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基于单矢量水听器和分数阶傅里叶变换的LFM信号处理技术研究

才振华  
【摘要】:目前,采取单矢量水听器作为声纳的湿端接收器是目前水声领域比较流行而且非常实用的工程应用方式。单矢量水听器信号处理也就成为了水声信号处理领域一个重要的课题和研究方向。 对线性调频信号(chirp, LFM)信号的检测和方位估计是被动声纳信号处理的重要课题。对于LFM信号,单纯的减小处理带宽不能提高处理的信噪比。单矢量水听器空间增益有限,在低信噪比条件下对LFM信号的检测和测向能力都有所下降。 本文首先回顾了单矢量水听器矢量信号处理的基础知识,然后分析了目前流行的LFM信号处理手段,如短时傅里叶变换(STFT)、维格纳分布(WVD)、小波变换(WT)以及分数阶傅里叶变换(FRFT)等时频分析工具用于单矢量水听器对LFM信号进行信号处理的优势和劣势。在对比以上时频分析工具的基础上,本文提出了一种将分数阶傅里叶变换用于单矢量水听器对LFM信号的处理方法,该方法首先利用短时傅里叶变换先在时频域对LFM信号的带宽和脉宽进行估计,对分数阶傅里叶变换(FRFT)的阶数进行预判以减少分数阶阶数的搜索范围,根据预判的阶数对LFM信号做分数阶傅里叶变换,然后在分数阶域内进行调频信号滤波,提高LFM信号的信噪比,再对其LFM信号阶数进行精确估计和FRFT,并进行分数阶域声强方位估计。 仿真数据和海上试验数据处理的结果表明,以上方法可以有效的提高单矢量水听器对LFM信号的检测估计能力和方位估计精度,同时本方法采用的STFT预处理方法符合现代数字声纳的一般处理流程,且计算量较小,本方法基本解决了采用FRFT处理LFM信号在二维时频平面内搜索计算量巨大的问题,具有一定的工程实践应用价值。


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