主被动拖线阵声呐中拖曳平台噪声和拖鱼噪声在浅海使用时的干扰特性

分析了主被动拖线阵声呐中拖曳平台的螺旋桨噪声和主动发射基阵(拖鱼)流噪声对被动接收基阵的干扰作用,指出在浅海声学环境下,直达波和海底、海面反射波会成为声呐系统的严重干扰。给出了拖曳平台和拖鱼在各种不同深度和缆长的情况下干扰源的入射角。从理论上计算了不同参数下干扰噪声对系统响应的影响,系统仿真结果可为声呐设计者抑制这种干扰提供途径。

改进的最小方差无畸变响应波束形成方法

提出一种改进的最小方差无畸变响应(MVDR)波束形成方法,通过调节波束形成的权向量设计中的增强因子来改善其方位分辨力,并且不以牺牲信号与干扰+噪声比增益为代价.仿真结果表明,所提出的方法可以有效改善MVDR波束形成的方位分辨力,且不损失MVDR波束形成的信号与干扰+噪声比增益.

多基地声纳配置策略研究

本文提出了一种基于检测覆盖范围的多基地声纳配置策略。首先,根据声纳的作用距离公式,分析了双基地声纳的检测覆盖范围特性,它为卡西尼卵形线包围的区域;然后,将此特性推广到三基地和多基地声纳,指出多基地声纳的检测覆盖范围主要与发射、接收机的位置有关,且检测覆盖区域主要集中在发射、接收机附近;最后,在对多基地声纳模型进行部分简化的基础上,提出一种用圆来代替检测覆盖区的多基地声纳配置算法。该算法经过仿真验证,表明配置效果较好。

基于高阶次Cross Sensor处理的波束形成方法

为得到鲁棒性、高分辨波束形成,提出了一种高阶次Cross Sensor处理方法。该方法依据阵元间协方差矩阵同一斜对角线上不同元素具有相同相位差的特点,对协方差矩阵进行M阶次Cross Sensor处理后可虚拟出近（2^M-1）（N-1）个虚拟阵元（N为原始阵元数）。虚拟阵元的增加可扩大线阵有效孔径,降低波束形成主瓣宽度,提高方位分辨率。在Cross Sensor处理过程中,该方法对协方差矩阵同一斜对角线上不同元素进行了叠加运算,可进一步削弱噪声对波束形成的影响,提高了波束形成鲁棒性。数值仿真和海上试验结果表明,该方法既能有效降低波束形成主瓣宽度,提高方位分辨率,又可削弱方位历程图干扰背景。相比已有的逆波束形成,该方法具有较好的方位分辨率;相比已有的基于AR模型的高分辨逆波束形成,该方法对最低门限信噪比的要求较低,方位估计均方误差较小。

差分二次平均修正的频域相位补偿线谱检测方法

针对常规平均功率谱方法幅度平方后相位信息丢失造成检测性能损失问题,通过对观测数据分段进行快速傅里叶变换后的统计特性进行分析,提出了高斯噪声背景下检测未知线谱的频域相位补偿方法。采用蒙特卡洛法估计相位补偿因子,先进行差分法去除零星野值,然后使用二次平均(TPM)去除连续野值,最后使用估计的相位补偿因子均值构造广义似然比检验统计量实现检测。从理论上对比了广义平均周期图(AVGPR)法、广义功率谱(GPR)法及文中方法的检测性能。仿真结果表明,文中方法充分利用信号的相位信息,参数估计简单,相位补偿因子估计准确,在一定虚警概率下较AVGPR法的检测性能提高了接近5 dB左右。

一种基于重置协方差矩阵的波束形成优化方法

低信噪比情况下,针对波束形成方位历程图显示效果较差问题,提出一种重置协方差矩阵的波束形成前置预处理方法。该方法依据协方差矩阵中主对角线元素相比其他元素所含噪声能量差别较大、信号能量基本一样的特点,利用协方差矩阵主对角线邻近元素绝对值对主对角线元素进行重置,降低主对角元素所含噪声对方位历程图的影响,改善方位历程图显示效果。计算机数值仿真和海上实验数据处理结果表明,高信噪比情况下,该方法对方位历程图显示效果无影响;低信噪比情况下,该方法可以很好地改善方位历程图显示效果;该方法同样可以结合其他后置处理技术同时使用,进一步改善方位历程图显示效果。该方法可为改善方位历程图显示效果提供一个参考。

基于时延差方差加权的时延差估计方法

针对目标信源数未知时的时延差估计问题,该文提出一种基于时延差方差加权的时延差估计方法。该方法利用目标辐射信号频率单元对应时延差估计比较稳定,噪声频率单元对应时延差估计比较随机的特点,对各频率单元的时延差估计结果进行时延差方差加权,突出信号所占频率单元时延差估计结果,实现对目标信源数未知时的时延差估计。在该文仿真条件下,相比一般分频带互相关法,该方法对信噪比的鲁棒性提高了3 dB。理论分析和实验结果表明:该方法对信源数和信噪比的鲁棒性好于一般分频带互相关法。

自适应Alpha-beta修正的线谱检测后置处理方法

矩形包络的单频信号时域频率方差等于频域有效带宽,且频率方差为信噪比的函数,在信噪比下降时,线谱方位权值计算误差变大,频率方差线谱检测器丢失目标。传统Alpha-beta滤波的增益恒定,不能有效修正频率估计。该文提出后置处理方法,将每个方位下多次求得的功率谱叠加后得到功率谱-频率曲线作为该方位下各频率对应的增益。当频率观测值对应的增益大时,新息在递推过程中占的比重大,当频率观测值对应的增益小时,预测值在递推过程中起的作用大,对滤波后频率估计值计算方差来修正方位谱输出。仿真和实验处理结果证明在低信噪比情况下,修正后的线谱检测后置处理算法抗干扰性强,能够实现弱线谱的提取,同时压低了干扰背景。

一种改进的被动合成孔径算法用于舰船辐射噪声检测

舰船辐射噪声在低频段具有稳定的线谱成分,利用该线谱成分可以实现对水下目标的检测。被动合成孔径声呐(Passive Synthetic Aperture Sonar,PSAS)技术是对小孔径基阵沿直线运动接收到的信号进行孔径合成处理,以时间增益换取空间增益,进而提高对弱目标信号的检测能力。该文中提出一种改进的被动合成孔径算法较之常规孔径合成算法不要求阵元相互重叠,综合考虑接收阵元在时间域和空间域上变化,分时间段进行处理,继而可直接进行时延补偿,理论分析结合实际仿真、海试数据综合验证算法及其性能。研究表明:改进的被动合成孔径算法具有一定有效性和可行性,且便于工程实际应用。

一种基于瞬时相位方差加权的线谱检测器

针对水下目标未知线谱的检测问题,依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征,该文提出一种基于瞬时相位方差加权的线谱检测方法。该方法利用目标线谱频率单元对应瞬时相位比较稳定,背景噪声频率单元对应瞬时相位比较随机的特点,对各频率单元进行瞬时相位方差加权,可以进一步抑制背景噪声能量干扰,增强目标线谱检测信噪比(SNR)增益,实现对水下目标辐射噪声中未知线谱的检测。理论分析和实验结果表明:该方法可以较好地增强目标线谱能量、抑制噪声、提高信噪比,在抗复杂信道检测、识别领域具有良好的应用前景。

一种四元超短基线阵实现高精度定位

由于超短基线自身尺寸较小,随着作用距离增加,其定位误差增大。对此,本文在阵元数较小的情况下,通过优化阵型形成间距不等的四元阵来提高系统定位精度。该阵型既减少了已有八元阵的冗余阵元,也不需要发射端发送跳频信号。本文给出了新阵型的相位补偿公式以及所适用频带的理论分析。理论分析和数值仿真表明:本文所述新阵型与已有的八元阵定位精度相当。可为改善超短基线定位精度提供一些参考。

利用分频带空间谱和波束域的输出直流跳变与起伏比值融合检测未知线谱目标

目标辐射噪声中高强度稳定线谱可以用来提高常规宽带能量积分的检测性能。理论分析了已知线谱检测优于宽带能量积分检测的谱级比条件。给出了线谱频带可检测条件下,线谱谱级与最小可检测信噪比关系。分析分频带空间谱和波束域的输出直流跳变与起伏比值特征。在此基础上提出了一种构造频率、方位滤波矩阵的方法。该矩阵作用类似频带方位滤波器,通过对线谱频带目标方位的信号放大,与其他频带判决结果融合,来提高常规宽带能量积分的性能。最后给出该算法适用条件和性能分析。数据仿真和海试数据处理结果可知,该算法在多干扰源存在下对弱线谱目标提取能力强,且不需多帧统计,在检测效果上更接近于理想的窄带线谱检测方法。

基于虚拟仪器技术的通用水声信号发射系统设计

本文针对水声学实验中对于发射信号源的使用要求,介绍了发射平台的结构以及软件流程,并对其中基于虚拟仪器技术的难点做了详细的论述,最终设计开发了一种通用水声信号发射系统,并介绍了一个具体的实验用途。

改善高分辨逆波束形成检测性能方法研究

针对常规逆波束形成(IBF)不能突破瑞利限问题,相关学者提出一种基于自回归(AR)模型的逆波束形成算法(AR_IBF)来提高逆波束形成的方位分辨率,但该算法相比IBF在实际应用中的检测性能较差。本文通过修改AR模型来改善高分辨率逆波束形成算法(AR_IBF)的检测性。修正后的逆波束形成算法(MAR_IBF)在保证对目标方位的高分辨率检测的同时,在较低信噪比条件下可实现对目标方位的有效检测。理论分析和数值仿真验证了本算法对目标的检测性能提高了近10logN dB(N为阵元数)。

改进的高分辨逆波束形成算法在圆阵中应用

针对常规逆波束形成不能突破瑞利限问题,相关学者提出一种基于自回归模型的逆波束形成算法来改善逆波束形成算法的方位分辨率;但在实际应用中,该算法的检测性能比逆波束形成算法差。对此,本文通过修改自回归模型来改善基于自回归模型的逆波束形成算法的检测性能,并将其应用于圆阵中。改善后的算法在保证对目标方位高分辨率检测的同时,在较低信噪比条件下可实现对目标方位的有效检测。理论分析和数值仿真验证了改善后的算法相比基于自回归模型的逆波束形成算法在检测性能提高了近10log(2K+1)dB(2K+1为虚拟线阵阵元数)。

基于主副瓣比加权的未知线谱目标检测方法研究

针对目标辐射线谱信号未知时的目标检测问题,依据水下目标辐射噪声含有高强度稳定线谱这一特征,该文提出了一种基于波束形成主副瓣比加权的宽带波束形成目标检测方法。该方法首先用二阶锥优化各频带波束形成,得到低旁瓣高增益波束形成;其次利用各频率单元波束形成主副瓣差异形成加权因子;然后利用加权因子对各频率单元波束形成进行加权统计,可以抑制背景噪声能量干扰,增强目标检测信噪比增益,克服传统线谱检测四维显示难点。理论分析和实验结果表明:该方法可以较好地增强目标线谱单元能量、抑制噪声、提高信噪比,改善能量累积检测法在远程目标检测方面的性能。

等价权修正的Kalman抗野值滤波算法

水声工程实际数据中野点的存在影响标准Kalman滤波精度。借鉴抗差惯性导航定位中等价权思想,构造反映观测值误差的统计量,以其协方差矩阵作为判断滤波精度的指标,依据莱特准则设计了三种不同权重因子,充分利用正确观测,限制利用可用观测,排除有害粗差。仿真结果表明,这种等价权修正Kalman抗差算法,抗差性可媲美中位数滤波,证明当模型正确时,其在抑制零星和斑点型野值方面,效果很好。

基于IGBT的低频水声功放技术

主动声纳通过水声发射换能器将水声功率放大器产生的电信号转换成声信号辐射到水中。提高水声功率放大器的输出电功率、降低声纳的工作频率是提高声纳作用距离的重要途径。介绍了功率放大器的工作原理和基本构成,对水声功率放大器工作方式和IGBT器件等关键技术进行了分析,结合工程实际需求设计出低频、大功率水声功率放大器,完成了采用乙类和D类工作方式共两套功率放大器电路系统的硬件设计和安装调试。实验室测试和水池试验表明,低频功率放大器工作性能良好,方案可行,达到了设计要求。

多基地声纳系统检测性能分析

分析了多基地声纳系统的检测性能。利用检测统计量,推导了在背景噪声为高斯白噪声、信号为高斯随机过程的情况下,主动多基地声纳系统的最优检测接收机。指出主动多基地声纳系统的最优检测接收机为匹配滤波器。然后,提出了一种基于"和检测"原理的简化检测接收机,并分析了它的检测性能及基地选择原则。结果表明:对于这种简化的检测接收机,当一个基地的检测性能远远优于其它基地时,如果再将其它基地融入到处理系统中,系统的检测性能不会得到明显提高,甚至可能会下降;另一方面,当各个基地的输入信噪比接近时,参与检测的基地个数越多,系统的检测性能越好。

一种改善逆波束形成显示效果的方法

在低信噪比条件下,由于协方差矩阵中主对角元素相比其他元素所含噪声能量大,致使逆波束形成(IBF)所得空间谱中目标方位处能量与其他方位处能量差别小、显示效果不好。对此,本文采用对协方差矩阵主对角元素进行修正法来降低噪声对IBF的影响,扩大目标方位与其他方位处能量差别,改善空间谱显示效果。Matlab数值仿真和湖试数据处理结果均表明:在低信噪比条件下,本方法可改善IBF所得空间谱的显示效果。本方法简单有效,可满足实际工程应用,为改善方位历程显示效果提供一个参考。