信号与系统课程“翻转+智慧”课堂教学方法研究

面向新工科建设,将翻转课堂教学方法与智慧教室相结合,针对信号与系统课程,开展“翻转+智慧”课堂教学方法研究,以卷积为例给出了教学方案设计。课程教学设计坚持“以学生为中心”,教学案例体现交叉融合特点,加强过程考核,为培养满足新兴产业技术发展需求的工程创新人才奠定基础。

非合作线谱声源分布式定位方法

非合作目标定位是水声定位领域的研究热点。为充分挖掘并利用各类可观测参数,提高非合作目标定位能力,提出一种基于目标频率变化信息的非合作目标定位方法。该方法针对匀速直线运动目标的定位问题,首先根据多普勒频移原理,建立观测频率与目标辐射频率、目标运动速度、位置之间的函数映射关系,利用最小均方准则建立目标函数,通过优化算法估计分布式定位系统中各个测量单元与目标运动轨迹的致近点距离,最后综合各观测节点的测距结果,构建几何定位模型,求得目标运动轨迹的解析解。通过仿真分析,证明了该方法的有效性,并指出了该方法需要目标通过与各测量单元的致近点才能获得较好的距离估计能力。文中分析了不同频率估计精度对定位精度的影响,结果表明,提出的定位方法对测频精度具有一定的容限,是一种高精度的非合作线谱声源定位方法。

多站联合观测非合作目标的定位批号关联算法

在多站联合对非合作多目标进行定位场景中,提出了一种批号关联算法。该方法利用模糊数学理论描述已关联集和待关联量测中方位信息、连续谱特征信息和线谱特征信息之间的模糊隶属度,构建综合模糊关系矩阵进行二维关联,通过设置隶属度门限消除低隶属度关联的影响。仿真结果表明,所提算法克服了传统算法在目标增多关联成功率下降的问题,在一定的漏报虚警时关联结果召回率可达到0.8以上,关联结果精度也保持在较高水平。仿真结果及试验数据均验证了该方法在复杂水下环境中较好的目标关联定位性能。

多目标击水声信号特征关联方法

目标入水产生的击水声信号形式复杂,在海洋尖刺干扰的影响下易造成漏报和虚警,当多目标不等间隔陆续入水,不同观测节点间同一目标的击水声信号难以正确关联。针对上述问题,提出一种多目标击水声信号关联方法。通过经验模态分解将检测到的瞬态信号分解为固有模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF),并提取各阶IMF的频谱等特征,利用灰色关联分析,模糊C均值聚类两种算法实现多击水声信号的关联,为后续的分布式定位提供必要条件。仿真结果表明:当特征参数个数为6时,两种方法的目标关联正确率分别可达98%和87%;当测量节点个数为7时,两种方法的目标关联正确率分别可达95%和87%。仿真结果证明了本文方法的可行性和有效性。

基于“PBL+翻转课堂”的自适应信号处理课程改革与实践

面向声呐设计与研究领域创新型人才自主培养的重大需求,结合自适应信号处理课程的特点,本文提出了基于“PBL+翻转课堂”的自适应信号处理课程改革方法。以科研项目中的实际工程问题为导向,以“翻转课堂”的教学方法为途径,实现了理论教学与工程实践教学的有机结合,取得了更好的教学效果。本文提出的自适应信号处理课程改革思路对于其他院校的同类课程具有一定的借鉴意义。

量测驱动的自适应似然无源弱目标跟踪

在随机有限集理论框架下提出相应的检测前跟踪算法,将多重信号分类(MUSIC)方法空间谱的自适应加权形式作为伪似然比函数研究了基于MUSIC的近似多伯努利滤波算法。并且针对算法对目标新生响应速度慢的问题,提出了由量测驱动的目标新生模型。仿真实验验证了研究算法相比传统算法在低信噪比下有更好的跟踪性能,更少的计算量,且改进的新生模型能显著加快算法对新生目标的响应速度,响应时间缩短了50%以上。实验结果表明,所提方法鲁棒性较强,可以实现在低信噪比下对多目标的准确跟踪。

利用协方差矩阵拟合的阵列孔径扩展方法

提出了一种协方差矩阵拟合的阵列孔径扩展方法来提高小孔径均匀直线阵的分辨力。该方法分析了具有不同阵元个数的阵列采集信号协方差矩阵之间的关系,并根据该关系构建阵列扩展的优化算法,利用小孔径实际阵列协方差矩阵拟合得到大孔径虚拟阵列的协方差矩阵。仿真分析与湖试数据处理结果表明,将拟合协方差矩阵用于现有方位估计方法中能够降低波束宽度,提高分辨力,并且随着虚拟阵元个数增加,目标分辨概率同步提高。当阵列孔径较小或环境信噪比较低时,本文方法可用于提高方位估计性能。

水下单信标导航航路规划和最优航路接近方法

相比于传统的长基线和超短基线等导航方式,水下单信标导航具有布放简单的优点,但其导航精度有待进一步提高。为此,提出了单信标导航的航路规划方案,通过泰勒级数展开推导了水平位置精度因子的表达式,并分析了导航点和声信标的相对几何位置关系对导航精度的影响,最终提出了航路规划方案。在此基础上,还提出了自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)从其他位置接近最优航路的方法,包括两部分:一是建立以时延为观测量的滤波模型,利用滤波算法实时获取AUV的位置估计值;二是基于可观测度分析结果对最优航路接近过程的轨迹进行了设计。二者的结合使得AUV高效率且高精度地逼近最优航路。仿真证明了采用所提出的航路规划方案和最优航路接近方法可以提高导航精度,航路规划方案使得AUV位置估计的均方根误差近似为2 m。

基于同态滤波技术的水下目标运动参数估计

针对测量平台空间有限条件下的近场目标运动分析问题,提出了一种基于浅海射线声学多途结构的单水听器水下目标运动分析(TMA)方法。通过构建匀速直线运动目标的三维多途时延模型,推导了以运动参数为变量的直达声和海面一次反射声时延差的非线性函数表达式;根据典型水声信道特征,推导了信道的倒谱表达式,进而利用同态滤波技术解卷积能力估计直达声和海面一次反射声时延差;结合Levenberg-Marquardt方法求解非线性方程的最优解;最后提出二次逼近校正方法,降低了实际水文条件对参数估计的影响。仿真结果证明了方法的正确性,参数估计精度满足实际应用需求。

基于NI ELVIS Ⅱ+的信号处理技术虚拟仿真开放式实验教学探析

近几年,国家重点研发科技方向之一为海洋领域,目前水声工程领域的各科研单位亟须从事水声信号处理技术的研究型人才。针对这一需求,水声工程专业研究生课程教学改革必须体现"基础理论、分析方法和工程实践技术并重"的理念。在研究生一年级的课堂教学环节中,研究生可以灵活进入国家级开放式水声教学实验中心,通过调试NI ELVIS Ⅱ +信号处理实验箱,完成水声信号处理基础案例设计。这不仅可以开阔研究生的工程实践能力视野,也为研究生的毕业设计和未来从事科研工作建立一定的水声信号处理技术储备。

无人平台自主探测声呐的发展现状和展望

无人平台已成为各国海军竞相发展的领域,而自主探测声呐作为无人平台的“耳目”,是其完成水下作战任务的前提。本文概述了国内外无人平台自主探测声呐的发展现状,对国外主要的无人水面平台、水下平台的自主探测声呐系统进行了介绍,并以“基于矢量水听器阵的无人平台远程主被动自主探测系统”为例,给出了具体应用,介绍了静态目标、运动目标以及主动工作模式下的外场试验结果。最后从智能化、模块化、协同化、编队化4个方面展望了无人平台自主探测声呐的未来发展趋势。

基于均匀圆阵中心对称性的相干源方位估计

均匀圆阵的相干源方位估计一直是阵列信号处理中备受关注的问题,而现行算法的分辨率仍有进一步提高的空间。针对这一问题,本文提出了一种基于均匀圆阵中心对称性的解相干算法。首先利用模式空间变换将均匀圆阵等效为虚拟均匀线阵,然后利用均匀圆阵的中心对称性对模式空间数据进行共轭平均,最后计算数据的相关函数并据此构造Hermitian Toeplitz矩阵,实现相干源的方位估计。本算法实现简单,与传统算法相比具有更高的分辨率和方位估计精度。仿真实验证实了所提算法的有效性和性能优势。

基于稀疏信号重构的阵元位置误差校正方法

阵元位置误差的存在会严重影响水听器阵列的测向性能,为此在使用阵列之前需对该误差进行校正。针对这一需求,提出了一种对任意阵型适用的高精度阵元位置有源校正方法。结合远场阵列模型以及位置误差"有界"的特点,基于压缩感知理论,将阵元位置估计转化为对稀疏信号的重构过程,建立了阵元位置误差模型,构造了该模型下凸优化函数,并采用l_1-SVD(Singular Value Decomposition,SVD)方法进行求解,同时给出了物理解释和算法实施步骤。计算机仿真表明基于稀疏信号重构的校正方法性能明显高于子空间拟合算法,且性能接近相应克拉美罗下界,对于校正源方位误差有较强的容错能力,不受制于微小误差的假设以及初值的选取。该方法是一种可对阵列中的部分或全部阵元进行校正的高精度、稳健的有源校正算法。

时空域联合的水下未知线谱目标检测方法

水下线谱目标被动检测中,目标辐射线谱信号的方位、频率、个数等信息通常未知,且线谱检测性能容易受到宽带干扰及背景噪声的影响。针对此问题,该文提出一种时空域联合的未知线谱目标检测方法(STJD)。首先,利用线谱信号的相干特性,构建了一种能够自主匹配未知线谱信号的时空域联合滤波器,用以滤除接收信号中的宽带背景干扰及噪声。之后,对滤波信号进行常规频域波束形成得到空时2维波束输出,其具有相对纯净的线谱谱峰。在此基础上提取线谱并利用线谱信息计算空间方位谱,进而实现对线谱目标的检测。理论推导及仿真结果表明该文方法能够对未知线谱信号进行最小均方误差意义下的时空滤波,并能充分地利用线谱信息进行线谱目标的被动检测。与已有基于线谱特征的线谱目标检测方法相比,该文方法对信噪比(SNR)的要求较低,在多目标、多线谱等复杂情况下具有较好的线谱目标检测性能。

Hilbert-Huang变换在瞬态信号检测中的应用

空投物体入水时产生具有时域冲击特性的信号,一般称之为瞬态信号。Hilbert-Huang变换可通过经验模态分解和Hilbert谱分析两种方法,从时频角度对瞬态信号进行分析。介绍了Hilbert-Huang变换的基本原理,建立了瞬态信号的数学模型,提出了基于Hilbert-Huang变换的信号重构瞬态信号检测方法,并与传统能量检测器的性能进行了对比分析,最后通过软件仿真和湖试数据处理验证了该方法的可行性和有效性。

运动平台混响背景下基于低秩稀疏分解的目标回波增强

在水下航行器等运动平台上,主动声呐的近距离滤波结果受混响干扰影响严重,大量的混响回波亮点会掩蔽目标回波的可见性,导致后续检测判决的虚警率增大。以阵列处理的方位历程图作为基本输入,该文利用某些场景下混响干扰相邻周期间潜在的相干结构,假设混响满足低秩性;由于平台间的相对运动,假设感兴趣的目标回波在逐周期间是不相关且稀疏的。之后,将方位历程图表示为低秩的混响、稀疏的运动目标回波和噪声成分,在此基础上提出以加速近端梯度法(APG)和快速数据投影法(FDPM)分别实现离线和在线的低秩稀疏分解,从而实现混响抑制和目标回波增强。试验结果验证了假设模型的有效性,并且两种分解算法均能有效地增强目标回波。

基于双信号对比法的水声信号重构技术

针对水声信道的多途干扰问题,提出了一种适合同态系统的信号重构方法。从同态滤波技术的解卷积特性出发,推导了水声多途信道的复倒谱表达式,对比不同地点或不同时刻接收信号的倒谱特征,通过提取相似性高的成分,实现了基于双信号对比法的水声信号重构技术。仿真和试验数据处理结果验证了方法的有效性,且性能优于常规特征滤波器。

基于局部瞬时能量密度级的瞬态信号检测方法

为实现低信噪比条件下的水声瞬态信号检测,该文提出子波检测和局部瞬时能量密度级双重降噪方法。该双重降噪方法通过自适应选取含有用信号的某阶固有模态函数(IMF),计算Hilbert能量谱并进行局部积分,滤除子波检测残留下来的带外噪声。此外,结合宽度-包络联合检测机制,构造了水声瞬态信号局部瞬时能量密度检测器。湖试数据处理结果表明,局部瞬时能量密度检测器可有效降噪并在低信噪比条件下提取瞬态信号,较传统能量检测器具有更好的检测性能。

基于Chan算法的水下测控设备组网数据融合技术研究

依据水下测控设备组网系统的工作特点,为了有效挖掘现有测控设备的使用效能,构建高精度的综合性水下测控网络,该文提出基于Chan算法的水下测控设备组网集中式数据融合定位算法。该算法首先利用基于波达时间的加权最小二乘算法粗测目标位置,然后依据该目标位置和测量时延信息的关系,构造新的误差矢量,利用该误差矢量再次加权最小二乘估计解算目标位置。研究结果表明,该算法可实现多套水下测控设备的数据融合,可有效提高全域范围的定位精度,且精度高于纯基于波达时间的融合定位算法。

强多途环境下水听器阵列位置近场有源校正方法

针对水听器阵列近场强多途环境下的校正需求,提出了一种高精度的多辅助源阵列位置校正方法.综合近场点源非平面波模型和泰勒近似原理,构建了近场阵元位置二维误差模型,进而获得信号特征向量与阵元位置误差的线性映射关系.推导并计算了校正模型的克拉美罗界(CRB).研究了多途对阵元位置校正的影响,将多途干扰视为位置已知的相干源,提出了多途补偿策略.理论及仿真结果表明,近场多辅助源阵列位置校正方法具有较高的精度,在低信噪比时接近CRB,对于辅助源位置等误差具有一定的容忍度,且适用于强多途环境.湖试验证了方法结论的正确性.