主动声纳恒包络波形设计及其性能分析

为了解决伪随机编码调相信号峰均比过高问题,为主动声纳设计恒包络的伪随机编码MSK调制波形。通过分析MSK信号表达式,得到波形的复包络信号。使用遗传算法优化伪随机序列,降低波形的自相关旁瓣,可减小声纳的虚警概率。通过优化复包络信号的自相关函数旁瓣值和互相关函数值,得到自相关性能和正交性能优良的恒包络波形,可以缓解多部声纳间的同频干扰。通过仿真分析波形的模糊度图可知,波形具有良好的频率分辨率和距离分辨率。该波形设计可以取代峰均比过高的编码调相信号,满足主动声纳对运动目标的探测需求。     

基于OFDM的雷达通信一体化共波形设计

为了减小通信信息对一体化波形模糊函数的影响,以连续波信号为基础,提出了一种基于扩频的多OFDM符号调制的雷达通信一体化信号模型,并分别从波形以及雷达模糊函数的角度对其进行分析。通过对通信信息预扩频后采用OFDM调制的方法,可显著改善一体化信号的模糊函数性能,降低距离维旁瓣。理论分析表明,一体化信号的距离旁瓣由所用伪随机编码序列的自相关、互相关特性及调制的通信信息共同决定,为波形的性能改进提供了指导方向。仿真结果表明扩频因子、子载波数目、数据长度的不同取值对雷达通信一体化信号的距离维模糊函数的旁瓣的影响,为优化一体化信号的性能提供依据。设计的雷达通信一体化信号模型可有效改善对通信信息和多普勒频移的敏感性,满足雷达探测波形要求。     

基于禁忌搜索的正交多相码波形设计

正交多相码信号有低自相关旁瓣值和低互相关峰值的特点,可以用于编队工作的主动声纳中,降低声纳之间的直达波干扰。文章提出用禁忌搜索的方法设计正交多相码信号集,优化正交多相码的自相关旁瓣值和互相关峰值。通过对实验结果的分析和多种算法之间的比较,证明了禁忌搜索算法能够设计相关性能更优的正交多相码。文章还通过数值实验,分析了正交多相码信号集的相关性能与信号数量和码长的关系。     

任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累

现代声呐、水下制导等水声探测系统常常使用窄带脉冲、调制、编码、伪随机等种类繁多的发射信号波形来满足低信噪比检测、高分辨估计、抗干扰、主动隐蔽探测的应用需求.针对这一情况,本文研究了任意信号的长时间积累问题,给出了一种任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累检测方法.通过构建任意发射信号波形的广义模糊函数,将匹配滤波器输出表示为所构造的广义模糊函数,使得任意复包络信号的脉压波形不仅能够用统一的数学模型来表述和计算,而且能够提供多脉冲回波的距离走动信息和多普勒频移信息,为多脉冲距离位置对齐和Fourier变换(FFT)积累提供了依据.对于用广义模糊函数表示的匹配滤波器输出,采用Keystone变换将复包络对齐,消除了距离走动,采用FFT补偿多普勒频移项,实现了任意复包络信号的长时间相干积累.对于水下探测中使用的连续波信号、线性调频信号以及复杂的m序列编码信号、Costas跳频编码信号波形进行了信号积累及检测的计算机仿真,验证了任意复包络信号的匀速运动目标回波脉间补偿及相干积累的正确性.消声水池实验验证了该方法的有效性.     

正交多相码连续波主动声呐回波检测算法设计

与常规脉冲式主动声呐相比,连续波主动声呐能够提高目标回波的时间处理增益和目标信息更新速率。该文提出一种由正交多相码合成的连续发射波形,分析了发射信号和目标回波模型,设计了多通道匹配滤波器组完成回波检测。为了进一步提高接收机检测性能,提出了多通道非相干积累的处理方法。通过数值仿真,分析提出的连续波形的多普勒分辨性能和目标信息更新率。通过蒙特卡罗法获取接收机工作特性曲线,比较了脉冲式主动声呐和连续波主动声呐在均匀混响背景下对单目标检测性能的差异。仿真结果表明,该文设计的连续波波形具有较好的多普勒分辨性能,在均匀混响背景下,回波检测算法能够明显提高单个目标的探测能力。     

动物声呐信号在鱼雷中的应用

通过对动物声呐信号的信息特征分析,指出它是一种特殊包络的双曲调频信号,这种信号不但具有宽带多普勒不变性,而且具有距离延伸不变性,对于亮点检测和识别,还具有最小的时频耦合和模糊。结合近代鱼雷对高速目标的搜索、识别和制导等具体要求,选择适当的波形参数,仿真设计了相应的动物声呐信号,并用自行设计的软件分析和图示其波形的窄带和宽带模糊度、时频分布等特性．     

非瑞利海洋混响抑制技术研究

随着主动声呐距离及角度分辨率的提高,海洋混响包络概率密度函数不再是瑞利分布,而是函数分布后端较瑞利分布具有严重拖尾性的非瑞利分布。但非瑞利分布模型的概率密度函数复杂,参数估计困难。通过对非瑞利分布混响进行恒虚警率检测处理,将严重拖尾部分数据值衰减为背景均值,从而将非瑞利分布混响信号转化为近似瑞利分布。由于去掉了对背景功率估计影响较重的干扰,并基于瑞利分布模型进行目标检测,本文目标检测方法具有较好的鲁棒性和计算简单等优点。文中对一组高分辨率声呐数据进行了恒虚警率检测,结果验证了方法的有效性。      

主动声呐信息过程的实验研究——声呐信号综合分析仪在信道研究和声呐设计中的应用

本文介绍声呐信号综合分析仪(简称SZY)在主动声呐信道特性的实时测量和声呐设计中的应用原理和方法,并给出部分实验结果.内容包括:1.声呐信号分析:相关、模糊度和谱以及随机数据的统计测量;2.主动声呐信道(水声传输信道、目标散射和混响)特性的测量:时变谱和时变相关、时空相干性和散射函数;3.声呐检测和最佳设计:定位、跟踪、波形设计和信道匹配.     

基于相位/强度调制的伪毫米波超宽带信号的光学辅助探测（英文）

针对伪毫米波超宽带信号脉冲宽度窄且信号强度低而不易探测的特点,本文提出了两种光学辅助包络探测方案.将伪毫米波超宽带信号调制到光载波上,利用光纤布喇格光栅带通滤波器滤出调制器输出的第一边带信号,通过光电探测器和低通滤波器便可以得到用于判决的伪毫米波超宽带信号的包络信息.数学推导和仿真分析了分别采用相位调制器和强度调制器对输出包络信号振幅的影响.研究结果表明:强度调制器需要偏置控制电路来稳定偏置点的位置,当强度调制器工作在最小传输点时,得到的包络信号幅值最大;相位调制器无需偏置控制电路,其输出信号包络的幅值等于使用强度调制器的系统可得到的最大值;使用相位调制器的系统较使用强制调制器的系统具有结构更简单和插入损耗更低的特点.     

距离无关的高精度混沌激光测距

研究了利用类噪声混沌激光的相关特性实现目标距离的测定方法.数值分析了混沌激光自相关曲线的半峰全宽和旁瓣水平与表征其混沌状态的最大李雅普诺夫指数及关联维数的关系.同时,模拟研究了波形误差对混沌激光测距的影响,并分析了不同混沌态的波形误差的临界值.结果表明,具有窄半峰全宽和低旁瓣水平的自相关曲线的高维混沌激光序列是理想的测距激光,其测量分辨率可达1.5 cm以下,且波形误差容忍度大,测量范围大.在测量范围内,精度与距离无关.     

Probing waveforms and adaptive receivers for active sonar

Active sonar systems involve the transmission and reception of one or more probing sequences, which provide a basis for extraction of target information in a region of interest. The probing sequences at the transmitter and signal processing at the receiver play crucial roles in the overall system performance. In this paper, CAN (cyclic algorithm-new) is employed to synthesize probing sequences with good aperiodic autocorrelation properties. The performance of the CAN sequences will be compared with those of pseudo random noise and random phase sequences. Two adaptive receiver designs, namely the iterative adaptive approach (IAA) and the sparse learning via iterative minimization (SLIM) method, will also be considered. IAA and SLIM will be compared with the conventional matched filter method. The performances of the algorithms will be illustrated via numerical examples, which show that CAN, IAA, and SLIM can contribute to the overall performance improvement of the active sonar systems.     

Trading detection for resolution in active sonar receivers

This paper proposes an active sonar receivers that offers a smooth trade-off between detection and resolution. A matched filter is the optimal detector of known signals in white Gaussian noise but may fail to resolve the targets if the time separation of targets is less than the mainlobe width of the autocorrelation function of the transmitted signal. An inverse filter achieves optimal resolution performance for multiple targets in the absence of noise, but amplifies the noise outside the signal bandwidth in a manner that makes it impractical in many realistic scenarios. The proposed active sonar receiver, the variable resolution and detection receiver (VRDR) combines the matched and inverse filter properties to achieve a smooth trade-off between detection and resolution. Simulated receiver operating characteristics demonstrate that for a range of dipole sonar targets, the performance of the VRDR is superior to the matched and inverse filter, as well as another previously proposed bandlimited inverse filter.     

采矿混响环境下超声波探测信号设计

针对深海采矿环境中混响干扰对水下微地形探测的影响,设计了一种可以抑制水下混响并提高探测精度的超声波发射信号。通过分析探测目标的接收信号模型,根据Neyman-Pearson准则得到目标回波探测模型的检测性能评价指标。基于高斯点目标最优检测理论,提出采矿混响环境下发射波形的能量谱设计方法,进而得到混响环境下超声探测信号的幅度谱。保持幅度谱分量恒定,利用信号相位谱与信号长度的关系设计了可以满足不同探测系统和探测环境需要的超声波探测信号。利用设计的超声波探测信号及常用声呐信号在模拟深海采矿环境下进行探测实验,结果表明所设计的超声波探测信号在探测精度及抗混响能力方面均优于常用声呐信号。      

用于分子测量的光学相干法的信号处理

放大自发辐射(ASE)光源是非高斯型光谱光源, 干涉时不可避免地产生旁瓣信号, 特别在测量大小与分辨率相差不大的细胞分子时影响尤为明显。利用小波变换去噪功能, 采用Daubechies 10小波对干涉信号进行3层分解, 各层频率信号分别采用不同阈值进行去噪, 不仅可大大减少旁瓣影响, 还能保留大部分主瓣信号, 结果表明该方法有利于提取有用信息。通过对颗粒样品的测量表明, 测量样品厚度大约为30 μm, 证明了该系统具有分辨率高的优点。     

多基地空时码探测信号设计及时反相关检测技术

为实现浅海复杂环境下的多基地声纳多源目标回波分辨,本文设计了一种适用于多入多出垂直阵信道环境下的空时码探测信号,并针对倾斜垂直阵的多途子信道差异问题,提出了信号的时反相关检测技术.空时码探测信号采用伪随机信号调制,具有良好的正交性,能在抗子信道严重衰落的同时,分辨多源目标回波.垂直阵受水流冲击,呈倾斜状态时,其多途子信道不一致性会导致各子信道传递信号无法在接收端聚焦,使阵列增益受损,同时导致时延测量能力下降和信号判决错误率上升,为此本文设计了信道训练信号用以估计多途子信道环境,通过虚拟时间反转镜获得子信道不一致条件下的最佳匹配检测信号,实现对接收信号的时反相关检测.仿真结果表明,本文所设计的探测信号和检测方法,能够克服复杂的信道条件和多途子信道不一致性引起的检测问题,满足多基地声纳探测需求,实现多源目标回波分辨.     

高分辨率有源声呐强混响抑制技术研究

有源声呐分辨率的提高可以抑制混响,但也使声呐包络数据的统计分布偏离瑞利分布,而更接近拖尾较重的K分布。强散射体所带来的强混响的幅值一般较大,它们使统计分布拖尾更严重,表征K分布的形状参数也越小。强混响作为目标干扰,严重影响了背景功率估计的准确性,从而降低了目标检测的性能。本文基于模糊统计理论,首先提出了用于抑制强混响的模糊统计归一化处理方法;然后对强混响和模糊统计归一化处理如何影响声呐数据分布和CFAR(Constant false-alarm rate)目标检测性能进行了仿真、研究和分析,最后对基于模糊统计归一化处理的CFAR检测性能和传统CFAR检测性能进行了仿真比较。仿真结果表明强混响目标干扰能使K分布数据的形状参数变小,而模糊统计归一化处理可抑制强混响目标干扰,增大包络数据分布的形状参数,提高形状参数估计性能和CFAR检测性能。      

单基地多输入多输出声呐的方位分辨力

为了研究波形分集和发射子阵对多输入多输出(multiple-input multiple-output:MIMO)声呐方位分辨力的影响,建立了同时适用于MIMO声呐和传统有源声呐的远场和近场波束图推导模型,证明了这两种声呐具有相同的方位分辨力。首先,将MIMO声呐发射阵划分为子阵无重合与子阵有重合两种情况,并对传统有源声呐的发射阵也进行相同的划分。据此,推导出两者的远场和近场阵列流型向量均可表示为发射与接收阵列流型向量的直积。接着,利用阵列流型向量的一致性证明了波束图(远场和近场)的一致性。进一步地,证明了发射子阵有重合的情况等效于对发射阵列进行幅度加权(发射阵列中间部分的阵元权值大于两端部分的阵元权值),其可获得更低的波束图旁瓣级但不能提高方位分辨力。理论分析与仿真结果表明:MIMO声呐的有效孔径等于发射与接收联合孔径,其方位分辨力由发射与接收阵列结构所决定,波形分集和发射子阵并未带来更高的方位分辨力。