单矢量水听器的几种DOA估计方法

针对单矢量水听器,将旋转不变技术(estimation of signal parameters via rotational invariance techniques,ESPRIT)等参数估计算法用于直方图统计,并提出了基于单矢量水听器的多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)算法,推导出波束形成的功率谱公式和半功率波束宽度公式以及不同声压振速组合情形下定向性能的理论下界,同时也对其他波达方向(direc-tion of arrival,DOA)估计方法进行了总结。理论分析和实验结果表明:ESPRIT等用于直方图统计后能够获取更为全面准确的目标信息;MUSIC算法可获得比最小方差无畸变响应(minimum variance distortionless response,MVDR)更高的分辨率,而且同样满足实时处理要求;MVDR的半功率波束宽度与信噪比大致呈现反比例关系,而常规波束形成(conventional beam-forming,CBF)的半功率波束宽度收敛于131.06°,两者都只与信噪比有关;声能流法等适用于较高信噪比情形,而波束形成和子空间方法的定向精度在较低信噪比情形下仍能接近理论下界,尤其是波束形成具有良好的宽容性;功率谱估计的3种算法具有相同的估计误差边界;各定向算法的时间花销都较小,均可应用于实时系统。     

单矢量水听器被动测距方法研究

提出一种利用单矢量水听器接收信号的相位信息实现目标被动测距的方法。该方法借鉴匹配场被动定位的思想,首先根据简正波声场模型建立匹配模板,然后引入图像处理中的相位相关算法,将目标的相位信息与模板进行匹配,从而得到目标的距离。对该方法的有效性与稳健性进行了详细地研究与分析。仿真结果表明,该方法可以有效地实现目标的被动测距,且具有稳健性强、计算速度快、不需要考虑阵型姿态失配等优点,是声呐信号处理的新途径,为实际的工程应用奠定了理论基础。     

MEMS矢量水听器海洋环境适应性研究

海流、温度及压力等复杂海洋环境因素会对微机电系统（micro?electro?mechanical?system,简称MEMS）矢量水听器正常工作产生干扰,影响其对微弱声信号的拾取能力。首先,建立了基于“三明治”式抗流封装结构数学模型,通过仿真得到了不同抗流结构参数对海流噪声抑制效果;其次,利用Comsol软件仿真研究了海水温度、水深（静水压强）等变化对MEMS矢量水听器灵敏度的影响;最后,通过试验验证,得出了“三明治”式抗流封装结构具有20?dB以上的抑制流噪声能力,在0~40 ℃的海水温度范围内MEMS矢量水听器的灵敏度变化量小于±0.5?dB,在0~12?MPa的静水压强范围内灵敏度变化量小于±0.9?dB,与理论分析及仿真结果基本一致。     

基于确定压缩采样的矢量水听器阵列舰船目标方位估计

使用较少的硬件电路和计算量实现高分辨率的目标方位估计一直是海域防御系统具有挑战性的研究工作。本文将压缩感知理论应用于矢量水听器阵列,利用确定测量矩阵建立了确定压缩采样的矢量水听器阵列（deterministic compressive sampling vector hydrophone array,DCV）结构,并将其与改进的多重信号分类算法（modified multiple signal classification,MMUSIC）相结合,提出了确定压缩采样的矢量水听器阵列的MMUSIC（DCV-MMUSIC）算法。将该算法用于相关或非相关模拟舰船目标的方位估计,通过对算法的可行性、高分辨能力和改变测量次数、信噪比和快拍数等多种仿真,得出该算法可以在低信噪比和小快拍下对舰船目标进行方向估计,并且具有使用硬件电路少、计算量低和估计偏差小等优点。又将其用于实际商船目标的方位估计,得到了较好的方位估计性能。     

一种基于加权子空间的稀疏表示DOA估计算法

针对未知互耦条件下的波达方向（DOA）估计问题,本文提出一种未知互耦条件下基于加权子空间（WSF）的稀疏表示DOA估计算法。新算法在原有l1范数优化模型基础上引入一个子空间加权矩阵,并推导出了一个使得DOA估计方差取得最小值的最优子空间加权矩阵。仿真实验表明在低信噪比情况下,新算法能进一步提高稀疏表示估计算法的抗噪能力,获得更好的估计精度。     

应用分数低阶循环相关估计单电磁矢量传感器的波达方向和极化参数

提出了一种在α和高斯混合噪声以及循环平稳干扰并存背景下基于分数低阶循环相关(FLOCC)联合估计单电磁矢量传感器波达方向(DOA)和极化参数的多重信号分类(MUSIC)方法。该方法利用信号的循环平稳特性,采用分数低阶循环相关函数抑制α和高斯混合噪声以及循环平稳干扰信号;然后利用MUSIC方法对单电磁矢量传感器的DOA和极化参数进行联合估计,并利用DOA参数与极化参数的相互独立性,将传统MUSIC方法的四维搜索简化为两次二维搜索,从而有效地减少该算法的计算量。对所提算法与基于分数低阶矩的MUSIC算法进行了实验对比。结果显示:提出的方法可充分地抑制与待测信号循环频率相异的任意循环平稳干扰信号;在α和高斯混合信噪比为0dB,信干比为3dB时,估计得到的DOA和极化参数的均方根误差分别为0.3°和0.7°,明显优于基于分数低阶矩的MUSIC方法。     

用于矢量水听器的加速度敏感结构

同振式矢量水听器中常用的商用压电加速度计具有质量较大的缺点,限制了矢量水听器的性能提升。为了解决该问题,设计了一种三轴加速度敏感结构,采用厚度剪切压电效应,具有质量轻、灵敏度高等优点。该加速度敏感结构的质量仅为0.039 kg,灵敏度在200 Hz处约为3 000 mV/g,工作频段为20～2 000 Hz,工作频段内最大横向灵敏度比小于8%。将该加速度敏感结构安装在球形耐压矢量水听器中进行测试,其直径为72 mm,x,y,z通道在200 Hz处的等效声压灵敏度级分别为-191.6,-191.4和-191.8 dB,具有良好的余弦指向性,各通道一致性较好,证明其适合应用在矢量水听器中。并与安装商用加速度计的矢量水听器进行对比,证明其能够有效降低矢量水听器的平均密度,提高灵敏度。     

适用任意平面阵列的二维宽带DOA快速估计算法

二维宽带波达方向(DOA)估计对实现水声通信定位一体化具有重要作用。双边相关变换(TCT)算法是高分辨宽带DOA估计的经典算法之一,但只适用均匀线列阵下的一维DOA估计,且计算量大。本文在对TCT简化算法(STCT)进行扩展改进的基础上,提出了一种适用于任意面阵列且具有低计算复杂度的二维宽带DOA快速估计算法。所提算法利用水声通信同步信号的已知波形对阵列输出数据进行匹配预处理,有效压缩了聚焦变换所需频点数量,从而降低了聚焦变换过程的计算量;利用余弦域加速粒子群最优化(APSO)搜索二维空间谱谱峰,在保持高搜索精度的同时显著降低了搜索计算量。相较于单纯的STCT扩展算法,所提算法保持高DOA估计精度,在信噪比为20 dB时精度约为0.02°,但计算量远低于前者。仿真和实验结果验证了所提算法的优势。     

MEMS同振型仿生矢量水听器实验测试

MEMS(Micro Electro Mechanical System,微机电系统)同振型仿生矢量水听器采用MEMS二维仿生矢量水听器和标准声压水听器一体化封装,保证了通道间的严格正交,海试环境下性能测试具有“8”字形余弦指向性和较高的灵敏度.在性能测试的基础上对水听器的定向能力进行了实验研究,实验结果表明:同振型矢量水听器能够实现声目标定向(定向误差小于3°)和运动目标的航迹跟踪,为后续的工程化应用打下了基础.     

基于MEMS矢量水听器微弱信号提取电路的设计与测试

文中介绍了一种基于纤毛式MEMS矢量水听器微弱信号提取电路。该电路采用两级信号放大,两级之间设计二阶巴特沃斯低通滤波器。该电路设计经电路仿真软件进行仿真和水下测试。测试结果表明:该微弱信号提取电路可以很好地对水听器采集到的信号进行放大,表现为水听器的接收灵敏度为-160 dB(0 dB=1 V/μPa)。采用这种电路设计的MEMS矢量水听器不仅具有令人满意的"8"字形方向特性,而且具有良好的低频特性,可以满足低频声学测试需要。     

一种符合IEEE1451.4协议的声矢量传感器智能化方法

智能化的矢量水听器可以有效降低系统最小平均维修时间,提高系统可靠性和可维性.在分析目前矢量水听器内部振子结构和原理的基础上,提出符合IEEE1451.4标准的通用矢量水听器的TEDS单元和读写电路器及软件的设计方法.设计结果表明:该系统具有即插即用和智能化特点,并具有二次开发的潜力.     

基于微力传感的扫描近场声显微镜

描述了一种用于检测超精表面形貌的扫描近场声显微镜 (SNAM )。以谐振频率为 1MHz的未封装伸长型晶振作为微力传感器逼近样品表面 ,在此过程中晶振受到流体阻尼 ,其振动特性发生变化 ,通过检测振动幅值的变化即可获得样品表面形貌信息。在分析SNAM检测机理的基础上设计了SNAM系统 ,测量时的垂直分辨率可达到纳米级     

一种基于能量加权的阵列宽带信号定位算法

提出了一种基于能量加权的阵列宽带信号定位算法.首先,对宽带信号使用MUSIC算法在频域进行方向估计;再根据信号在各个频点能量的大小,对相应频点的估计值进行加权,从而得到最终的方向估计值.该算法克服了随机选择频点定位算法不稳定的缺点,同时也优于对各频点方向估计值进行等权平均的算法.仿真结果验证了该算法的优越性.     

基于nu-支持向量机的软测量技术

利用支持向量机(SVM)来进行软测量建模,首先简要介绍nu-SVM的基本原理,随后利用它来建模重油催化裂化装置.理论分析和仿真研究表明,该方法泛化能力强、对样本的依赖程度低,比基于神经网络的软测量具有更好的性能.     

基于链路质量的水声传感器网络路由算法

水下声信道是一个极其复杂的信道,它对网络性能的影响很大。在采用位置信息作为依据选择路由的机制中,忽视恶劣的水下声信道对网络性能的影响造成大量数据重传,能量利用率低,网络生存期短。针对这个问题提出了一个基于链路质量估计的路由算法,通过历史记录估测当前信道传输状况作为路由选择的依据。仿真结果表明该算法能显著减少数据重传,提高能量利用率,延长网络生存期。     

基于传感器集成模块的PMSM矢量控制实验研究

对传感器集成模块的硬件结构和软件功能进行讨论,构建概念性传感器集成模块,丰富了电力电子系统集成模块的类型,并采用该传感器集成模块实现永磁同步电机矢量控制运行。传感器集成模块能有效实现电机端电压和电流的检测、转子位置和速度的估计、磁链和转矩的观测,是高性能电力电子集成传动系统的重要组成部分。     

一种新的基于DSP的声时延估计方法

针对传统声时延估计算法速度较慢的问题,提出了基于脉冲声源和DSP的时延估计方法.声脉冲信号可认为是脉冲信号对声信号的调制,解调出脉冲信号,利用DSP捕捉单元捕捉脉冲边沿,即可得到时延估计.该方法不需要对声信号进行数模转换,也不需要大量数据处理,速度较快.设计了系统硬件电路,通过实验验证和分析,证明了该方法能够满足高速定位的需要.     

面向数控加工的三角网格法矢量及曲率估算

在面向三角网格曲面的数控加工中,网格曲面的曲率估算精度对数控加工刀具路径设计和加工质量具有重要的影响。针对数控加工需求,提出了一种三角网格曲面中网格节点曲率的精确估算方法。该方法引入网格形状因子,综合考虑三角形的形状和面积两个因素对网格节点法矢量的影响,得到了更为精确的法矢量,从而获得网格节点处更为精确的曲率估算值。此方法能够有效提高三角网格节点曲率估算的精确度,提高了三角网格曲面刀具路径设计中的刀位点计算精度和数控加工精度。     

基于无线传感器网络自校正定位算法

节点定位是无线传感器网络的重要应用之一,为了抑制实际应用中各种环境因素对无线传感器节点精度的影响,提出了一种基于误差校正的定位算法。通过基于粒子群优化算法的粒子群优化-接收信号强度指示算法(par-ticle swarm optimization-received signal strength indication,简称PSO-RSSI算法)将未知节点收到信标节点一定数量的存在偏差的链路质量指示值进行优化,实现对误差的补偿。将链路质量指示值转化为接收信号强度指示值,从而得到距离。实验结果表明,该算法可提高定位精度,具有普遍应用价值。     

基于积分球算法的新式瓦斯传感器

采用积分球结构的新式吸收气室做为瓦斯气体传感器的核心元件,提出一种新的积分球算法用于瓦斯浓度检测的方法。半导体激光器发射1.65μm激光射入装有一定气体分数瓦斯气体的积分球内,由于瓦斯气体对激光的选择性吸收及积分球壁的衰减作用,激光光强减弱,利用积分球算法算出理想衰减率,进而求出由于瓦斯气体吸收而衰减的光强差,最后计算出瓦斯气体体积分数,为瓦斯检测提供了一种新方法。实验表明:该传感器准确度高、重复性好。