高阶伪随机信号在对地通讯中的应用

对地通讯(Through-The-Earth Communication,TTEC)以大地为传播介质,使用低频电磁波来传输信息,在地下工程建设调度、预警、救援中有着重要作用.高阶伪随机信号可同时包含数十个频率,其具有易于实现、频率可控、抗干扰能力强的特点,有应用于对地通讯的潜力和价值.鉴于此,本文提出一种基于高阶伪随机信号的对地通讯新方法.通过在高阶伪随机信号中设置静态频组和动态频组,利用静态频组保证多个主频的平均幅值以维持发射稳定性,利用动态频组对通讯信息编码,传输有效信息.在实际工作时,发射端将通讯信息编码转换为高阶伪随机信号,利用长导线源向大地发射,接收端利用电极或者线圈接收电磁信号,经模式识别、时频变换、反向解码转换为有效通讯信息.通过仿真测试和在济南市某煤矿井下试验,完成有效通讯信息的发射、传输、解译等过程,实现了基于高阶伪随机信号的对地通讯方法,验证了方法在地下工程通讯的可行性和可靠性.

便携式节点化广域电磁探测系统

传统人工源电磁法必须采集特定方位的电磁场实现探测,观测系统严苛,在地形地物复杂区人为误差大,导致视电阻率计算不准确.为解决该问题,本文提出宽方位电磁探测方法,定义任意电磁场的视电阻率参数,打破坐标系禁锢,实现任意电磁场的对地探测,观测系统灵活;基于伪随机信号混合编码和FPGA合成技术研发了大功率高效率电磁发射机,实现了复杂伪随机信号的动态装载,具有频差小、频率密度高、可根据探测目标动态调整发射频率的特点;研发了便携式节点化电磁采集仪,采用手机APP实现高精度导航定位、状态监控和采集控制,实现了数据采集的自动化.集成的便携式节点化广域电磁探测系统具有自动化程度高、人为误差小等优点,可实现360°全方位测量,为高效精细电磁探测提供技术装备支持,已成功应用于川藏铁路德达隧道探测.

超短基线在低频基阵指向性测量中的应用

随着水声换能器工作频率的降低,实验室空间很难达到自由场和远场测量的要求。而开阔水域的水下环境复杂,基阵很难实现更深层次的吊放,需要安装价格昂贵的吊装平台来获取标准声源与待测基阵之间的相对位姿,效率低且维护成本高。文章采用超短基线定位技术,信号选用线性调频脉冲信号与伪随机编码脉冲信号,并分别基于脉冲压缩法和复相关算法实现距离和相位测量。比对湖上定位精度试验和基阵指向性标定静态试验的结果显示:角度误差为2.5°以内;-6 dB波束宽度在2~10 kHz频率范围内测量误差在5.38%以内。证明超短基线定位在低频基阵指向性标定的可行性。

基于伪随机序列的松散煤体声学测温方法及应用

长期以来,采空区、煤堆、煤仓等空间的煤自燃火灾时有发生,受限于工作区域的复杂环境和火源探测技术瓶颈等因素,较难实现煤自燃灾害高温点的快速量化识别。而声学测温技术具有测量精度高、测温范围宽、测量空间大等特点,可实现采空区等隐蔽火源位置精准探测且极具发展前景。目前该技术在松散煤体温度测量领域尚处于基础研究和实验室研究阶段,仍需开展大量研究。基于伪随机序列的优越性能,将其引入作为声源信号,并根据声学测温原理和伪随机序列声源信号产生原理,搭建了松散煤体声波测温试验系统。系统主体部分包括声学测试系统、程序升温系统、隔音系统和煤样箱体,结合试验测试和仿真模拟方法,验证了系统的准确性。利用理论分析、Matlab仿真和试验测试相结合的方法,开展伪随机序列声源信号的失真特性研究,确定了该信号的最佳处理方法,成功将其应用于松散煤体测温中。结果表明:伪随机序列可以作为采空区、煤堆、煤仓等空间的松散煤体声学测温的声源信号,但需运用二次相关PHAT–β算法对伪随机序列声源信号发生频率区间(1000~3000 Hz)进行处理,使频带变窄,能量集中;运用伪随机序列声源信号测量声波在松散煤体中飞渡时间,发现不同距离下声波飞渡时间测量结果误差小于5%,并通过了对比验证;伪随机序列作为松散煤体的测温声源信号时,所反演温度与不同粒径的煤样温度之间的平均绝对误差为2.051℃,平均误差率5.293%,能够较为精准、可靠地反演煤温。

北斗卫星船载导航信号并行捕获算法

信号捕获作为实现北斗卫星船载导航的第一阶段,也是最重要的一环,为此研究基于北斗卫星船载导航信号并行捕获算法,在短时间内捕获卫星信号,为船舶提供高精度的定位和导航服务。建立北斗卫星导航信号模型,依据模型生成的北斗卫星导航信号,采用傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)算法以及快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)算法,通过并行频率搜索和并行码相位搜索分别将伪随机码相位、载波频移的二维搜索变成一维进行并行搜索,获取北斗卫星信号的伪随机码和载波频移,实现北斗卫星船载导航信号并行捕获。实验结果表明,该算法可以成功地捕获船载导航信号,并且捕获耗时短;对船载导航信号的载波频率估计误差小。

电弧炉异常炉况电极调节应激干预技术的研究

三相交流电弧炉在冶炼过程中常遭遇短路和断弧异常炉况,这不仅延长了通电和出钢时间,增加了能耗,还威胁到生产的安全性和稳定性。提出了一种创新的基于电弧声信号分析的电极调节应激干预技术,以优化EAF冶炼过程。首先基于75t普碳钢EAF生产现场的电弧声信号探究了短路、断弧与稳态运行时三类电弧声时频特征;利用平滑伪维格纳分布算法来评估电弧声的能量密度水平,确定了异常炉况与稳态运行时的特征频率,实现了异常炉况判别。此外,通过分析稳态运行、短路与断弧前期及发生期的电弧声特征频率,揭示了异常炉况的预测规律。在此基础上,在现有的电极调节控制系统中集成了应激干预机制,并通过程序化实现了自动化控制。工程验证结果表明,该技术能够有效地在3~4秒前预测并干预异常炉况,显著减少了短路和断弧事件,同时降低了7.5%的单吨冶炼能耗,证实了其在提升EAF冶炼效率和降低成本方面的潜力。

扫频雷达双频连续波伪信号干扰效应

为掌握典型雷达双频电磁辐射伪信号干扰的效应规律,揭示双频伪信号干扰效应机理,以某型Ku波段扫频测距雷达为试验对象,开展双频连续波伪信号干扰效应试验,分别揭示了二阶互调射频干扰、二阶互调低频干扰和三阶交互调低频干扰效应机理,并确定了伪信号电平随干扰场强的变化规律,解释明了伪信号的形态特征和产生位置。试验结果表明:当干扰频差为540~660 MHz时,带外双频二阶互调信号会造成脉冲型伪信号干扰,伪信号产生的位置随机;当干扰频差小于5 MHz时,双频二阶互调信号和三阶交互调信号均会造成冲激型伪信号干扰,伪信号产生的位置固定。

雷达带外三阶互调伪信号干扰效应预测模型

为评估雷达装备的抗电磁干扰性能,从电磁辐射伪信号干扰效应机理出发,理清带外多频三阶互调信号与带内单频伪信号干扰效应贡献度之间的关联关系,引入伪信号干扰效应指数的概念,建立了三阶互调伪信号干扰效应评估模型,并基于伪信号电平值的变化规律提出了模型修正方法和效应测试预测流程。以某型步进频连续波测距雷达为研究对象,采用差模注入等效替代电磁辐射的方法对受试雷达进行带外三阶互调临界伪信号干扰效应试验,结果表明:在雷达工作中心频率两侧,辐射频偏0.2~2.2 GHz的范围内,随着辐射频偏的增大,三阶互调伪信号干扰的影响呈现先增大而后降低的规律。通过改变干扰频点、场强组合和伪信号敏感电平的方式开展试验验证,证明了三阶互调伪信号干扰模型的准确度优于2 dB,能够客观评估雷达装备三阶互调伪信号干扰。

利用部分可信信号的导航终端欺骗干扰检测方法

导航信号认证服务处于初步部署阶段,认证信号对地覆盖重数无法满足独立定位授时需求,现有研究对这一阶段利用部分通过认证的信号,即可信信号,实现欺骗检测的方法关注度较低。针对这一现状,该文根据欺骗攻击原理,提出以可信信号为基准,基于可信信号伪距残差的欺骗检测方法,建立该场景下的欺骗检测模型,并分析影响所提方法检测性能的因素。经过仿真,在可信卫星数目为3颗、用户定位精度约10 m条件下,当欺骗导致的定位偏差为100 m时,该方法的平均欺骗检测概率可达0.96。此外,该文对算法欺骗检测盲区进行了分析,证明所提算法对于绝大部分欺骗导致的定位结果均有效。

一体式GNSS接收机观测值精度评估

随着一体式全球导航卫星系统(GNSS)接收机的广泛应用,用户对接收机的观测值精度的关注度越来越高。通过信号转发器将室外GNSS信号引入室内,无须使用功分器对一体式GNSS接收机进行零基线测量。将GNSS接收机的双差伪距观测值和三差载波相位观测值进行统计,再对三台接收机零基线观测值进行方差估计,求得单台接收机伪距和载波相位观测值精度。对4种型号的GNSS接收机在相同时间段1h的全球定位系统(GPS)L1 C/A、L2,北斗卫星导航系统(BDS)B1I、B2I共4个频点的观测值精度进行了复现性实验,并统计大样本下4种不同型号GNSS接收机的观测值精度。结果表明,接收机在每日相同观测时间段1 h的观测值精度具有一致性。不同厂商的GNSS接收机在不同频点下的伪距和载波相位观测值精度存在差异。

红外图像评价质量研究

按照红外图像的形成过程分析可认为一幅红外图像是由目标图像、背景图像和噪声图像,目标图像和背景图像是红外图像的主体,噪声图像是叠加在红外图像主体上的干扰。文章从红外图像主体能提供的信息量是否丰富、细节是否明显,噪声图像相对图像主体的大小三个方面入手,对红外图像进行质量评价,评价结果与主观评价相一致,具有较好的可比性。

可控震源伪随机扫描信号的仿真研究

伪随机序列具有良好的的自相关函数,在地震勘探中具有广阔的应用前景,从提高伪随机扫描信号自相关函数性能出发,着重分析了与伪随机扫描信号自相关函数密切相关的重要参数。通过对仿真结果分析得出了载波频率及本原多项式阶次与其自相关函数之间的联系,并给出了伪随机扫描信号长度及幅值的选择原则。

基于Radon-STFT变换的含噪LFM信号子空间分解

由于线性调频信号占有非常宽的频带，用奇异值分解就不能将含噪线性调频信号分解成信号子空间和噪声子空间针对这一缺陷，本文提出了一种基于时颇面旋转的含噪线性调频信号的子空间分解算法文中分析了算法的性质，并提出了“伪信号子空间”的概念和用于检测直线倾角的Radon-STFT变换理论分析和仿真实验的结果表明了这种子空间分解方法对一类含噪线性调频信号是可行的．

多输入多输出热工系统的辨识与建模研究

针对热工系统一般为多输入多输出的特性,介绍了多输入多输出辨识建模方法的基本原理,分析了将多输入多输出系统推导简化为多个多输入单输出系统的具体过程,在此基础上,研究了采用以独立伪随机信号为输入信号的多输入多输出系统的辨识试验方法及相应的辨识算法.利用上述辨识方法建立了某燃煤锅炉燃烧系统的动态数学模型,计算结果表明:该辨识建模方法对多输入多输出热工系统具有良好的建模效果.

热扰动条件下投影物镜温度响应的高精度建模

针对投影物镜温度控制系统具有多重扰、多时滞和时间常数较大等问题,搭建了投影物镜温控实验平台;研究了实验平台的结构、激励信号设计、数据预处理方法和建模算法,建立了超高精度温度响应模型。首先,考虑光刻机对震动和洁净度的严格要求,设计了远距离串级水冷控制系统;进行了物镜温度的阶跃响应实验,采用两点法建立了物镜的温度响应传递函数(粗建模)。然后,根据获得的物镜阶跃响应传递函数,设计二位式伪随机辨识输入信号的参数,并采用分段线性化方法对输入输出数据进行预处理。最后,设计迭代最小二乘算法,辨识得到物镜的ARMAX温度响应模型(精建模)。基于该模型的物镜温控实验结果表明:在环境温度波动幅值达0.6℃并加入3 W的热扰动条件下,物镜温度稳态误差控制在±0.001℃以内,满足光刻机对投影物镜的超高精度温度控制要求。

何继善教授从事地球物理工作60周年学术成就回顾

何继善教授，我国著名地球物理学家、教育家、工程管理学家，我国电（磁）法集大成者之一。1934年出生于湖南省浏阳县。1960年毕业于长春地质学院物探系。1994年当选为中国工程院首批院士。曾任中南工业大学校长、中国有色金属学会副理事长、中国地球物理学会副理事长、中国工程院能源与矿业工程学部主任、湖南省科协主席；1991年～2001年担任《中国有色金属学报》和《中国有色金属学报（英文版1》首任主编；现任湖南省科协名誉主席、中国工程院第五届主席团成员、工程管理学部常委、美国勘探地球物理学家协会（SEG）终身会员。何继善教授长期从事地球物理研究，学术成就卓越。创立了双频激电法，发明了双频激电仪；提出了三元素群的自封闭加法，实现了2”系列伪随机信号的快速递推编码，创立了伪随机信号电法体系；创立了高分辨率检测堤坝管涌渗漏入水口的“流场法”，为病险水库隐患探测和汛期堤坝查险提供了必不可少的技术支撑和科学抢险决策依据；统一了频率域电磁法全区电阻率的定义和算法，创立了广域电磁法，为电磁勘探开辟了崭新的研究领域；创建了中国第一个以地电场与观测系统为特色的国家级重点学科；发明了一系列具有国际先进水平和自主知识产权的地电场观测仪器和装备，为中国资源勘探和工程勘察事业作出了重大贡献。他创立和发展的以伪随机信号电磁法和双频激电法为特色的勘探地球物理理论体系，被国际上誉为应用地球物理界的一重大事件。他的研究成果和学术思想对中国地球物理学的发展有重要指导意义。

超声波流量计中相关时差法的应用

介绍了一种基于互相关理论的时差法超声波流量测量算法。系统采用时差法声道布置,采集流体静止和有流速状态下的两组回波信号,通过计算相关函数的峰值得到两回波信号时间差,间接得出流量,提高了时差法渡越时间获取的精度。极性相关算法的引入,大大提高了系统运算速度,提高了实时性。采用伪随机信号作为超声激励信号,克服了算法测量范围小的缺陷,更可提高系统精度。实验表明该系统测量精度高,实时性好。

分布式电磁接收系统多频标定信号的产生与检测

为了提高分布式电磁接收系统频域标定的效率和精度,提出了一种基于多频伪随机信号的标定方法并研究了多频标定信号的产生和标定数据的处理方法。首先,根据多频伪随机信号的解析式分析了其主频点的振幅和分布特点,通过现场可编程门阵列(FPGA)实现了伪随机信号的编码合成并产生了高精度双极性标定信号源。然后,基于相关检测的噪声抑制原理,给出了检测含噪声多频标定输出信号幅度和相位的多次相关迭代法并通过仿真进行了验证。最后,对分布式双通道电磁接收系统的采集通道和磁场传感器进行了标定测试。结果表明:在外界噪声不大于标定输出信号幅度的环境下,检测结果幅度误差小于2%,相位误差小于1°。该标定方法快速准确,可用于分布式电磁接收系统在不同野外环境下的频域标定。

随机信号在路面不平度仿真中的应用

重点研究了随机信号在路面不平度仿真中的应用,分别使用AR法和伪白噪声法在空间域下对C级路面进行仿真。仿真使用Matlab语言,仿真步长为0.1m,路面长度为10km。结果表明:两种仿真方法的计算量与所仿真的路面长度成正比,AR法计算量小,而伪白噪声法算法稳定性好,提高仿真精度的措施灵活。

基于伪码子序列分段叠加的快速捕获算法

长周期伪码具有码片速率高、抗干扰等优点,许多扩频通信系统采用了长周期扩频码,但是由于其伪码周期长给捕获带来了一定的难度。针对现有长周期伪码捕获方法速度慢、频偏补偿精度低的问题,提出了一种基于伪码子序列分段叠加的快速捕获方法。该方法将本地伪码序列分为4个子序列,对每一子序列进行分段重叠累加形成新的子序列,然后将新的4个子序列构成两个联合参考序列。接收信号则以四分之一伪码速率进行抽样,将抽样序列与两个联合参考序列通过使用FFT进行快速相关运算来达到长周期伪码捕获的目的。理论分析和计算机仿真结果表明,该方法扩大了搜索范围、提高了捕获速度和频偏补偿精度,具有良好的捕获效果。