基于正反HFM信号的水下高速小目标处理算法与试验分析

针对水下高速小目标的特点,提出了基于宽带正反双曲调频(HFM)信号的水下高速小目标检测与参数估计快速算法,并完成了仿真。通过在信号发射端加入时间伸缩因子来模拟目标运动,实现了水下高速小目标检测与参数估计的动态试验。并采集了雷体的反射回波数据。设计的以TMS320C6701为核心的信号处理系统,通过本文提出的快速算法实现了低信噪比下雷体反射回波检测与参数估计。试验结果表明,基于正反HFM信号的快速处理算法及数字信号处理(DSP)系统能有效完成低信噪比下的高速目标回波的检测与参数估计,与仿真结果具有较好的一致性.

复杂水下环境中的Dual-HFM速度谱优化

在理想环境下,双双曲调频(dual hyperbolic frequency modulation,Dual-HFM)速度谱估计方法可得到高分辨率的连续多普勒估计结果。然而由多径、双目标环境引起的旁瓣干扰,削弱了速度谱方法抑制噪声的能力,影响目标参数估计。针对该方法在多径、双目标等各种复杂水声环境中的应用,进行了深入的讨论,推导了多径、双目标造成的速度谱旁瓣位置,并提出了基于多帧信号的速度谱旁瓣抑制方法,利用另一维度信号空间中目标回波信息与多径杂波旁瓣的差异性,抑制了复杂水下环境中的速度谱旁瓣,并保留了速度谱计算量低的优点。通过数值仿真验证了所提方法的适用性,为低信噪比、多径、双目标环境下的多普勒估计提供了理论依据。

基于CLEAN算法的HFM脉压信号研究

双曲调频(HFM)信号对多普勒频移不敏感,但其脉压结果时宽较大,距离分辨力较低,难以实现邻近多目标的检测。利用CLEAN算法对HFM信号的多目标脉压结果进行处理,将估计出的最强目标的理想脉压输出逐步抵消,使得相邻弱目标依次显现,改善了邻近多目标脉压输出,提高了距离分辨力。仿真结果验证了本文所提方法的有效性。

基于分段调相的HFM信号间歇采样干扰研究

高速运动目标场景下,双曲调频(Hyperbolic Frequency Modulated,HFM)波形以其特有的多普勒不变性,在间歇采样干扰模式中仍能保证良好的成像效果。提出一种基于分段调相的间歇采样干扰方法,推导了不同调相函数下HFM间歇采样干扰信号的脉冲压缩结果,分析了干扰参数对回波信号的影响。通过调整干扰参数,能够完成对假目标位置、幅度和间距的调控,缓解假目标的衰减速度,实现欺骗或压制干扰效果。通过仿真验证了该方法的有效性,该结论可为HFM信号的干扰波形设计提供理论依据。

基于CAZAC序列调制HFM信号的多用户水声通信方法

针对水声信道时变、频变、强噪声及可用频带资源有限的特点,提出一种水下多用户通信方法。通过分析研究恒包络零自相关(Const Amplitude Zero Auto-Corelation,CAZAC)序列信号、双曲调频(Hyperbolic Frequency Modulated,HFM)信号在水声信道下的扩展特性,设计一种采用CAZAC序列调制HFM信号的多用户水声通信方法。该方法不需前导信号,在同一频带内可实现对多个水声通信用户的识别及通信,且接收端通过相关检测处理具有优良的抗多途、抗多普勒频移特性。对8个用户在典型的水声信道多途模型下进行了仿真,结果表明该方法在水下平台相对运动3 m·s^(-1)、信噪比5 dB的条件下能够实现对多个用户的可靠水声通信。

基于非负矩阵分解的双曲调频信号目标回波增强

双曲调频信号是主动声呐中常用的多普勒不敏感信号。在实际使用中,由于信道变化和混响影响,目标回波较弱。针对水下航行器主动声呐探测性能下降问题,本文提出基于非负矩阵分解的双曲调频信号目标回波增强方法。该方法对目标回波和干扰信号的基矩阵分别定义,将发射信号的时频图作为目标回波的频率信息矩阵,对目标回波的时间信息矩阵做出约束,迭代处理完成目标回波的增强,获得较高增益的匹配回波检测结果。数值仿真和海上试验结果表明:本文方法与传统匹配滤波方法相比,其峰均比值提高了2 dB以上,提高了回波检测结果。

用双曲线调频信号实现水声通信的频偏估计和同步

水声通信的信道带宽相对较窄,为实行高速通信,需要选择高频带利用率的传输方式。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术允许子载波重叠,在水声通信中具有良好的应用前景。但OFDM的解调对于频率偏移和时间偏移非常敏感,而水声中的频率多普勒偏移相当大。通过仿真和实验表明:在信噪比较低的情况下,使用双曲线调频信号作为导频信号,可以准确地计算出频率偏移,同时实现数据传输的时间同步。

基于似然函数的双曲调频信号参数估计快速算法

相较于线性调频(LFM)信号,双曲调频(HFM)信号因具有良好的脉冲压缩性能和多普勒不变性,被广泛用于雷达侦查、水声探测等多普勒影响严重的场景中,其中HFM信号的参数估计问题尤为重要。有鉴于此,该文提出一种基于似然函数的HFM信号参数估计快速算法。文中首先推导出HFM信号的Cramer-Rao下界作为参数估计的性能评估标准;然后基于高斯随机噪声,构建了HFM信号的似然函数,并结合数据向量化的特点提出一种改进的适应度函数,最后利用全局最优引导人工蜂群(GABC)算法对该适应度函数进行极值寻优,从而实现HFM信号的参数估计;通过蒙特卡洛仿真证明了该方法在信噪比为3 dB以上时,HFM信号的参数估计结果的均方误差更逼近Cramer-Rao下界,且运算量约是原来的1/3,在保证估计精度的同时提高算法收敛速度。

基于声音的高精度距离与速度估计方法

为提高基于声技术的室内定位系统在复杂遮挡环境中的定位性能。基于双曲调频(HFM)信号的频移不变特性,提出基于复合HFM信号的距离及速度高精度估计方法;针对频谱泄漏问题,给出了复合HFM信号调制形式。数值仿真结果表明,所提出方法的测距性能优于传统基于线性调频信号的测距方法。实验结果表明:距离估计误差小于0.1 m的概率为90%,小于0.05 m的概率为80%;速度估计误差小于0.1 m/s的概率为88%,小于0.09 m/s的概率为80%。无论是估计精度还是计算复杂度,均能够满足面向智能移动终端的室内定位系统要求。

一种改进的宽带双曲调频信号检测方法

动物回声定位所用超声波具有双曲调频的形式,充分利用此信号的特性可以提高水下信号处理系统的目标检测性能。利用宽带双曲调频信号自小波变换域的特性,针对直线形式的回波小波峰脊,将宽带目标回波检测问题转化为小波变换二维平面上的直线检测问题。提出了一种改进的基于小波-Radon变换的宽带仿生信号检测方法及其简化算法,并进行了仿真验证,结果表明检测器性能优于完成匹配滤波的宽带小波检测器,充分利用了宽带仿生信号的特性,同时印证了选择宽带双曲调频信号作为发射信号的合理性。

一种基于Wavelet-Radon变换的宽带双曲调频信号检测方法

动物回声定位所用超声波具有双曲调频的形式,充分利用仿生信号的特性可以提高水下信号处理系统的性能。阐述了宽带仿生信号的时间-尺度特性,针对直线形式的回波小波峰脊,将宽带目标回波检测问题转化为小波变换2D平面上的直线检测问题,提出了一种基于Wavelet-Radon变换的宽带仿生信号检测方法,并进行了仿真验证。结果表明,该检测方法充分利用了宽带仿生信号的特性,同时也验证了选择宽带双曲调频信号作为发射信号的合理性。

双曲线调频在高速水下目标航行参数遥测中的应用研究

对于高速、强机动的水下目标来说,其航行参数信息的实时遥测具有重要意义。水声信号的多普勒频移估计与补偿是水声遥测的关键技术之一,它直接影响着水声遥测的效果与性能。本文针对双曲线调频信号及线性调频信号进行仿真分析,对比在相同情况下的多普勒频移可补偿性,仿真实验证明双曲线调频信号具备较高的多普勒容限,其时延值估计精度可达到1μs。结合工程实际,本文采用双曲调频信号与单频信号组合的方式进行水声遥测,充分发挥双曲线调频信号的多普勒不变性和单频信号对多普勒频移的敏感性,在获得较高定位精度的同时,也具备高精度的水声遥测功能。该组合信标信号经过湖上试验验证,具有遥测精度高、误码率低、易于实现等优点,可应用于相关水声工程中。

基于双曲调频距离误差的目标跟踪修正算法

双曲调频信号的多普勒不变性可使运动目标匹配滤波输出的能量损失达到最小,在运动目标检测与参数估计中具有独特优势,已广泛应用于新型主动声呐。然而其多普勒不变性在提高检测能力的同时,会引入目标距离估计误差,从而影响主动声呐跟踪性能。文章在分析双曲调频信号距离估计误差的基础上,提出了目标跟踪算法的误差修正方法,通过将距离估计误差公式与传统观测方程及滤波算法进行融合,实现目标跟踪算法的误差补偿,显著提高了算法的跟踪性能,尤其是对快速运动目标的跟踪性能。

双曲调频波形抑制间歇采样转发干扰效果分析

双曲调频(hyperbolic frequency modulated,HFM)波形具有多普勒不变性,在宽带雷达对高速目标的成像中具有重要价值。而间歇采样转发干扰(interrupted sampling repeater jamming,ISRJ)作为一种常见的有源干扰,利用了脉冲压缩雷达的相干特性,实现了多假目标干扰的效果,对采用线性调频波形的雷达探测有着极大影响。该文基于对HFM波形和ISRJ的模型分析,推导出HFM波形参数与ISRJ的效果之间的相关关系;并经分析表明:HFM波形不仅具有良好的多普勒不变性,而且较线性调频波形对ISRJ有更好的抑制效果。该结论可为HFM波形抗干扰设计提供理论依据,数值仿真验证了结论的有效性。

基于双曲调频波形稀疏重构的干扰抑制方法

双曲调频波形特有的多普勒不变性使其在远程高速目标成像方面具有显著优势。然而波形的非线性调频特性限制了其在现有宽带解调频接收系统中的应用,且在间歇采样转发干扰情形下成像性能退化。为此,在分析目标双曲调频波形解调频回波特性的基础上,提出一种基于稀疏重构的干扰抑制方法。首先,构建了双曲调频波形解调频回波模型与间歇采样转发干扰时域抑制模型。其次,基于此模型建立了相应的稀疏矩阵,并利用目标结构稀疏特性对重建算法进行了加速。所提出的干扰抑制与波形成像方法可实现干扰有效抑制和多目标聚焦成像。最终,通过电磁仿真数据验证了所提方法的有效性。

基于双曲调频的组合波形设计研究

主动声呐通常采用的单频或调频波形时频耦合分辨能力弱,不利于混响背景下的信号检测与估计。先前工作表明,“V”和“W”形双曲调频(HFM)组合波形可以实现距离-速度高分辨和低混响输出,其中W-HFM波形还有效解决了V-HFM波形在多目标场景中的虚假目标问题,但是设计复杂、运算量大。为优化HFM组合波形的设计和应用,该文推导了HFM组合波形的峰脊线斜率表达式。一方面提出V-HFM波形的最小无虚警距离(MNFAD)指标,分析了其多目标适用性;另一方面以典型的W-HFM波形为例,提出了优化的波形设计方案,对工程应用具有指导意义。水池实验数据表明,HFM组合波形实现了距离-速度高分辨、混响输出降低5 dB以上,并且W-HFM波形还抑制了虚假目标干扰。

参数化时频分析在连续波有源探测中的应用

针对双曲调频信号在连续波有源探测中的目标回波检测和直达波干扰抑制问题,提出了基于参数化时频分析的连续波信号处理算法。首先,通过分析双曲调频连续波的信号时频特性,结合参数化时频分析思想,提出了适于有源探测的频域参数化时频变换和针对双曲调频信号的核函数设计。然后,为抑制接收信号中的直达波干扰,采用参数化旋转时频变换处理接收信号,并进行时频域滤波以分离信号分量,再利用反变换重构回波信号。数值仿真和海上实验结果表明,所提算法不仅能准确估计信号时频特征、有效获取双曲调频连续波信号的时频增益、提升检测性能,还可以有效抑制直达波干扰。

水下小孔径阵列远程目标检测方法研究

匹配滤波器频域自适应线谱增强方法是一种基于递归算法的非线性滤波技术,它大大提高了匹配滤波器的检测性能。针对当前该技术使用窄带信号作为发射信号存在可利用的带宽有限,不能充分发挥自适应线谱增强器性能的问题,文章提出将该技术与宽带信号相结合来检测远程目标。仿真显示,该方法在低信噪比条件下获得了较高的信噪比增益和检测概率。海试数据处理结果表明,该技术的处理增益较传统方法高6.24 dB。该方法的高处理增益适合应用在水下无人平台上,弥补了小孔径阵列空间增益不足的缺点,可以实现远程目标的检测。

基于双曲线调频波形的高速目标成像

高速运动目标下,雷达回波的尺度调制效应不可忽略,线性调频(LFM)波形的常规脉压性能恶化,造成成像散焦。双曲线调频(HFM)波形作为一种多普勒不变性波形,在高速目标成像中具有重要应用价值。本文建立高速运动目标回波模型,基于瞬时频率分析比较线性调频波形与双曲线调频波形面对高速运动目标的成像效果,重点分析双曲线调频波形的系统实现、成像特点和应用优势,并与线性调频波形成像进行比较,数值仿真实验结果验证了该方法的有效性。

一种水声宽带双曲调频信号波达方向估计方法

提出了一种基于短时分数阶傅里叶变换的水下宽带双曲调频信号波达方向估计方法.建立了均匀线列阵声呐远场宽带双曲调频信号接收数据模型,在时域将接收信号进行分时段处理,对每一段短时信号分别进行分数阶傅里叶变换,将时域阵列接收数据转化成多段短时分数阶傅里叶域阵列数据,同时将多个时段的时变阵列流形矩阵变换成与每个时段一一对应的多个固定阵列流形矩阵.利用多重信号分类算法估计各短时信号的空间谱,应用求和运算进一步得到整体时段双曲调频信号空间谱,通过谱峰搜索实现对双曲调频信号的波达方向估计.通过仿真实验与分析,对该方法的水声双曲调频信号波达方向估计的有效性进行了验证,分析了该方法在阵列接收信号时域分段数、信噪比、目标方位等参数变化条件下的性能.与传统方法相比,该方法具有更高的方位分辨率和估计精度.