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宽带噪声中核爆电磁脉冲弱信号检测技术研究

曹保锋  
【摘要】:未来核爆探测技术向距离更远、识别能力更强的方向发展,传统近程陆基核爆探测信号检测方式已不能满足技术发展需求,急需拓展新的信号检测与识别方式,研究具备更高灵敏度,复杂背景识别能力更强的探测系统,以满足陆基远程核爆探测和天基核爆探测技术需求。本文通过研究现代信号处理技术与瞬态弱信号检测技术,将其应用于宽带噪声背景下微弱核爆电磁脉冲信号检测与参数估计,以推动中远程核爆监测关键技术的发展。本文工作主要研究内容和创新性成果如下:(1)核爆电磁脉冲陆基远区与天基过电离层信号特征分析。(2)耦合Duffing混沌振子检测算法理论研究。针对陆基远区NEMP弱信号检测问题,以非线性动力学Duffing方程为基础,通过对阻尼力和恢复力同时施加耦合,构建了一种新的脉冲信号检测算法——强耦合Duffing振子检测模型;提出了“广义阱内失同步”的理论解释,并对基于该理论的模型检测原理进行了详细论述。以信噪比改善和波形相似度指标为工具,研究了模型中策动力幅值、策动力周期、耦合系数、计算步长、阻尼系数等参量对模型信号检测与波形恢复效果的影响,详细研究了该模型对NEMP实测信号的检测效果。通过将阻尼力耦合强度与恢复力耦合强度进行统一,增强了系统的稳定性,通过相位镜像技术,增强了系统的降噪能力。与现有弱耦合Duffing振子相比具有如下优点:可工作于任何相态,可检测脉冲种类多,对系统初始状态不敏感,有利于分段并行计算。该模型对脉冲信号的信噪比检测门限为-15 dB,与其他常规方法的不小于-10 dB相比,具有一定的优越性。(3)强耦合Duffing混沌振子检测算法应用研究。利用具有最大稳定域和最小截断误差的RTRK4算法求解了强耦合Duffing振子方程;利用Simulink和Verilog仿真工具,分析了实时检测系统在FPGA中的实现过程,着重解决了分阶段共用流水线设计、多数据段并行计算、畸变去除与波形恢复等问题。FPGA采样率达到50 MHz,与目前连续波弱信号检测算法的11.1 MHz采样率相比,速度提高了4.5倍。利用该系统在实验平台对模拟LEMP和NEMP信号分别进行了检测,证明了系统的有效性和方法的可行性。(4)基于FRFT的过电离层NEMP弱信号检测研究。首次将FRFT算法应用于过电离层NEMP弱信号检测。实验结果表明,检测概率98%对应的最低可检测信噪比可达-21 dB。与“试验三号”卫星所用带通滤波触发算法相比,最低可检测信噪比减小约10 dB,与FORTE卫星所用STFT算法相比,最低可检测信噪比减小3~5 dB。该方法的探索为开展下一步研究提供了思路。本文研究对发展中远程核爆炸探测技术可起到一定推动作用,尤其是将“负信噪比”核爆效应信号检测技术应用于工程实践,可在关键指标上实现跨越,促进中远程核爆探测技术的发展。


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