缩率下保证重构图像质量的问题,本文设计了一种高效能的稀疏字典。根据超声回波信号是由发射脉冲信号经过不同延时衰减后叠加的特点,利用发射脉冲作为基函数构造稀疏字典,回波信号在该稀疏字典确定的变换域中具备很好的稀疏性,理论上能使其稀疏表示系数的稀疏度等于超声阵元接收到的反射回波数。通过FieldⅡ对简单点目标和复杂目标的仿真结果表明:在相同的重构算法和压缩率下该稀疏字典重构的平均绝对误差明显小于常见的稀疏字典,其值仅为DWT的几分之一,DFT和DCT的几十分之一,能让回波信号以更低的压缩率实现相同的恢复效果。本文最后使用体模的实际采集数据对算法的实际效果进行检测,实验结果也与仿真结果基本一致。基于该稀疏字典的压缩感知算法可以进一步减少合成孔径成像所需存储的数据量、降低系统的复杂度。     

频域宽带下视多波束三维声成像算法

为解决下视多波束三维成像声呐跨航向分辨率差、旁瓣级高的问题,提出一种频域宽带下视多波束三维声成像算法。该算法将阵元域回波信号通过二维傅里叶变换直接变换到波数-频率域,之后进行深度向匹配滤波,同时选取带宽内的频点进行频域宽带信号的相位补偿,再进行二维逆傅里叶变换回阵元域,实现跨航向-深度向成像处理。沿航向采用时域合成孔径方法,得到三维图像结果.计算机仿真和海上实验结果表明,相比于常规的下视多波束三维成像声呐处理算法,改进的方法跨航向主瓣变窄,角分辨率明显提高,旁瓣降低10～30 dB。相比于传统基于分块DFT的频域宽带波束形成,改进的频域宽带方法避免了跨航向处理中的时域分块插值和多次变换域,复数加法和乘法次数显著降低。改进的频域宽带下视多波束三维声成像算法可以有效地获取水下三维高分辨图像,抑制虚影,明显改善成像质量。同时,计算效率高,更适合于实时成像系统实现。     

频域单快拍压缩感知目标方位估计和信号恢复方法

方位估计和信号恢复分别是水下目标定位、跟踪和目标识别的前提。提出了一种阵列频域单快拍压缩感知的水下目标方位估计和信号恢复方法。首先将阵列接收数据变换到频域,取频域单快拍数据作为压缩感知的测量值,然后根据频域快拍对应的频率、搜索方位和阵列流形构造过完备的阵列流形矩阵作为压缩感知的感知矩阵,最后通过基追踪算法估计搜索方位上目标信号和功率,实现DOA估计与信号恢复。宽带仿真实验数据验证结果表明,同等条件下完成同样的目标方位分辨,提出的方法比最小方差无失真响应方法要求的阵元数和快拍数较少,要求的信噪比更低,恢复的目标信号更加准确,波形相关系数达到89%以上。海上实验数据处理结果表明,目标检测能力优于最小方差无失真响应方法,证明该方法可以适用于实际声呐系统。     

基于超基性机制的5G网络信道安全编码方案

为解决当前5G信道安全编码方案中存在的编码复杂、传输性能较差及数据冗余度高的不足,提出了一种基于超基性机制的5G网络信道安全编码方案。首先,利用5G信道编码过程中的极化序列具有的正交特性,通过模二运算和张量积运算来实现序列特征矢量的极化分割,有效降低5G信道编码过程中冗余比特数量,高效调度传输序列,提升网络信道安全编码效率。随后,考虑5G信道矫正比特序列具有的极化性质,通过正交权向量映射方法,设计二次编码极化方法,用于降低信道预发射过程中存在的冗余码元数量,改善码元拥塞现象,提高信道发射效率,具有较高的信道码元基性极化率。仿真实验表明:与当前常用的时间片分支累积算法(Time Slice Branching Accumulation,TSB算法)、信道最低分割度编码算法(Channel Minimum Segmentation Coding Algorithms,CMSC算法)相比,本文算法具有数据传输带宽高、时间片误比特数低、编码速率快、周期重传次数少等特性,具有很强的实践部署价值。     

基于CFAPA算法的炮弹炸点定位方法

为了获得炮弹炸点的三维坐标,分析了被动五元声阵列定位中的阵元间距和阵型对测量精度的影响,提出了基于CFAPA算法的炮弹炸点定位算法。仿真结果表明:随着阵元间距的增大,定位精度能有所提高,正三角形基阵比圆形基阵定位精度高。并设计了炸点定位系统,进行了炮弹炸点定位的模拟实验。模拟的测量实验结果验证了该炸点定位方法的有效性。     

基于区域相关性的岩石损伤声发射探测与成像方法研究

 为实现岩石破裂过程的超声波探伤成像–声发射一体化监测,深入研究岩石损伤演化与声发射间的关系。在超声波透射型探测和射线追踪成像理论基础上,从岩石内部区域相关的角度考虑岩石的不均匀性、各向异性,构建了基于声发射AST模式的岩石损伤探测成像方法。着重阐述了损伤探测成像方法的原理、离散速度场的构建、分量速度场矩阵的求解、多分量速度场间复合运算规则、待估物元的搜索方法及最终的损伤探测成像方法。通过选择较为完整无明显缺陷的岩石试件、含有严重损伤缺陷的岩石试件以及存在特殊结构的岩石试件,进行成像方法验证。研究结果表明：基于声发射AST模式的岩石损伤探测法具有良好的探测与成像效果,不仅能定位岩石内部损伤缺陷,还能识别与损伤缺陷相关的弱化区域。该方法可以实现超声波探伤成像与声发射信号的同步监测,为后期开展岩石损伤区域圈定、损伤动态发展的跟踪、岩石破裂动态损伤多指标量化评价、岩石破裂损伤演化与声发射间的关系研究提供了基础。     

小尺寸矢量阵的多极子指向性低频测试与校正技术

提出一种在有限空间中小尺寸矢量阵的低频工作段测试与校正技术.在低频测试技术的建立中,引入瞬态段信号以消除有限空间内的多途作用。同时,考虑矢量阵特性下的偏心旋转效应,建立有限空间中的小尺寸矢量阵的阵列流形及其校正方法,在理论上保证基阵误差与被测环境的独立性。然后根据仿真计算与水池实测结果分析瞬态段信号作为校正测量信号的有效性,验证校正模型的合理性与优势。最后通过小尺寸基阵多极子指向性的实现情况给出本文有限空间测量技术的可靠性。结果表明,本文所提技术可有效避免有界空间中的多途影响,实现小尺寸矢量阵的低频测量,为水下小尺寸矢量阵的后续应用提供可靠依据。