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。

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.

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。

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。

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。

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。

基于瞬时频率的双曲调频信号距离估计误差分析

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,从而可对运动目标有很高的检测能力,在运动目标检测与参数估计中具有独特优势,但同时也给目标距离的估计带来一定误差。在双曲调频信号模糊函数、多普勒不变性和匹配滤波特性的基础上,对距离分辨力和测距误差进行了分析,提出了基于瞬时频率的距离误差计算公式,可直接应用于目标距离的补偿以及目标跟踪中量测方程的校正,提高声呐的工作性能。

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。

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。

两种雷达信号脉压性能的比较和分析

脉冲压缩技术有效地解决了雷达作用距离和分辨率之间的矛盾,因而在雷达系统中得到了广泛的应用。经典理论表明,具有脉冲压缩性质的雷达信号往往具有大的时宽带宽乘积,脉压信号的形式不同,则针对同一目标的脉压输出亦不相同。在MATLAB仿真环境下,研究比较了两种不同的雷达信号——线性调频(LFM)信号和双曲调频(HFM)信号,分别从时频特性、静止和运动目标回波的脉压输出、发射和接收信号的瞬时频差以及多普勒时变性质等方面,分析了这两种信号脉压性能的差异。