一种自适应的主动声呐直达波干扰抑制算法

为了克服主动声呐编队作战条件下的直达波干扰,达到检测微弱目标回波信号的目的．提出了一种基于频域分块自适应滤波算法的直达波抑制方法。这种方法将自适应滤波理论和匹配相关技术相结合,首先对接收数据做频域分块自适应滤波,再利用已知发射信号副本进行匹配相关,最后提取目标回波信号。其中,频域分块自适应滤波算法相比基本最小均方算法,计算复杂度降低,收敛速度快,基本保证了主动声呐每个探测周期内的直达波抑制和目标回波的提取。通过数值仿真实验表明：在强直达波干扰存在条件下,该算法对目标回波的提取在精度和鲁棒性等方面均优于以往的直接匹配相关方法。     

融入频域先验信息压缩感知方法的主动声呐回波信号处理

针对弱信噪比时的水下主动声呐回波信号处理问题,从主动声呐入射信号和目标回波信号的先验信息出发,与压缩感知理论相结合,提出了融入频域先验信息的压缩感知方法（Compressed Sensing based on Fequency Prior Information,CSFPI）。针对主动声呐入射信号,获取其频域先验信息,将其作为“原子”融入信号的稀疏分解过程,构建完备频域先验稀疏矩阵。主动声呐回波信号可以等效为携带目标信息入射信号的线性叠加,将该特性与传统正交匹配追踪（Orthogonal Matching Pursuit,OMP）算法结合,形成基于“块”的正交匹配信号重构算法。采用CSFPI方法处理仿真信号来验证理论方法的正确性。进一步,通过主动声呐发射接收装置获取湖上实测数据,用CSFPI方法进行处理。当压缩比为50%、信噪比低至-5 dB时,重构信号的匹配率高于70%。实验结果表明了CSFPI算法在处理低信噪比声呐信号时的有效性。     

脉冲激光成像探测系统回波信号仿真

研究激光脉冲回波信号特性并建立其数学模型,是应用回波信号处理技术处理回波,生成目标三维激光仿真图像的基础.首先建立了激光器发射脉冲信号能量在时间和空间上的分布模型,然后依据成像目标的激光图像仿真模板,采用累加激光脚印各采样区发射脉冲信号与对应目标散射面单位冲激响应卷积值的方法,生成了探测器接收回波仿真信号,最后分析了影响回波信号仿真精度的因素.通过对激光脚印采样区个数的合理设置实现了激光脉冲回波波形的精确仿真.     

主动声纳直达波干扰抑制的盲分离算法

针对舰艇编队作战中主动声纳之间存在的强直达波干扰,提出了一种基于信号统计二阶矩的直达波干扰抑制算法,实现了强干扰背景下的微弱目标回波检测。这种方法将盲分离理论和匹配相关技术相结合,首先对接收数据进行直达波干扰抑制,再利用已知发射信号副本进行匹配相关,最后提取目标回波信号。相比其它强干扰抑制算法,特别是高阶累计量法,该算法具有计算复杂度低的优点。通过数值仿真实验表明：该算法能够对直达波干扰进行有效抑制,对目标回波的检测性能优于直接匹配相关方法。     

声纳目标回声模拟器

本发明是模拟目标回声的装置。它将水听器接收的声纳脉冲改变成模拟回声信号加到发射器上。回声波被模拟成脉冲序列,脉冲的间隔相当于声纳脉冲在被模拟目标上能产生主回波的不连续点之间的传播时间,脉冲的幅度按不连续点的相应目标强度加以控制,脉冲的间隔内加了具有所期望的包络特性的白噪声。模拟信号还引入了选定的多普勒频移。反馈消除电路可以消除声反馈的影响。     

圈养环境下瓶鼻海豚、白鲸、伪虎鲸click脉冲信号特征分析

通过实地采样采集到的瓶鼻海豚、白鲸、伪虎鲸的click脉冲信号数据,对所采集信号分别从时域、频域、时频特性以及距离分辨力等方面分别进行了分析对比。结果表明,三种海洋哺乳类动物均通过不断发射click脉冲串实现对目标的探测,在这过程中可以调节脉冲间隔或信号波形,其中伪虎鲸一部分click脉冲信号的频谱具有双峰的特殊性质。通过对这三种海洋哺乳动物click脉冲信号模糊函数的分析,发现瓶鼻海豚与白鲸的距离分辨力可以达到毫米量级,伪虎鲸相对较差,但也可以达到厘米量级。而随着频谱双峰信号的出现,伪虎鲸click脉冲信号的距离分辨力有明显提高,也达到了毫米量级。     

相关测速声呐模型参数矩阵化求解方法

相关测速声呐的基本原理是“波形不变性”。该原理指出：发射具有一定时间间隔的信号，接收回波相关性最大的两个基元之间的间距与载体移动速度成正比。相关测速算法首先通过回波数据构建数据相关矩阵，然后利用速度估计算法将理论相关模型和回波数据构建的相关矩阵进行拟合得到最优参数信息，进而解算出载体速度信息。文章以简化最优参数求解流程为目标，提出了基于矩阵推导的参数拟合运算方法。该方法通过将底混响时空相关函数模型中的目标参量进行分离，进而将函数转变为矩阵形式，随后通过矩阵QR分解等手段，根据局部最小二乘法推导目标参数的求解公式，并直接求解出目标参数的解析解。仿真和湖上试验数据验证了该方法可以作为一种速度解算方法的可行性，并且具有运算复杂度低的优点。     

基于小波变换的激光超声信号处理研究

激光超声是利用激光照射在媒质中产生的一种超声波,与传统的压电技术相比,它具有非接触,宽带,能定量检测以及时空分辨率高等特点,现已广泛用于材料的无损检测[1,2,3],然而,在对超薄材料的声速的测量中,需要精确测量直达波和回波的时间间隔,但由于受激光超声本身,声传播介质,传感器和测量系统等多种因素的影响,所采集的信号往往是比较复杂叠加波形,如何从中提取有用的波形信息,是测量超薄材料声速的关键.     

一种用于水声运动目标成像的空间散射模型

水声成像过程中为了分析所接收的运动目标回波、理解接收信号的形成机理,提出了一种用于该情况的空间散射模型,并利用此模型仿真了"T"型阵成像声呐接收的回波信号。对信号的分析说明了空间散射模型的正确性。以空间散射模型为基础,利用傅里叶变换波束形成算法对不同条件下的球体目标进行了水声成像,并分析了成像性能。性能分析说明了水声目标大小、距离等因素对成像的影响情况,还特别强调了在运动情况下目标的成像情况。以上工作完成了对"T"型阵水声成像过程的模拟,为成像过程回波信号研究和成像声呐研制提供了理论基础和仿真手段。     

阵列信号维纳滤波用于主动声呐图像增强处理

声呐图像的噪声背景抑制是提高水下目标检测能力的重要问题。针对声呐图像背景斑点噪声强、目标轮廓模糊、目标回波对比度低等问题,利用确定性目标回波信号与随机分布的干扰噪声之间的相关统计特性差异,采用基于最小均方差准则的阵列信号维纳滤波器,通过主动最小方差无畸变响应（Minimum Variance Distortionless Response,MVDR）波束形成和后置维纳滤波的两级处理,去除声呐随机噪声背景。试验数据的处理结果表明：在噪声干扰条件下,相比于常规波束形成（Common Beamforming,CBF）,主动MVDR处理提高了目标回波的局部信噪比,后置维纳滤波处理降低了随机分布的斑点噪声,使声呐图像的清晰度得到增强。     

双基地声呐接收站散射波低截获技术

双基地声呐的接收站因散射主动信号存在暴露的风险,对此提出了基于发射声屏蔽的双基地声呐低截获技术。发射站采用垂直发射阵,利用屏蔽权对原始信号进行预处理,获得的低截获信号在接收站处被自动抵消,从而降低接收站散射信号的能量。仿真结果表明,发射声屏蔽技术能有效增加接收站散射信号到达目标处的能量衰减,而对到达接收站处的待测目标散射信号则无较大影响。该方法突破了以往低截获技术只是改变信号能量时频域分布的局限(在信号处理层面),利用多途结构真实降低了被截获信号能量(在物理层面),并适用于多种信号形式。     

基于伪虎鲸click信号的主动声呐探测信号低截获性分析

为解决现代主动声呐易暴露的问题,提出以伪虎鲸click信号作为主动声呐发射信号波形进行探测,以实现声呐的低截获性。首先通过宽带模糊函数分析了伪虎鲸click信号的分辨性能;然后通过仿真对比单双基地声呐探测模型下,伪虎鲸click信号与常规主动声呐信号的截获因子,验证了其低截获性。结果表明,伪虎鲸click信号三维宽带模糊函数呈现理想的“图钉型”,时延分辨力达到7.644×10^(-6) s,频移分辨力达到7.405 Hz,具有良好的分辨性能;伪虎鲸click信号的截获因子在−4.887~−17.6 dB之间,始终小于0 dB,且远低于常规主动声呐信号,具有优异的低截获性能。伪虎鲸click信号作为声呐发射信号可实现有效与低截获性的声呐探测。     

探测高速小目标的声纳信号波形设计

针对用主动声纳探测水下高速运动的小目标存在的主要干扰,海面,海底混响和接收信号的起伏,讨论了宜采用的声纳信号形式,在混响信道中,对高多普勒目标采用加窗的长ＣＷ脉冲是合适的,而根据多途信道中回波存在的起伏的特点,需要采用多频脉冲,最后给出了用探测高速小目标的声纳最佳发射信号形式和频率编码方案。     

MIMO声纳:概念与技术特点探讨

对多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）声纳的概念和技术特点进行了分析。根据所采用的分集技术的不同,将MIMO声纳分为密集式MIMO声纳（采用波形分集）和分布式MIMO声纳（采用空间分集）。对密集式MIMO声纳的优点如自由度的增加、灵活的发射信号设计、自适应技术的直接使用和虚拟阵列等进行了介绍,并指出其发射阵增益损失对探测距离的限制。将分布式MIMO声纳分为发射／接收全分集的MIMO声纳和仅发射分集的MIMf）声纳讲行介绍,并认为这两种声纳可以并入多基地声纳的范畴。     

一种通用多通道高频相控发射和采集系统

声呐系统性能检测需要一种多通道可控相位信号和多通道大容量高速数据采集系统。通过多种高速数据采集和信号发射方案的对比,选用基于图形化编程语言LabVIEW和相应的硬件设备,设计、研制了一种32通道发射和128通道高速数据采集系统,用于多数声呐系统的性能检测。发射系统利用直接数字合成技术,生成可以单独调节相位的32通道正弦信号;采集系统采用分块读取减少缓冲区数据占用的方式,实现有限数据采集,并采用减少显示图形更新次数、使用DAQmx配置记录函数等方法,实现连续数据采集。测试结果表明,系统实现在采样率为2 MHz时,128通道中每通道1 300 000点的有限数据采集,以及采样率最高为0.7 MHz的128通道的连续数据采集。利用该系统对高分辨率测深侧扫声呐的发射信号进行检测,发射信号正常,系统工作良好。     

密集式MIMO声呐高分辨成像实验研究

为验证密集式多输入多输出(Multi-Input Multi-Output,MIMO)声呐高分辨成像算法的有效性,进行了水池实验并获得了期望的高分辨成像结果。首先,将成像算法分为角度维高分辨成像和距离维高分辨成像两种,分别建立了各自的成像处理流程。角度维高分辨成像基于虚拟阵列波束形成算法,距离维高分辨成像基于大带宽信号合成算法。然后,根据两种处理流程选择合适的发射信号和阵型,并据此搭建密集式MIMO声呐高分辨成像平台进行水池实验。最后,通过与传统单输入多输出(Single-Input Multi-Output,SIMO)声呐的成像结果进行对比,证明了MIMO声呐可结合发射信号、阵型和相应的处理流程获得更高的角度分辨率和距离分辨率。     

混响背景下主动声纳接收信号的可分离性探讨

混响背景下主动声纳的接收信号是否具有可分离性是盲分离在主动声纳抗混响中获得应用的前提条件。在建立混响背景下的接收信号模型的基础上,通过模型中源信号间相关性的分析,提出了一种接收信号是否具有可分离性的判断准则：在绝大多数时延条件下相关系数很小的发射信号,其混响背景下的接收信号具有可分离性。通过主动声纳的两种发射信号（CW和LFM）的仿真和海试实验研究对这一准则的可行性进行了检验。对于符合可分离性判断准则LFM信号,实验结果验证了其混响背景下接收信号的可分离性。     

基于运动平台的海底混响建模与仿真

混响是主动声呐目标检测的主要干扰,混响的建模与仿真对研究水下信号处理具有重要的意义。以海底混响为研究对象,综合考虑发射信号的波形、海底散射体散射特性以及运动平台带来的多普勒频移等影响因素,提出了一种基于运动平台的海底混响仿真方法。该方法同时结合了散射原理与网络模型,具有明确的物理意义,且其仿真实现方法简单高效。最后,通过分析混响仿真信号的瞬时值、包络的概率分布、频谱特性以及时间相关性,验证了该方法对海底混响仿真的有效性。     

The RF-powered surface wave sensor oscillator--a successful alternative to passive wireless sensing

A novel, passive wireless surface acoustic wave (SAW) sensor providing a highly coherent measurand proportional frequency, frequency modulated (FM) with identification (ID) data and immune to interference with multiple-path signals is described. The sensor is appropriate for bandwidth-limited applications requiring high-frequency accuracy. It comprises a low-power oscillator, stabilized with the sensing SAW resonator and powered by the rectified radio frequency (RF) power of the interrogating signal received by an antenna on the sensor part. A few hundred microwatts of direct current (DC) power are enough to power the sensor oscillator and ID modulation circuit and achieve stable operation at 1.0 and 2.49 GHz. Reliable sensor interrogation was achieved over a distance of 0.45 m from a SAW-based interrogation unit providing 50 mW of continuous RF power at 915 MHz. The -30 to -35 dBm of returned sensor power was enough to receive the sensor signal over a long distance and through several walls with a simple superheterodyne FM receiver converting the sensor signal to a low measurand proportional intermediate frequency and retrieving the ID data through FM detection. Different sensor implementations, including continuous and pulsed power versions and the possibility of transmitting data from several measurands with a single sensor, are discussed.