连发弹丸爆炸声信号时延估计技术研究

根据声测连发地面炸点技术研究课题的需求,分析了复杂背景下连发弹丸爆炸声信号的特点,研究了一套适用于靶场实际测量环境的多目标信号时延估计技术,主要步骤为信号预处理、目标识别和时延提取。计算机模拟仿真结果表明,算法的时延估计精度可达到1.2毫秒,并可正确分离间隔大于半个信号主脉宽（约10毫秒）的粘连信号。利用课题组自行研制的原理样机采集了实弹射击的声信号,试验处理结果验证了算法的可靠性与正确性,且时延估计误差与数值仿真一致,较好地解决了连发地面炸点目标声学定位中的时延估计问题。     

遗传算法用于波达方向估计的线阵优化

利用遗传算法优化阵列设计来改善声目标波达方向估计性能.研究波达方向估计采用信号相位匹配原理的奇异值分解法SVDSPM,利用遗传算法对线阵进行了优化.优化时,阵列孔径不变,将阵元数目作为优化变量,优化目标是降低DOA估计误差.仿真结果标明:优化后在阵元数目减少的情况下,DOA估计偏差和均方误差更小.而且优化的阵列有好的低信噪比及宽带信号波达方向估计的能力.     

稳健的全阵波束形成方法

由于相干干扰和角度估计误差影响波束形成性能,对此提出一种稳健的波束形成方法。采用加权空间平滑算法去除相干性;对期望信号施加约束,保证一定角度估计误差范围内算法的稳健性;进行全阵波束形成变换,避免阵列孔径损失。仿真结果表明,在相干干扰环境中,该算法的方向图在期望信号方向有明显主瓣,有利于接收期望信号;在一定的角度估计误差范围内,该算法可保持比较高的且比较平坦的输出信干噪比;随着输入信噪比的增加,输出信干噪比几乎线性增大。     

广义相关时延估计在管道泄漏检测中的应用

针对实际检测环境中信号信噪比低,噪声影响时间延迟估计的精度的问题,提出广义互相关方法,并给出利用FFT快速求解算法。在输油管道泄漏检测中的应用结果表明,该方法能有效计算泄漏信号到达管道2端的时间差,计算泄漏点位置误差控制在2%以内,改善了相关运算的时延估计性能。     

基于二次相关的声学测量方法研究

针对传统语音信号时延估计易受噪声和混响环境影响,导致声学测量方法的测量精度降低的问题,提出一种基于改进二次互相关的时延估计方法。首先,采用滤波器对接收的音频信号进行滤波处理;然后通过二次相关算法抑制噪声对信号的干扰,并结合Hilbert变换方法对二次互相关峰值进行锐化处理,从而提升语音信号时延的峰值点检测精度;最后将改进的算法应用到声学测量中进行仿真验证。实验结果表明,在低信噪比SNR=-5 dB和SNR=-10 dB的环境下,对比于广义互相关算法和二次相关算法,提出的改进二次互相关算法的峰值明显度更高,时延估计精确度更高。而在高信噪比和混响环境下,改进二次相关算法的时延估计结果均优于另外两种算法。由此可知,改进的二次互相关算法的抗噪性能更强,时延估计效果更佳,可提升声学测量精度。     

一种基于过零点的时延测量方法

信号传输时间（时延）的测量,是雷达、声纳系统的关键技术之一。本文研究了一种基于过零点的时延测量方法,在建立过零点搜索模型的基础上推导得出时延测量的测量结果表达式;定量分析了高斯白噪声条件下过零点时延测量的测量精度,得到测量误差的理论表达式。仿真与实验表明,过零点时延测量精度与信号频率、过零点数目、信噪比密切相关,当信噪比较高时,其测量精度与经典FFT法相当,而优势在于过零点时延测量的算法简单、计算量小,适用于对实时性要求较高的测量场合。     

最小冗余MIMO声纳阵列结构优化仿真

研究多输入多输出( Multiple - Input Multiple - Output,MIMO)声纳阵列都是以均匀线列阵(Uniform Linear Array,ULA)为主,而非均匀线列阵列(Non - Uniform Linear Array,NLA)能产生更多的虚拟阵元,达到较高的目标检测分辨概率以及估计精度.为了提高检测和估计精度,提出了一种基于最小冗余阵列的MIMO声纳发射接收阵列结构优化算法建立阵列模型进行仿真.仿真结果表明,上述方法设计的MIMO声纳系统在目标分辨概率和估计误差方面性能均有提高,尤其在低信噪比条件下效果更好.     

基于麦克风阵列的时延定位算法研究

针对互功率谱相位（CSP）法在低信噪比环境下,时延估计精度下降这一问题,提出了一种改进的CSP方法。研究了传统的CSP法,分析了语音信号能量在总能量中的比例问题,为保证强噪声环境下,语音信号不被淹没,定义了一个随信噪比变化的非线性参量,通过该非线性参量调节加权函数的大小,进而减小噪声的影响,提高算法的抗噪性能。采用8个线性阵列麦克风采集语音信号,在Matlab平台上,就传统的CSP算法,SCOT算法,改进CSP算法,在高信噪比和低信噪比环境下进行仿真验证,仿真结果表明,改进的CSP方法在强噪声环境下具有更好的定位性能。     

一种音频测距信号到达时刻估计方法

对音频测距信号到达时刻的精确估计是利用音频信号实现远距离无线传感器网络节点定位的关键。研究比较了几种常用的音频测距信号到达时刻估计方法,并提出了一种基于数字整流处理的到达时刻估计方法。它包括信噪比增强、去除直流分量、全波整流、低通滤波、到达时刻估计等过程。该方法在以dsPIC6014A单片机为控制器的节点进行了实验验证,测试结果表明:处理4 096点(12位量化)数据的计算时间约为1.5 s(10MHz时钟),30m距离处的时间值估计误差小于3.5%。     

通信测距复合系统中一种改进的时延估计算法

为了提高低信噪比条件下通信测距复合系统的时延估计精度,在广义互相关算法的基础上,提出一种改进的广义互相关时延估计算法。该方法将互相关函数做指数运算,再进行广义加权处理,抑制了噪声对信号的干扰,把经过傅里叶逆变换得到的相关函数进行高次方运算,增大主峰和次峰的相对值,让峰值更加突出。仿真结果表明,该系统可以完成测距任务与通信任务,并且在低信噪比下具有更好的时延估计性能。     

一种利用叠加降噪提高二次相关TDOA精度的方法

二次相关TDOA算法具有一定的抗噪声性能,但在信噪比很低的条件下无法准确估计出时延。针对二次相关TDOA算法,在低信噪比下可能存在误差的情况,提出了利用叠加降噪提高接收信号的信噪比的新方法,从而提高算法精度。在接收到信号后,算法依据统计学的理论,采用信号叠加降噪的方法提高信号的信噪比,从而提升二次相关TDOA结果的精度。通过仿真结果表明,在低信噪比的情况下改进后的算法在较大程度上提升了时延估计的精度,提高了二次相关TDOA的应用范围。     

3-D Unitary ESPRIT: Accurate attitude estimation for unmanned aerial vehicles with a hexagon-shaped ESPAR array

Accurate estimation of the attitude of unmanned aerial vehicles (UAVs) is crucial for their control and displacement. Errors in the attitude estimate may misuse the limited battery energy of UAVs or even cause an accident. For attitude estimation, proprioceptive sensors such as inertial measurement units (IMUs) are widely applied, but they are susceptible to inertial guidance error. With antenna arrays currently being installed in UAVs for communication with ground base stations, we can take advantage of the array structure in order to improve the estimates of IMUs via data fusion. In this paper, we therefore propose an attitude estimation system based on a hexagon-shaped 7-element electronically steerable parasitic antenna radiator (ESPAR) array. The ESPAR array is well-suited for installment in the UAVs with broad wings and short bodies. Our proposed solution returns an estimation for the pitch and roll based on the inter-element phase delay estimates of the line-of-sight path of the impinging signal over the antenna array. By exploiting the parallel and centrosymmetric structure in the hexagon-shaped ESPAR array, the 3-dimensional Unitary ESPRIT algorithm is applied for phase delay estimation to achieve high accuracy as well as computational efficiency. We devise an attitude estimation algorithm by exploiting the geometrical relationship between the UAV attitude and the estimated phase delays. An analytical closed-form expression of the attitude estimates is obtained by solving the established simultaneous nonlinear equations. Simulations results show the feasibility of our proposed solution for different signal-to-noise ratio levels as well as multipath scenarios.     

数据辅助的时域自相关与互相关联合频偏估计方法

针对数据辅助下突发数据通信中频偏估计精度低和复杂度高的问题,提出了一种数据辅助的时域自相关与互相关联合频偏估计方法。首先,推导出基于通用数据帧结构的频偏估计克拉美劳界（CRB）,同时引入一个形式上更为简单的近似CRB作为估计算法的性能界;然后,在自相关估计中,利用自相关算子和复信号指数化近似得到具有较大范围和较低信噪比门限的自相关算法;在互相关估计中,借鉴自相关估计原理,利用互相关算子获得兼顾低复杂度和高精度的互相关算法。仿真结果表明,所提方法可估计出接近符号速率一半的载波频偏且达到了近似CRB性能;与经典的M&M算法相比,所提方法的估计精度提高了5倍,且从实乘运算来看还具有与导频长度相关的线性复杂度,适用于突发数据通信的工程应用。     

基于四传感器方阵的地震动目标方位角估计

针对地震动目标定位中的信号传播速度不确定性问题,提出了基于到达时间差的四传感器方阵目标方位角估计方法.从理论上推导出四传感器方阵下的目标方位角估计带边界及其最大带宽值,证明了信号传播速度与目标方位角估计之间的弱相关性.根据仿真计算深入探讨了信号传播速度和时延测量误差对目标方位角估计精度的影响.外场实验结果证明：这一方法的地震动目标方位角平均估计误差小于采用三轴地震动传感器的方法,具有一定的实用价值.     

基于应变阵列的小型表面冲击定位系统设计

针对装甲单位对自身外部的观察手段有限,在深入步兵集群内部或陷入遭遇战时通常会有自检手段少,自身健康信息不足等问题,使用特殊内嵌式结构将应变片布置在装甲板内部,以HDOP值作为判断依据设计了应变阵列布置方式,依靠高性能的STM32H743MCU设计了小型系统,通过通道时差补偿、信号时延估计与TDOA定位算法,实现了装甲板表面冲击定位；实测结果表明：对40KHz的正弦波信号五通道采样,使用所设计算法进行补偿后,通道一和通道五的时间同步精度可达97%,时延估计精度在98%左右；装甲表面定位误差小于1cm,能够满足装甲表面冲击定位需求。     

基于插值和周期图法的高动态信号载波频偏粗估计

针对卫星通信系统中接收信号载波动态范围大、信噪比低造成的信号载波同步困难的问题进行了研究。基于联合插值和频域移位平均周期图法的载波频偏估计算法,通过对半符号周期频域移位平均周期图法中各并行支路输出的功率谱峰值波形进行双谱线插值,以进一步降低载波频偏变化率估计误差,进而改善原算法捕获概率。仿真结果显示,当比特信噪比为2.5 dB时,相比于半符号周期频域移位平均周期图法,该算法只增加了一次插值计算就可以实现将载波频偏变化率估计误差降低27%。在同等估计精度和参数设置下,相比于半符号周期频域移位平均周期图法和带补零频域移位评价周期图法,基于联合插值和周期图法的载波频偏粗估计算法可达到更高的捕获概率。     

改进的互功率谱时延估计算法

麦克风阵列的声源定位一直是阵列信号处理领域的研究热点.以互功率谱相位估计法（mutual power spectrum phase estimation,CSP）为代表的时延估计法因为其原理简单、计算量小、易于实现而得到广泛应用.虽然CSP算法在高信噪比环境下有不错的估计效果,但当信噪比较低和声学场景较复杂时,算法效果急剧下降.为了解决这一问题,本文对CSP算法进行改进.通过对CSP算法的时延估计结果进行筛选,剔除不合理的时延值,更新算法参数后重新进行估计以得到合理的时延值,并经过多帧信号加权得到声源的时延值与位置信息.为了验证所提算法的有效性,本文分别在Matlab与真实环境下进行了实验验证,结果表明,改进后的CSP算法相比原有算法在时延估计精度方面有明显改善.     

基于改进MUSIC算法的宽带信号DOA估计

现有的波达方向（DOA）估计算法在估计被动探测系统中的宽带信号方位时,存在DOA估计结果偏差大、运算复杂度高等问题,难以满足信号实时处理的要求。为提高多源信号DOA估计的空间分辨率,提出一种基于S变换且不需要预估信号源个数的多重信号分类改进算法。根据宽带信号的频域特征,利用S变换处理阵列接收信号,得到多分辨的时频谱矩阵,同时构建时频域的阵列信号数据模型,结合信号功率谱矩阵呈联合对角化结构的特点,设计基于S变换的子空间谱估计公式。在此基础上,通过谱峰搜索进行DOA估计,实现多源宽带信号的声源定位。仿真结果表明,在信噪比范围为-15～10 dB的条件下,该算法的估计成功率始终保持在90%以上,相比TCT、CS＿TCT、CWT＿MUSIC算法,其具有较优的估计性能,并且无需预估信号源数。