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关于水中声源的信号检测与定向研究

陈韶华  
【摘要】: 强海洋噪声背景下的微弱信号检测是水声信号处理的一项重要研究内容,它在目标探测识别、水声通信、遥控、遥测及海洋勘探等领域都有广泛的应用。特别是对于声引信而言,能在强噪声中准确检测到目标的微弱信号,是提高设备作用距离和对目标精确定位的前提。在水下通信中,可检测信噪比的降低意味着发射功率的下降或者作用距离的增加,有利于防止敌方截获我方通信,保障我方信息安全。 本文基于最近二十多年来信号检测与处理学科的发展,重点研究了一些现代信号处理方法在水声信号检测处理中的应用,如基于现代互谱的谐波频率估计、高阶统计量方法、混沌振子检测、循环统计量方法、基于Laguerre变换的线性调频信号检测和基于频率卷绕的多正弦信号检测等;同时也研究了一些传统信号检测处理与定向方法的实现或改进,如时域平均的搜索方法、极性相关检测和定向、对称相关检测、自适应滤波、各种传统时延估计方法和基于最小二乘的自适应FIR时延估计等。 本文主要在如下几个方面有所创新: 1.研究了时域平均处理增益与截断周期对信号周期整数倍的偏移量之间的关系,在此基础上提出了时域平均的搜索方法,可用于在一定频带内搜索线谱信号。本文仿真条件下,有效检测的信噪比下限达到-36dB。 2.研究了互谱和互高阶累积量Levinson方法、互谱和互高阶累积量Pisarenko方法、互谱和互高阶累积量MUSIC方法对于谐波频率的估计原理,比较了它们的估计性能,在此基础上提出了扩阶特征方程的消去降阶法,它可以有效消除由于扩阶引起的谱估计的伪峰,得到精确的频率估计。 3.基于最小二乘准则和自适应滤波原理,提出了一种高精度FIR时延估计方法,进行了仿真分析和消声水池试验分析。在此基础上,研究了舰船尾部定向问题,仿真结果证明了此时延估计方法的有效性。 4.研究了Laguerre变换在线性调频信号检测中的应用,提出了一种线性调频信号检测的新方法。通过恰当设定Laguerre变换参数,可以抵消线性调频信号的频率变化,得到单频率的正弦信号。由于把线性调频信号的能量卷绕到一条谱线上,使得可以在约-30dB的信噪比下实现有效检测。 5.基于Laguerre变换引出的频率卷绕方法,提出了一种多正弦信号检测方法。它可以把多个正弦信号相干累加到一条谱线上,从而可以在很低信噪比下有效检测信号,在多频率调制和时频二维编码等通信信号检测上有重要应用价值。


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