水下聲信號(hào)處理技術(shù)

前言

　　傳統(tǒng)的水下聲信號(hào)處理技術(shù)是建立在窄帶匹配濾波理論基礎(chǔ)上的。由于窄帶信號(hào)形式簡(jiǎn)單、處理方便、計(jì)算量小，其已廣泛應(yīng)用于水聲信號(hào)處理的各個(gè)領(lǐng)域，如魚雷制導(dǎo)、水聲對(duì)抗、水下通信等。但是，由于窄帶系統(tǒng)存在參數(shù)估計(jì)精度低、目標(biāo)識(shí)別能力差、目標(biāo)回波攜帶信息量小等弱點(diǎn)，因此在對(duì)水聲信號(hào)進(jìn)行處理和特征提取時(shí)存在一定的局限性。早在20世紀(jì)60年代寬帶技術(shù)就應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，寬帶信號(hào)具有目標(biāo)回波攜帶信息量大、混響背景相關(guān)性弱等特點(diǎn)。寬帶的水下聲信號(hào)處理系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有探測(cè)精度高，抗干擾能力強(qiáng)，可提高目標(biāo)檢測(cè)概率等諸多優(yōu)勢(shì)。因此，有利于目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)、參數(shù)的精確估計(jì)以及目標(biāo)特征提取。目前，寬帶信號(hào)處理已經(jīng)受到水聲界的廣泛關(guān)注。　　寬帶處理從方法上大體可分為兩大類：一類是傅里葉綜合法，即將寬帶信號(hào)以一定步長(zhǎng)分為若干窄帶信號(hào)，進(jìn)而利用傳統(tǒng)的窄帶方法進(jìn)行處理，再將結(jié)果綜合，但這樣的處理并不總是有效的，且存在著較大系統(tǒng)偏差；另一類是對(duì)寬帶信號(hào)進(jìn)行二維處理，如寬帶模糊度函數(shù)方法，以及近年來迅速發(fā)展的現(xiàn)代信號(hào)處理方法，如小波變換、時(shí)頻分析等，其中小波變換是為克服傅里葉分析不能做局部分析的缺點(diǎn)而提出來的，由于其分析時(shí)間一頻率局部化的卓越效果而備受關(guān)注，成為信號(hào)處理、信息獲取與處理等許多領(lǐng)域首選的數(shù)學(xué)分析工具，特別適于對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)、寬頻帶信號(hào)的處理。群論從20世紀(jì)晚期開始作為基礎(chǔ)性工具得到廣泛應(yīng)用，與小波變換理論緊密聯(lián)系，成為寬帶信號(hào)處理的有力數(shù)學(xué)工具。　　對(duì)主動(dòng)聲探測(cè)系統(tǒng)而言，為對(duì)抗混響干擾，除了采用先進(jìn)的發(fā)射波形設(shè)計(jì)之外，還可進(jìn)行信號(hào)處理算法研究。在空時(shí)自適應(yīng)處理領(lǐng)域，二維聯(lián)合處理能夠獲得比通常空時(shí)級(jí)聯(lián)處理更好的性能，但是之前的空時(shí)自適應(yīng)處理方法多是針對(duì)于雷達(dá)信號(hào)，本書在其水下聲信號(hào)抗混響方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究和論述?！　”緯饕榻B了水下聲信號(hào)的寬帶處理方法和空時(shí)自適應(yīng)處理抗混響原理與方法。

內(nèi)容概要

本書主要介紹了寬帶信號(hào)及處理的內(nèi)涵、時(shí)間一尺度域特征；發(fā)射信號(hào)的設(shè)計(jì)，目標(biāo)回波信號(hào)的檢測(cè)和參量估計(jì)；小波變換域估計(jì)器一相關(guān)器，散射函數(shù)的估計(jì)對(duì)于物理參數(shù)的測(cè)量誤差的敏感性；利用卡爾曼濾波估計(jì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多亮點(diǎn)位置和速度，分析小波變換域估計(jì)器一相關(guān)器對(duì)于散射函數(shù)誤差的靈敏性。另外，介紹了全維和降維空時(shí)自適應(yīng)處理(STAP)的原理，討論了STAP抗混響的基本結(jié)構(gòu)和流程，敘述了在三種不同應(yīng)用場(chǎng)合下的降維STAP抗混響方法，并分析了各自的處理性能。    本書反映了魚雷聲自導(dǎo)信號(hào)處理的發(fā)展前沿和國(guó)內(nèi)目前現(xiàn)有的研究狀況，面向魚雷自導(dǎo)、水下聲信號(hào)處理技術(shù)研究和該領(lǐng)域從事寬帶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的廣大科研和工程設(shè)計(jì)人員，也可作為相關(guān)專業(yè)研究生和高年級(jí)本科生的參考資料。

書籍目錄

第1章 緒論　1.1  水下聲信號(hào)處理研究的意義  1.2  國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的歷史與現(xiàn)狀  1.3　主要內(nèi)容與安排  參考文獻(xiàn)第2章 寬帶處理與寬帶信號(hào)分析　2.1  寬帶信號(hào)與寬帶處理   2.1.1　寬帶的信號(hào)與寬帶處理的內(nèi)涵   2.1.2  目標(biāo)回波的寬帶模型   2.1.3　寬帶信號(hào)處理與小波變換  2.2　寬帶信號(hào)分析   2.2.1　寬帶調(diào)頻信號(hào)   2.2.2　時(shí)間頻率分集信號(hào)   2.2.3  回聲定位動(dòng)物發(fā)聲信號(hào)   2.2.4　信號(hào)分析小結(jié)   參考文獻(xiàn)第3章 點(diǎn)目標(biāo)的寬帶檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)  3.1  寬帶主動(dòng)信號(hào)波形設(shè)計(jì)   3.1.1 主動(dòng)信號(hào)檢測(cè)波形設(shè)計(jì)   3.1.2  寬帶主動(dòng)信號(hào)參量估計(jì)波形設(shè)計(jì)  3.2  點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)   3.2.1  寬帶小波檢測(cè)器   3.2.2  尺度寬容小波檢測(cè)器　……第4章　小波變換域估計(jì)器－相關(guān)器第5章　散射函數(shù)估計(jì)對(duì)物理參數(shù)誤差的敏感性第6章　寬帶散射函數(shù)估計(jì)與更新的卡爾曼算法第7章　小波變換域估計(jì)器－相關(guān)器對(duì)散射函數(shù)誤差的敏感性第8章　空時(shí)自適應(yīng)處理抗混響原理第9章　降維STAP護(hù)混響方法參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　相對(duì)于其他載體而言，聲波是目前唯一能夠進(jìn)行水下遠(yuǎn)程探測(cè)、通信的手段。現(xiàn)代魚雷是海軍打擊敵方艦艇的主要武器，特別是潛艇的克星。水下聲信號(hào)處理的任務(wù)是在存在干擾背景的情況下，對(duì)水下聲場(chǎng)時(shí)空抽樣并進(jìn)行空間和時(shí)間變換，以提高檢測(cè)所需信號(hào)的能力?！　。?）檢測(cè)目標(biāo)，即搜索、發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)目標(biāo)存在；　?。?）測(cè)量目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)參量，如方位、徑向距離和速度進(jìn)行估計(jì)；　?。?）識(shí)別目標(biāo)，即提取目標(biāo)特征，識(shí)別目標(biāo)真?zhèn)危M(jìn)而采取反對(duì)抗措施。　　在傳統(tǒng)的聲納中，由于窄帶信號(hào)分析方法較為簡(jiǎn)單，處理方便，常采用窄帶信號(hào)，利用窄帶系統(tǒng)進(jìn)行處理。窄帶系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于水下武器制導(dǎo)、水聲對(duì)抗、水下通信、海底地貌測(cè)繪、聲海洋學(xué)等領(lǐng)域，為國(guó)防事業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了巨大的貢獻(xiàn)，已成為這些領(lǐng)域不可缺少的有力工具?！　≡趪?guó)防建設(shè)中，研制新一代的聲納、自導(dǎo)魚雷等先進(jìn)裝備，進(jìn)行電子對(duì)抗、實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)是一個(gè)非常重要而迫切需要解決的問題，這勢(shì)必要求提高微弱信號(hào)檢測(cè)、目標(biāo)參量精確估計(jì)、目標(biāo)識(shí)別與反對(duì)抗等能力，實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)引的要求。窄帶系統(tǒng)由于參數(shù)估計(jì)精度低、目標(biāo)識(shí)別能力差、水聲對(duì)抗和反對(duì)抗水平低等弱點(diǎn)，無法很好地解決上述問題。同時(shí)，窄帶系統(tǒng)難于應(yīng)付如下嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：　?。?）復(fù)雜的水聲作戰(zhàn)環(huán)境造成目標(biāo)信號(hào)嚴(yán)重的起伏和衰落；　?。?）對(duì)目標(biāo)特征的控制大幅度減小了目標(biāo)回波特征；　?。?）目標(biāo)對(duì)魚雷的防御和對(duì)抗，如采用各類誘餌、反魚雷魚雷、反魚雷深彈等對(duì)魚雷進(jìn)行誘騙和攔截，降低了魚雷攻擊的有效性；　?。?）目標(biāo)對(duì)自身的防護(hù)（如采用裝甲和隔艙），降低了魚雷的毀傷效果?！　拵到y(tǒng)通常采用寬帶信號(hào)，可以激發(fā)更多的目標(biāo)特征，使得目標(biāo)回波攜帶有更多的目標(biāo)信息量，而且寬帶混響背景相關(guān)性減弱，有利于目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)參量精確估計(jì)和目標(biāo)特征提取，便于魚雷反對(duì)抗。以下從幾個(gè)方面說明寬帶信號(hào)處理研究的必要性。

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