基于伺服控制的水下光动态通信捕获跟踪系统设计

基于空间光通信捕获、对准、跟踪技术的基本理念,笔者设计了一套基于伺服控制的水下无线光动态通信捕获跟踪系统,提出了基于跟踪微分器的电机加减速控制技术,设计了转台粗、精跟踪策略。在此基础上,笔者开展仿真验证、室内模拟测试及水下激光光斑捕获跟踪实验。仿真验证结果表明了该系统与算法策略在原理上的可行性;室内模拟测试方位、俯仰跟踪精度分别为0.08 mrad和0.27 mrad,这表明可将本系统应用于水下无线光动态通信;水下激光光斑捕获跟踪实验结果表明系统的捕获概率优于99%,捕获时间少于9 s,水箱施加扰动前后的跟踪精度分别为0.6 mrad和2 mrad。本文为后续开展水下无线光动态通信技术研究提供了一种技术方法和研究思路。     

一种新型的大气传输光通信APT系统研究

根据实际应用中对机动式大气传输光通信的要求，提出一种新型的大气传输光通信APT系统方案。以小波变换作为对通信对象红外目标进行检测识别的算法，搭建了基于FPGA和DSP的红外信号处理和伺服控制的硬件智能控制平台，将目标的捕获和图像的处理与伺服控制、精密机械传动等为一体形成大气传输光通信捕获、扫描和跟踪(APT)系统。该系统在FPGA上实时检测通信对象，通过DSP实现ATP算法的控制，由伺服精密传动系统实现扫描、捕获与跟踪。     

采用扩频技术的数字天线跟踪系统设计

在介绍雷达领域传统目标跟踪方式基础上,设计了一种基于扩频体制并有效融合"模极值捕获跟踪"和"数字导引"的数字天线跟踪系统。通过精心设计通信帧格式,并采用具有良好正交性的PN码(Walsh)序列"携带"GPS信息用于数字导引,使得系统在具有30 dB高同步捕获增益的前提下同时具有可控的扩频抗干扰增益,在初始捕获和抗干扰通信过程中发挥重要作用。系统采用具有快速算法的自适应滤波技术对数字导引信息进行置信度分析。建模仿真与飞行试验表明,该方法相对传统体制具有更高的灵活性和可靠性。     

准连续波体制雷达应用研究

文中对准连续波体制应用于脉冲测量雷达进行了研究。讨论了准连续波波形设计、信号处理方法、跟踪滤波算法等准连续波信号设计与处理中的关键问题;深入分析了高速运动目标多普勒频移对准连续波信号处理和参数测量的影响;探讨了脉冲测量雷达应用准连续波体制后在优化整机系统设计、提高接收灵敏度等方面的技术优势。最后,文中给出关于准连续波体制可应用于脉冲测量雷达的理由。     

扩频体制低轨卫星通信信号捕获与跟踪系统设计

针对扩频体制下低轨卫星信号的捕获及跟踪等系统设计实现问题,根据卫星信号模型进行了捕获及跟踪算法设计,重点对基于快速傅里叶变换的快速捕获算法、锁频环、锁相环和码跟踪环路进行了设计,并进行了工程系统实现。试验验证表明,该系统可以实现码分多址体制低轨卫星信号捕获、跟踪处理,工作性能参数满足系统需求。     

中继通信无人机天线自动跟踪平台设计

为了进一步扩展微小型无人机中继通信的覆盖范围,提高通信带宽和通信质量,设计研制了基于信号接收强度（RSSI）盲估计跟踪的天线自动跟踪平台,通过实时获取通信接收机的RSSI实现地面定向天线对中继无人机的动态跟踪。采用卡尔曼滤波算法对提取的RSSI信号进行优化处理;利用矩形扫描方式提高初始捕获速度;利用单天线步进式“十字”跟踪方法完成天线动态跟踪。设计了自动跟踪平台的软硬件并进行了测试,结果表明：设计的跟踪平台具有较好的跟踪速度与跟踪精度,能满足无人机对定向天线自跟踪的需要。     

复杂背景下红外小目标实时识别方法研究

提出一种用于红外警戒系统复杂背景下红外小目标实时识别的方法,该方法采用FPGA实时两维数字滤波、高速DSP微处理器并行处理结构、基于运动分析的目标识别算法,不仅改善了复杂背景下微弱运动目标的捕获能力,实现了运动多目标自动识别,还具有预计目标遮掩及实现目标再捕获的能力。系统处理速度达25f/s,系统反应时间小于1s。     

高速弹丸位置坐标自动测量系统设计

为了精确测量高速弹丸穿越光幕靶瞬间的位置坐标,设计一种基于FPGA加DSP的实时图像处理板卡,采用处理板卡与嵌入式软件算法相结合的方式组成高速弹丸位置坐标自动测量系统。该系统可以设置相机面阵和线阵工作,使测量前端自动互瞄、自动组成光幕靶,提高系统自动化程度。设计基于FPGA的SATA硬盘阵列控制方法,保证高速图像的实时记录和回放。利用FPGA实现的PCIe接口保证上位机与板卡数据交换和通信的实时性。实验结果表明,本系统能够自动完成测量前的准备工作,高速弹丸的捕获概率超过99%,以中心点为原点的200mm直径范围内的测量精度优于1mm。本系统能够满足高速弹丸位置坐标的测量需求,具有捕获率高、精度高、实时性好等特点,有很高的实用价值。     

水下通信中信号跟踪方法的抗干扰设计

针对传统的水下通信信号跟踪方法根据点观测信息对当前信号状态实施预测,对数据信噪比较为敏感,存在较高的误码率和较低的抗噪性能,设计一种抗干扰性强的水下通信信号跟踪方法。通过分块的信道跟踪方法对实际信道进行实时跟踪,减缓时变对信道的冲击,在跟踪的信道中采用弱小目标信号的检测前跟踪方法,将原始数据作为观测数据,利用跟踪算法预计目标状态,再对目标状态进行检测判决,有利于低信号噪音在高信噪比条件下的能量积累,提高目标检测性能,实现高噪声水下环境中通信信号的准确跟踪。实验结果说明,所提方法能够准确跟踪水下通信信号,具有较低的误码率,抗噪性能高。     

GPS基带信号处理方法综述

全球定位系统(GPS)广泛应用于导航、测量、应急通讯等领域,近年来对GPS卫星基带信号捕获跟踪过程的研究日益深入,为此对捕获和跟踪算法进行系统的总结和对比.根据数字中频信号与本地信号混频后的处理方式将捕获算法主要分为相干捕获、非相干捕获和差分相干捕获等,根据跟踪环路功能将跟踪算法分为载波跟踪和码环路跟踪,分别对捕获和跟踪算法进行对比;归纳近几年捕获和跟踪的改进算法,分析其优缺点.最后展望捕获和跟踪算法的发展趋势.     

基于AR模型的水声信道盲估计算法

给出了基于AR模型的水下通信系统模型,利用基于输出序列自相关阵的Levinson-Durbin递推算法,在不需要训练序列的条件下估计得到信道传递函数,并恢复出原信号。与基于高阶统计特性方法相比,该算法运算复杂度低,估计速度快,更适合高速数据传输信道的估计。通过对水声信道参数盲估计的计算机仿真,验证了该算法具有较高的精度。     

一种面向深空测距的大多普勒频偏信号捕获算法

在深空测距任务中,高精度的伪码捕获是后续执行伪码跟踪的关键前提。传统基于时频二维搜索的频偏估计算法对于深空测距中频率偏移范围较大的情况难以满足伪码捕获实时性要求。为此,提出了改进的时频二维搜索算法,通过在传统时频二维搜索算法的前端引入快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)算法对多普勒频偏进行预估,避免在大多普勒范围的频点遍历,能够有效降低频偏估计的时间开销。实验表明,该方法能够在大多普勒频偏环境下利用有限的硬件资源快速地实现伪码捕获,满足伪码捕获的实时性要求。     

高阶QAM信号多状态自适应卡尔曼滤波载波同步算法

通信信号盲载波恢复是非协作模式下接收方解调的关键环节之一。为提高频偏捕获范围与速度,同时有效增强算法跟踪时变频偏能力,本文针对正交幅度调制(QAM)信号,通过理论推导得出滤波器环路带宽的变化特性,提出一种基于自适应判决引导扩展卡尔曼滤波的载波同步算法。该算法在现有卡尔曼滤波载波同步算法的基础上,引入多状态自适应切换机制自适应地改变滤波器参数,并依据实验测试数据分析得出调整原则并完成滤波器参数的选取。理论分析和仿真表明,与已有的卡尔曼载波同步算法及二阶数字锁相环算法相比,该算法不仅捕获速度更快范围更大,且能在存在时变多普勒频移的情况下较好地跟踪时变频偏和相位,在大频偏条件下的算法跟踪性能与鲁棒性等方面均有优势。      

基于修正最小二乘法的测控设备同站引导算法

测控设备对飞行目标进行跟踪及测量时,高跟踪精度测控设备捕获目标较为困难,一般采用低跟踪精度设备引导天线接近目标,然后再转入自跟踪模式,因此同站测控设备互引导是目标捕获的一个重要手段。针对低跟踪精度测控设备引导高跟踪精度设备的技术需求,文中提出了一种在两套测控设备共视目标时,利用高精度设备跟踪信息来对低精度设备跟踪数据进行实时修正的算法。该算法实现了跟踪残差的实时估计和外推,提高了同站引导精度。最后采用遥测设备引导光电经纬仪进行实验,验证后发现修正后的遥测设备跟踪数据能够引导光电经纬仪有效的捕获目标。     

一种基于自适应频率估计的跳频捕获新方法

针对水声跳频通信,给出了1种基于频率估计的跳频同步捕获的捕获原理和捕获过程,捕获中采用1种简化的变专长自适应格型IIR陷波器算法估测跳频信号频率。仿真结果说明该算法在低信噪比下具有估计精度高和实时性好的特点,满足水声跳频系统捕获的要求,验证了该跳频捕获方法的优越性。     

基矛模糊控制的水下潜器沉浮控制方法

针对水下潜器实际工作的需求和水下沉浮运动特征,提出一种基于自适应模糊控制的水下潜器自主沉浮控制方法。该方法从优化隶属函数入手,采用多层前向神经网络的误差反向传播（EBP）算法对它的参数进行在线修正．并采用Delta—Bar—Delta学习规则对学习速率进行在线调整,使EBP算法具有较快的收敛速度,同时避免了局部极小值问题。仿真实验表明,对于水下潜器自主沉浮运动的不能精确建摸、干扰严重的非线性与时变情况,这种自适应模糊控制是一种较好的控制方式。     

基于软件的GPS信号捕获跟踪算法研究

对GPS软件接收机的捕获和跟踪部分进行了研究。对于捕获模块,通过对常用串行搜索捕获算法和并行频域搜索捕获算法的比较和分析,提出了一种新型并行码相位搜索捕获算法;对于跟踪模块,提出采用非相干延迟锁相环对码进行跟踪,同时采用Costas环对载波进行跟踪;最后,从捕获和跟踪的GPS信号中提取出导航电文,并根据电文中的参数计算出了用户的位置坐标,并在Matlab中对用户的位置坐标进行了定位解算验证。     

基于迭代学习控制的潜望式激光通信终端系统的动态跟踪设计

为提高潜望式激光通信终端伺服系统的动态跟踪性能,针对基于永磁同步电机的二维伺服转台的控制系统进行了设计。通过采取空间矢量控制方法实现电机的解耦控制,建立控制模型并完成了各控制回路的设计。针对动目标跟踪设计了迭代学习控制方法以提高通信终端的动态跟踪性能,并对控制系统的速度阶跃响应进行测试,分析通信终端系统的低速平稳性。最后,搭建了4.62 km激光通信的动态跟踪实验,利用六自由度转台模拟平台抖动,为动态跟踪验证实验创造外部平台扰动条件。实验结果表明:通信终端系统速度阶跃响应的稳态误差为±0.02 (°)/s,表明伺服系统速度回路具有较快的动态响应特性和较高的稳态精度,在最大加速度为0.219 (°)/s2的正弦波扰动条件,二维伺服转台的动态粗跟踪精度可以达到62 μrad,粗精复合跟踪精度优于2 μrad,验证了通信终端伺服系统的有效性及其动态跟踪性能,为进一步提高终端系统的跟踪精度奠定基础。     

基于延迟锁相环的到达时间估计算法

超宽带脉冲信号具有高时间分辨能力,能达到厘米级的定位精度。目前,脉冲超宽带测距定位系统中普遍采用基于能量检测的非相关到达时间(TOA)估计算法的性能通常受限于阈值门限和估计偏差。该文在原先锁相环方案基础之上引入延时迟支路和衰减因子,提出了一种易于实现的基于延迟锁相环的TOA估计算法。通过在迟支路中设置不同的衰减因子,仿真结果表明,在IEEE802.15.4a4种信道模型CM1~CM4中,新算法均能有效提升测距定位精度,即缩短了首达路径与锁相环稳态锁定点之间的时差,其估计偏差最低可降至原有方案的1/10。