UUV平台OFDM水声通信时变多普勒跟踪与补偿算法

针对传统多普勒估计和补偿算法在基于无人水下航行器(UUV)的正交频分复用(OFDM)水声移动通信中难以准确跟踪时变多普勒因子并对其进行快速实时补偿的缺陷,提出了一种基于时频联合搜索的新的多普勒跟踪与快速补偿算法。利用梳状导频结合频域变采样技术搜索OFDM符号在不同多普勒因子下的信道频域响应,借助匹配追踪技术对信道估计结果进行稀疏度评估,选择稀疏度最佳的信道响应对应的多普勒估计对信号进行快速补偿。经蒙特卡洛仿真及海试试验证明,该方法能够有效实现对基于UUV平台的时变多普勒实时追踪和快速补偿,保证稳健的OFDM水声移动通信。     

基于非正交频分复用的智能电管家数据传输系统设计

提出一种基于非正交频分复用的智能电管家数据传输系统设计。通过 PCIE 内部结构的程序控制数据流的方向,来划分系统的读操作预计写操作研究。根据预处理操作降低数据传输偏差;利用非正交频分复用技术的子载波调制信号,来提升频率利用率和降低系统数据传输偏差。通过设备采集,得到数据类型选择其对应的大体数据传输方式;利用椭圆曲线密码学与高级加密标准抵御智能电管家数据篡改攻击,运用加密反向操作和认证签名解密密文维护数据安全,从而实现智能电管家数据安全传输。仿真结果表明,所建系统数据传输时效性强、吞吐量高且丢包率低,具备极强的实用性,深入优化了智能电管家系统的推广及应用。     

基于龙贝格方法的快速傅里叶变换算法

根据龙贝格方法推导了离散傅里叶交换算法,并给出了其快速计算方法和计算实例,其结果优于常规的离散傅里叶变换算法.     

基于快速傅里叶变换直流分量的土壤电阻率测量

提出一种新的土壤电阻率测量方法—快速傅里叶变换(FFT)直流分量法,研究了该方法所涉及的激励信号类型、测量信号的采集及处理、测量的精确度和稳定性验证等。首先分别分析了传统土壤电阻率测量方法采用直流供电和交流供电的益处和弊端,在此基础上,提出采用直流和交流组合波作为土壤的激励信号来克服传统测量方法的不足。然后,讨论了如何采用FFT直流分量法在频域上分离出测量信号中的直流分量。最后,设计了土壤电阻率测量系统。通过土壤导电模型电路实验确定了激励信号的直流分量、频率等参数的大小,并验证了系统的测量准确度。与传统测量方法做了对比实验,进一步验证了测量结果的稳定性。实验结果显示,模型电路电阻率的测量误差在1%以内,实际土壤电阻率测量数据的方差为0.42,表明用提出的方法测量土壤电阻率,测量结果准确性好,稳定性高。     

基于最小二乘法拟合估计傅里叶望远镜的缺失分量

为了采用非均匀发射阵列的傅里叶望远镜清晰重构深空目标图像,提出了一种基于最小二乘法拟合缺失傅里叶分量的新方法。首先采用T型非均匀发射阵列作为傅里叶望远镜的激光发射系统,并对返回的时域信号进行直流滤波;然后,基于傅里叶望远镜的基本原理对信号进行解调并通过相位闭合得到三重积。采用最小二乘法对没有抽取的傅里叶分量进行拟合估计,作为连乘恢复单一傅里叶分量信息的基础;最后,进行非均匀傅里叶逆变换重构目标图像。在不同信噪比条件下对4个目标进行了数值模拟,并与简单估算方法进行了对比。结果显示:信噪比(SNR)为200db,采用7阶最小二乘法拟合估计时,重构图像细节分辨更为清晰,其斯特里尔比(Strehl)比衍射极限图像的斯特里尔比(Strehl)最高可提高0.074 2,最低可提高0.009 8。采用新方法对外场实验数据进行重构的结果表明:提出的方法克服了频谱偏差造成的重构图像失真,可为实际工程系统提供理论参考。     

基于滤波对角化方法提升傅里叶变换质谱数据质量

傅里叶变换质谱仪能够达到很高的分辨率,在分子生物研究中得到广泛应用。数据处理方法,特别是底层信号的处理,对于提升数据质量至关重要。滤波对角化(filter diagonalization method,FDM)相比传统的快速傅里叶变换算法(fast Fourier transform method,FFT),能进一步提高图谱分辨率、降低信号强度测量误差。本工作通过仿真以及实际质谱数据分析,证明了相对FFT而言,FDM可将图谱的分辨率提高1个数量级左右,并且可以有效降低信号强度测量误差。另外,还研究了算法参数优化问题,为算法应用推广提供了参考。     

用于傅里叶变换轮廓术的多频光栅设计方法的研究

针对傅里叶变换轮廓术(Fourier transform profilometry,FTP)的实际应用,在介绍FTP的基本原理基础之上,提出了几种多频光栅的设计和实现方法,通过多频光栅的设计,旨在提高FTP的测量精度和速度。     

基于傅里叶变换的转台分度误差分离与补偿方法

为了保证和提高转台测角系统的现场测量精度,本文针对基于傅里叶变换的转台分度误差分离与补偿方法开展研究。在原理证明傅里叶变换实现转台分度误差分离的基础上,建立转台分度误差与读数头测量值之间的函数模型;根据傅里叶变换中传递函数性质,重点说明双读数头安装角度间隔与测量误差谐波阶次间关系,优化了双读数头布置;在现场可编程门阵列电路平台上实现多读数头测量值的同步获取,采用坐标旋转数字计算方法完成谐波误差函数实时计算。搭建实验平台进行误差分离与补偿效果验证实验,实验结果证明采用优化布置的双读数头信号进行分度误差分离并补偿后,转台的分度误差峰峰值由57.58″减小到3.36″,补偿后的转台测角系统扩展测量不确定度为0.9″(k=2)。     

基于傅里叶相位差的抗噪声位移估计算法

提出了一种利用连续图像相位谱的差估计运动目标位移的抗噪声算法。根据傅里叶相移特性,用连续两幅图像相位谱差的周期性变化或剖面的斜率计算图像中运动物体的位移。向量滤波的应用在去除噪声的同时,有效保留了周期性信号在一个周期结束点的跳变性质。分段拟合是从周期性信号中计算斜率的合理方法。本算法在频域估计运动位移,能够克服背景光照变化的影响,克服10％的高斯白噪声,分辨率达到一个像素。     

基于快速傅里叶变换和共轭梯度法求解干接触问题

为求解粗糙表面弹性接触问题,将其转化为一个线性补余能问题,进而简化为一个二次函数的条件极值问题,利用共轭梯度法求解。算法实现了在共轭梯度方向上修正步长的优化,有效地提高了收敛效率。而占用大量计算时间的弹性变形求解采用快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)技术,该算法有效地克服了传统傅里叶变换所引起的周期性误差。计算实例模拟了点接触单峰表面,正弦表面和真实粗糙表面的弹性接触以及有限长滚子线接触等接触问题。计算结果显示目前所用算法有效地缩短了干接触弹性接触问题的求解时间,对于不同的粗糙表面和接触类型都表现出一致的良好收敛性,同时计算精度对网格的依赖性很小,是工程中有效的分析设计工具。     

基于MCMC采样器的簇稀疏水声信道估计方法

针对实际水声信道存在簇稀疏特性,提出了一种多层贝叶斯模型下基于马尔科夫链蒙特卡罗(MCMC)采样器的正交频分复用(OFDM)水声通信信道估计方法。利用簇稀疏水声信道的结构特性对信道的先验分布进行建模,借助贝叶斯推断和接收信号的似然函数得到信道模型参数的后验分布,采用MCMC采样器对信道模型参数的后验条件分布进行采样从而得到稀疏水声信道的最大后验估计。仿真对比不同接收信噪比下该方法与基于最小平方、匹配跟踪和逐步正交匹配跟踪信道估计方法的性能。湖试试验表明,该方法能够在无任何信道先验信息下实现准确的OFDM水声信道估计和跟踪译码,实现了通信距离600 m到3 500 m、传输速率6. 08 kbps的OFDM水声通信。     

一种新颖的双Chirp信号水声信道多参数估计算法

针对水声信道多参数的估计问题,提出了一种新颖的基于分数阶傅里叶变换(fractional Fourier transform,FRFT)的估计算法。采用发送固定时间间隔为T的2个Chirp信号,通过对接收信号进行FRFT处理后的峰值间隔变化,实现对频偏和时延的估计。更进一步说,该算法主要思路是利用了Chirp信号的调频斜率不变特性,避免了再对接收信号进行阶数的搜索,这极大地降低了计算量。通过计算机仿真验证和实验验证,表明该算法是有效的。     

基于FBMC的水声信道估计与温度因素的研究

水下环境的复杂性对水声通信带来挑战,不同温度、深度和盐度的海洋环境对通信性能的影响值得关注。本文对温度因素影响下的水声信道进行分析,为进一步研究基于滤波器组多载波(FBMC)水声信道估计问题提供了参考。将FBMC/OQAM调制技术引入水下,研究基于FBMC的水声信道估计技术。通过改进导频结构来适应复杂多变的水声信道,采用迭代方法获得精确度更高的信道信息,进一步提高信道估计性能。理论分析和仿真结果表明,本中所提的新基于干扰近似方法(IAM)导频迭代信道估计算法在水声信道中有更好的性能。     

Doppler Effect removal based on instantaneous frequency estimation and time domain re-sampling for wayside acoustic defective bearing detector system

The phenomenon of Doppler Effect in the acoustic signal recorded by the wayside acoustic defective bearing detector (ADBD) leads to the difficulty for fault diagnosis of train bearings with a high moving speed, which is a barrier that would badly reduce the effectiveness of online defect detection. In order to improve the performance of condition monitoring of the bearings on a passing train with microphones amounted besides the railway, the elimination of the Doppler Effect should be solved firstly. An effective method for removing the Doppler Effect embedded in the source signal is presented in this paper. The Short Time Fourier Transform-Viterbi Algorithm (STFT-VA) is applied to obtain instantaneous frequency estimation of the distorted signal. According to the acoustic theory of Morse, the non-linear data fitting is then carried out to get the fitting instantaneous frequencies. The necessary parameters for time domain interpolation re-sampling, which is totally based on the kinematic analysis, are acquired from the fitting curve and the re-sampling sequence could be established in the time domain. As a result of the preceding steps, the fault diagnosis for the train bearings could be implemented with the restored signal. The effectiveness of this proposed method is verified by means of a simulation with three adjacent frequencies and an experiment with practical acoustic signals of train bearings with a crack on the outer race and the inner race. The results of the simulation and the experiment indicate that the proposed method has an excellent performance in removing Doppler Effect, and could be well employed to the condition monitoring and fault diagnosis of train bearings with a high moving speed.     

应用序列二次规划的波达方向与多普勒频率联合估计

为了快速准确地联合估计阵列信号波达方向(DOA)与多普勒频率,提出了将序列二次规划(SQP)应用于最大似然函数优化的联合谱估计算法。该方法利用空时信号模型通过Hankel矩阵构造出阵列流型中包含DOA与多普勒频率信息的广义天线阵模型,并推导出其最大似然函数,从而将参数估计问题转化为非线性函数优化问题。然后,将SQP方法应用于似然函数的优化求解中,得到DOA与多普勒频率的估计值。最后应用SQP方法、微分进化法、遗传算法和量子粒子群算法分别进行了优化的仿真对比实验。结果表明:提出的算法具有寻优时间短,估计精度高,参数自动配对等特点,在信噪比为0dB时估计两个目标信号源的DOA与多普勒频率的均方根误差分别为0.263 6°和0.007 6rad,基本达到了阵列信号处理中参数联合估计方法的设计要求。     

钻柱声传输的OFDM调制方法实现

为提高油气开采过程中随钻测井(LWD)数据传输速率,针对钻柱声传输技术中因周期性边界引起的色散和多重回波问题,从数据通信的角度出发,将正交频分复用(OFDM)多载波调制技术引入声传输系统,并以钻杆为信道,采用PC机结合FPGA模块和数据采集卡的形式,搭建了数据传输实验平台。数据传输实验结果表明,基于OFDM调制方式的短节钻杆声传输方案可实现160 bit/s的传输速率,该方案同时可为后续的钻柱声传输设计与实验提供方法指导。     

M-PSK突发通信测试中DFT内插载波盲估计算法研究

在宽带通信信号实时多域分析通用架构基础上,针对宽带M-PSK突发通信信号实时多域分析中的快速载波同步,提出了一种基于离散傅里叶变换(DFT)插值的载波频偏相偏联合估计算法.该算法根据最大似然估计理论,首先对定时同步后的被测信号进行非线性变换去除调制信息,然后利用DFT变换得到载波频偏相偏粗估计,最后通过线性内插改善估计精度,实现载波频偏和相偏的精确估计.仿真及实验结果表明:通过内插算法处理后,载波估计误差方差更加逼近克拉美-罗(Cramer-Rao bound)界.该算法可在不增加DFT变换点数情况下,提高DFr对频率和相位的分辨力.     

基于遗传算法的多用户OFDM子载波和比特分配的研究

为了使系统的总功率达到最小,研究了OFDM子载波分配算法,采用遗传算法分配子载波.提出了一种有效的交叉算法并且将遗传算法进行了改进,有效保证每个用户的传输,改进后优于其它算法,能达到资源分配的最佳效果.它易于实现,效果明显,它比其它传统的优化算法有更优越的性能.     

基于相关和Hilbert变换的科氏流量计相位差估计方法

科氏流量计相位差估计方法存在计算量较大、计算复杂、实时性和计算精度较差等问题,已不能满足复杂环境高精度流量测量领域的需求。为此,提出一种基于相关和Hilbert变换的科氏流量计相位差估计方法。首先,采用快速傅里叶变换(FFT)对传感器信号进行频率预估计,对信号是否整周期进行判断,对非整周期的信号进行数据延拓处理;然后,对任一路传感器信号进行自相关运算得到一路同频参考信号;对3路同频信号进行Hilbert变换,将3路变换后的信号与变换前信号进行相关运算,再利用三角函数公式即可求出相位差。与原有方法相比,所提方法克服了非整周期采样的影响,实时性、动态性更强,相位差估计精度更高,仿真分析与实测结果均证实了所提方法的有效性和优越性。