水下聲信號處理技術

《水下聲信號處理技術》主要介紹了寬帶信號及處理的內涵、時間－尺度域特徵；發射信號的設計，目標回波信號的檢測和參量估計；小波變換域估計器－相關器，散射函數的估計對於物理參數的測量誤差的敏感性；利用卡爾曼濾波估計複雜運動目標的多亮點位置和速度，分析小波變換域估計器－相關器對於散射函數誤差的靈敏性。另外，介紹了全維和降維空時自適應處理（STAP）的原理，討論了STAP抗混響的基本結構和流程，敍述了在三種不同應用場合下的降維STAP抗混響方法，並分析了各自的處理性能。

《水下聲信號處理技術》反映了魚雷聲自導信號處理的發展前沿和國內目前現有的研究狀況，面向魚雷自導、水下聲信號處理技術研究和該領域從事寬帶系統實現設計的廣大科研和工程設計人員，也可作為相關專業研究生和高年級本科生的參考資料。

第1章 緒論……1

1.1 水下聲信號處理研究的意義……1

1.2 國內外相關研究的歷史與現狀……4

1.3 主要內容與安排……11

參考文獻……12

第2章 寬帶處理與寬帶信號分析……18

2.1 寬帶信號與寬帶處理……18

2.1.1 寬帶的信號與寬帶處理的內涵……19

2.1.2 目標回波的寬帶模型……22

2.1.3 寬帶信號處理與小波變換……24

2.2 寬帶信號分析……29

2.2.1 寬帶調頻信號……29

2.2.2 時間頻率分集信號……42

2.2.3 回聲定位動物發聲信號……49

2.2.4 信號分析小結……56

參考文獻……57

第3章 點目標的寬帶檢測與參數估計……59

3.1 寬帶主動信號波形設計……59

3.1.1 主動信號檢測波形設計……60

3.1.2 寬帶主動信號參量估計波形設計……61

3.2 點目標檢測……67

3.2.1 寬帶小波檢測器……67

3.2.2 尺度寬容小波檢測器……69

3.2.3 基於小波—Radon變換的寬帶HFM信號檢測……70

3.2.4 目標檢測算法分析……74

3.3 點目標參數估計……78

3.3.1 基於小波變換的寬帶信號時延和尺度估計與克拉美—羅限……78

3.3.2 寬帶正反HFM信號的時延和尺度估計……82

3.3.3 目標估計算法分析……87

3.4 檢測與估計算法的實現……92

3.4.1 寬帶信號小波變換的快速計算……92

3.4.2 基於DSP的實時軟件開發……95

3.4.3 軟件驗證……101

參考文獻……103

第4章 小波變換域估計器—相關器……106

4.1 海森伯格羣和仿射羣……106

4.1.1 羣論的背景知識……106

4.1.2 海森伯格羣……108

4.1.3 仿射羣……109

4.1.4 窄帶和寬帶模糊度函數……109

4.1.5 Frobenius-Shur-Godement(FSG)定理……110

4.2 寬帶估計器—相關器……112

4.2.1 估計器—相關器……112

4.2.2 寬帶估計器—相關器的推導……116

4.3 體目標的散射函數……119

參考文獻……120

第5章 散射函數估計對物理參數誤差的敏感性……124

5.1 引言……124

5.2 環境散射函數誤差……129

5.2.1 環境散射成分……129

5.2.2 誤差的理論推導……132

5.2.3 敏感性仿真分析……133

5.3 目標散射函數誤差……146

5.3.1 目標散射成分……146

5.3.2 散射體個數誤差……148

5.3.3 散射體位置誤差……151

5.4 總散射函數誤差……154

5.4.1 散射函數的總誤差……154

5.4.2 總散射誤差仿真分析……154

5.4.3 關於波形設計的討論……156

參考文獻……156

第6章 寬帶散射函數估計與更新的卡爾曼算法……161

6.1 引言……161

6.2 寬帶散射函數的卡爾曼濾波……162

6.2.1 濾波算法的推導……162

6.2.2 推導結果的分析……170

6.2.3 擴展卡爾曼濾波器的推導……171

6.3 寬帶散射函數估計與更新的實現……173

6.3.1 旋轉體的跟蹤……173

6.3.2 直線運動的跟蹤……175

參考文獻……177

第7章 小波變換域估計器—相關器對散射函數誤差的敏感性……181

7.1 WTD-EC的實現……181

7.1.1 協方差矩陣的特徵值計算……181

7.1.2 似然比函數的推導……184

7.1.3 接收機工作特性的計算……186

7.1.4 WTD-EC的計算……188

7.2 小波變換域EC的敏感性……189

7.2.1 敏感性的推導……189

7.2.2 輸入信噪比的估計……191

7.2.3 散射體誤差的敏感性……194

參考文獻……198

第8章 空時自適應處理抗混響原理……201

8.1 STAP 原理介紹……201

8.1.1 全維處理方法……201

8.1.2 降維處理方法……204

8.1.3 性能表徵……205

8.1.4 降維STAP算法……208

8.2 STAP 抗混響基本結構……217

8.2.1 基於時域信號疊加的混響模型……218

8.2.2 混響空時數據結構……225

8.2.3 STAP抗混響的流程……228

參考文獻……229

第9章 降維STAP抗混響方法……231

9.1 基於數據空時平滑的處理方法……231

9.1.1 數據的空時平滑處理……231

9.1.2 子組輸出相干疊加的STAP……234

9.2 三維STAP 處理方法……241

9.2.1 混響的三維特性分析……242

9.2.2 三維STMB方法……245

9.2.3 性能分析……249

9.3 梳狀譜信號的STAP處理方法……252

9.3.1 梳狀譜信號混響的空時特點……253

9.3.2 梳狀譜信號的降維STAP……257

9.3.3 性能分析……258

參考文獻……260 ^[1] 

傳統的水下聲信號處理技術是建立在窄帶匹配濾波理論基礎上的。由於窄帶信號形式簡單、處理方便、計算量小，其已廣泛應用於水聲信號處理的各個領域，如魚雷制導、水聲對抗、水下通信等。但是，由於窄帶系統存在參數估計精度低、目標識別能力差、目標回波攜帶信息量小等弱點，因此在對水聲信號進行處理和特徵提取時存在一定的侷限性。早在20世紀60年代寬帶技術就應用於軍事領域，寬帶信號具有目標回波攜帶信息量大、混響背景相關性弱等特點。寬帶的水下聲信號處理系統與傳統的窄帶系統相比，具有探測精度高，抗干擾能力強，可提高目標檢測概率等諸多優勢。因此，有利於目標信號的檢測、參數的精確估計以及目標特徵提取。目前，寬帶信號處理已經受到水聲界的廣泛關注。