信号处理与现代科技发展12.ppt

信号处理与现代科技发展,曾鸣,信号处理在电、光、声为载体的当今世界中，以其基础性和渗透性和支撑性作用在现代科技发展中扮演着重要角色。进入21世纪随着计算机、电视、通讯、网络技术的普及和发展，信息化程度的提高，信号处理技术的重要性、不可替代性不言而喻。,无时无所不在的信号-处理信号处理同人类的历史一样悠久。可以说，自从有了人类就有了信号处理，千万年来人类的交流实际上就是信号处理的过程。信号处理的对象就是客观世界，信号处理接收传感器是眼耳鼻舌等感官，信号处理“终端”就是人类大脑，人类梦想“千里眼、顺风耳”。从伽理略发明望远镜到第二次世界大战中产生的雷达，到今天的信息网络，信号处理技术一直伴随着技术革命在成长、在进步；信号处理内涵发生了质的改变。使人类真正拥有了“千里眼、顺风耳”；而太空游，“上九天揽月、下五洋捉鳖”的豪情壮志也不再是可望不可及的幻想。久有凌云志，重上井冈山。千里来寻故地，旧貌变新颜。到处莺歌燕舞，更有潺潺流水，高路入云端。过了黄洋界，险处不须看。风雷动，旌旗奋，是人寰。三十八年过去，弹指一挥间。可上九天揽月，可下五洋捉鳖，谈笑凯歌还。世上无难事，只要肯登攀。（中国人登上月亮的日子不远啦、我国已研制出世界一流，能潜入海底8000米深的潜水船）,现代计算机技术的突飞猛进，特别是DSP芯片的出现，使电脑作为功能最强大的信号处理工具而逐步取代人脑，信号处理出现革命性的飞跃，信号处理呈现出无穷无尽的前景，其触角伸展到人们生活的每一个角落。从我们身边的手机、收音机、MP3、MP4、VCD、DVD、照相机、摄像机，音响、汽车、到医疗中的、超、自动手术刀等，军事上的智能天线、精密制导炸弹、电子预警，以及目前迅速发展的快速图像处理技术、语音处理系统、高清晰度数字电视技术。现代信号处理已经广泛应用于雷达、声纳、网络、通信、自动化、地球物理、航空航天、生物医学、天文、振动工程等几乎所有技术领域，所有电子设备中。信号处理技术的前景无可限量。,信号处理的基本概念,信号处理技术的应用及在科技发展中的作用,目前信号处理技术研究的主要内容、关键技术,讲座基本内容,信号处理发展史中的几个重要人物,一、信号处理的基本概念,1、基本概念：信号是信息的载体，它以电、光、声等形式实现信息的传输、记忆、处理、转换。信息时代=信号时代,电信号和非电信号（物理属性）、信号连续时间信号和离散时间信号（取值性）、确定信号和随机信号（概率属性）周期信号和非周期信号（频谱属性）。,信号检测：通常属于前处理包括信号提取、判断（微弱信号处理技术），信号转换（传感器技术）等。信号处理：通常属于后处理，是对信号进行某种加工变换或运算、分析包括：放大、滤波、均衡、消噪、变换（调制、解调、编码、压缩、提取）、运算（估计、识别）等许多方面。,信号处理：包括信号检测、信号处理,时域处理中最典型的是波形分析，示波器就是一种最通用的波形分析仪器和测试仪器。把信号从时域变换到频域进行分析和处理可以获得更多的信息。信号处理分为模拟信号处理和数字信号处理由于计算机和逻辑集成电路的应用和普及，数字信号处理是目前信号处理的主要方式和手段。信号处理的理论基础是付立叶变换。信号处理实现方法有软件方法和硬件方法。,信号处理包括时域处理和频域处理,2、信号处理研究的基本内容和目的1）信号处理是研究系统对含有信息的信号进行加工（变换），以获得人们所希望的信号，从而达到提取信息、便于利用的一门学科2）信号处理的内容：检测、滤波、变换、谱分析、估计、压缩、识别、编码等一系列的加工处理3）基本内容是:进行信号的时域、频域分析和处理。信号处理研究付立叶变换和各种变换、研究噪声特性、研究微弱信号检测方法（软件-算法，硬件-装置、电路）和滤波技术、变换、运算技术等。4）基本目的是:抑制噪声提高信噪比和进行加工。信号处理理论和技术：理论：包括变换（付氏、小波等），检测（统计、混沌等），估计（贝叶斯、最小二乘等），滤波（现代滤波、鲁棒滤波等），识别，编码等软件技术（算法：数字滤波、卡尔曼滤波、自适应滤波、信息融合等）。硬件技术（实现手段：DSP芯片，自适应芯片、锁相环、锁定放大器、FPGA现场可编程逻辑阵列等）。,二、信号处理发展历史中的几个重要人物1）仙农（C.E.Shannon）（1916）美国数学家。1948年建立信息论。信息论是现代通信理论的基础，在计算技术、自动控制等方面也得到广泛的应用。1948年，在贝尔系统技术杂志上发表了一篇题为通信的数学理论的论文，在信息的认识方面取得重大突破，堪称信息论的创始人。这篇论文以概率论为基础，深刻阐述了通信工程的一系列基本理论问题，给出了计算信源信息量和信道容量的方法和一般公式，得到了著名的编码三大定理，为现代通信技术的发展奠定了理论基础。,仙农(Shannon)定理：只有当采样频率fs.大于信号中,最高频率fmax的2倍时,即:fs.max=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，才能无失真的复现原连续信号信息。,a)正常采样b)欠采样,2）维纳多才多艺和学识渊博的科学巨人。他一生发表论文240多篇，著作14本。从小就智力超常，三岁时就能读写，十四岁时就大学毕业了。几年后，他又通过了博士论文答辩，18岁成为美国哈佛大学的科学博士。在博士学位的授予仪式上，执行主席看到一脸稚气的维纳，颇为惊讶，于是就当面询问他的年龄。维纳不愧为数学神童，他的回答十分巧妙：“我今年岁数的立方是个四位数，岁数的四次方是个六位数，这两个数，刚好把十个数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9全都用上了，不重不漏。这意味着全体数字都向我俯首称臣，预祝我将来在数学领域里一定能干出一番惊天动地的大事业。”(18的立方等于5832，四次方等于104976，恰好“不重不漏”地用完了十个阿拉伯数字，多么完美的组合！),2）维纳维纳的主要成果有八个方面：建立维纳测度、引进巴拿赫维纳空间、位势理论、发展调和分析、发现维纳霍普夫方法、提出维纳滤波理论、开创维纳信息论、创立控制论。,三十年代他又转向通讯理论的研究，第一个把通讯作为统计过程处理，从而使通讯工程成为一门统计科学。他同中国科学家李郁荣合作建立了“维纳滤波”，以最优方式把噪声同信号分离开来。这是控制论的理论准备之一。“控制论并非如人们所知道的那样产生于美国，它的发端在中国的清华大学。维纳于1954年出版的回顾科学生涯的书我是一个数学家中的自述，他宁愿选择在清华大学任客座教授的1935作为创立控制论的起点。他在清华大学与李郁荣教授合作研制滤波器时，开始了对控制论的研究。正是在清华大学，维纳实现了从纯数学领域向电机工程和技术科学的转变。,李郁荣：维纳的博士。他的最大成就是：与维纳一起建立了“维纳滤波”，发明了相关滤波器并获奖，他是维纳最好的助手和理论实践者。对创立控制论做出了贡献，维纳在发表控制论时曾致谢李郁荣贡献。,3）卡尔曼现代控制理论的奠基人，卡尔曼是继维纳之后，对控制论贡献最大的科学家。他于1930年出生于匈牙利，后移居美国。50年代末、60年代初，在维纳古典控制论基础上，卡尔曼引进了数字计算方法中的“校正”概念，充分吸取了五十年代“最佳化”的研究成果，形成了第二代控制理论-今天人们将之称为现代控制理论。一般认为，他于1960年在国际自动控制联合会第一届大会上发表的控制系统的一般理论，以及相继发表的线性估计和辩识问题的新结果等成果，奠定了现代控制理论的理论基础。这一理论包括以下一些主要内容：多变量控制、系统辩识、最佳估计和最佳控制、自适应控制，等等。卡尔曼在1960年左右，将状态变量引入滤波理论，提出了递推滤波算法，建立了后来被自动控制界称道的“卡尔曼滤波”。,这种滤波理论易于用计算机求解，适于实时处理，如能够从带有噪声的量测数据出发，有效地实时估计出系统的状态，为实施最佳控制提供必要的条件。卡尔曼在现代控制理论领域的开创性工作，具有十分重要的意义，现在已广泛地应用于航空、航天、航海、冶金、石油、化工、交通运输等众多领域，同时也具有深刻的理论意义。,4）高锟“光纤之父”2009年获诺贝尔物理奖光纤电缆是上世纪最重要的发明之一。光纤电缆以玻璃作介质代替铜，使一根头发般细小的光纤，其传输的信息量相等于一条饭桌般粗大的铜“线”。它彻底改变了人类通讯的模式，使“用一条电话线传送一套电影”的幻想成为现实。年，高锟提出了用玻璃代替铜线的大胆设想：利用玻璃清澈、透明的性质，使用光来传送信号。他当时的出发点是想改善传统的通讯系统，使它传输的信息量更多、速度更快。对这个设想，许多人都认为匪夷所思，甚至认为高锟神经有问题。但高锟经过理论研究，充分论证了光导纤维的可行性。不过，他为寻找那种“没有杂质的玻璃”也费尽周折。为此，他去了许多玻璃工厂，到过美国的贝尔实验室及日本、德国，跟人们讨论玻璃的制法。,那段时间，他遭受到许多人的嘲笑，说世界上并不存在没有杂质的玻璃。但高锟的信心并没有丝毫的动摇。他说：所有的科学家都应该固执，都要觉得自己是对的，否则不会成功。后来，他发明了石英玻璃，制造出世界上第一根光导纤维，使科学界大为震惊。高锟的发明使信息高速公路在全球迅猛发展，这是他始料不及的。他因此获得了巨大的世界性声誉，被冠以“光纤之父”的称号。美国耶鲁大学校长在授予他“荣誉科学博士学位”的仪式上说：“你的发明改变了世界通讯模式，为信息高速公路奠下基石。把光与玻璃结合后，影像传送、电话和电脑有了极大的发展”,三、信号处理技术在现代科技发展中的作用信号处理技术作为一项基础性、支撑性技术涵盖于各项学科技术中如计算机、网络、通讯、广播、电视、雷达、声纳、航空、航天、控制、电路、汽车电子、惯性技术等；因此信号处理技术在现代科技发展中是极其重要的，在现代科技发展中扮演着重要角色。从现代科技发展看信号处理技术的应用国务院发展研究中心作的2005年世界科技发展综述中提到现代科技发展的五大技术：信息技术、生物技术、能源（风能、生物能、太阳能等）、航天、纳米技术（纳医学、纳米电子）,1、信息技术与信号处理信息技术是指关于信息的产生、识别、提取、变换、存贮、传递、处理、检索、挖掘、分析、决策、控制和利用的技术。它的主体技术是指感测(collection）技术、通信(communication)技术、计算机(computer)技术和控制(control)技术。称信息技术为“4C”技术，那一项能离得开信号处理技术。1）通讯与网络改变和缩小了这个世界，真有地球村的感觉；通讯、网络他们的共同特点或任务就是完成：信号的发送（信源）-传输（信道）接收（信宿）,3G:无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代系统网络、通讯追求的目标始终是提高信息传输的可靠性和有效性、快捷性、安全性。纠错码是提高信息传输可靠性的重要手段，抗干扰技术是通讯处理技术的重点。噪声不可避免的存在于通讯系统的信源、信道、信宿。因此提高接收端的信噪比是网络、通讯中的永恒话题。均衡、滤波、消噪、加密、压缩是网络、通讯中最常用的信号处理方法。,网络发展是构建在集成电路技术、光纤传送技术、无线通信技术到信息存储技术到图形显示技术.网络技术、计算技术、交换技术、信道技术、以及资源优化技术等,而这些技术又以信号处理技术作为基础。跨入21世纪，数字家庭网络开始在中国蓬勃兴起。高科技已越来越多地进入家庭之中，网络已走进普通百姓的家居，各种智能化的家用电器和设备也即将进入寻常的百姓家庭，家庭中的自动化程度将大大提高。这种无止境的信息需求不断推动着网络技术的发展和信号处理技术的进步。比尔盖茨：未来五年内网络要颠覆电视。,2）多媒体技术以计算机技术和信号处理技术为基础，融合通信技术、通用传输技术为一体，能交互式地处理、传输和管理字符、数据、语音、音频、图形、图像、视频和动画等多媒体信息，且与应用紧密结合的综合性技术（MP4，DVD等）。特点：信息媒体及处理方式的多样化、集成性、交互性、实时性。关键技术：数据压缩和编码技术、媒体同步技术、多媒体网络技术。,高清晰数字电视系统分为3大部分：电视信号的数字化及其处理、数字电视信号的传输与交换，数字电视信号的接收与记录。信号处理是其全过程。处理数据量大是其特点，核心内容是压缩问题。,3）超声波诊断也是信号处理应用的领域：类似于现代雷达或声纳，利用超声脉冲回波技术与计算机、信号处理技术结合实现诊断疾病,工业无损伤检测等，如B超，超声CT。4）存储技术信息社会信息的存储是十分重要的提高存储密度是关键磁盘目前提升到每平方英寸10GB以上。多阶光存储是一种在不改变原有光路和机械系统的情况下,利用先进的信号处理与调制编码技术,显著提高存储容量和数据传输率的新型技术。信号的多阶存储包括信息坑边缘调制、坑深调制和记录符号大小调制多阶技术。Sony公司和Sharp公司利用纳米精密级XY工作台，配合使用电子束母盘刻录技术，02年实现了25Gbyte/平方英寸的记录密度，03年提高到了40Gbyte/平方英寸。,5）GPS(GlobalPositioningSystem)全球定位系统美国73年研制89年开始发射卫星93年24颗工作卫星进入轨道（300亿美元）。该系统具有全球性、全天候、连续的三维测速、导航、定位与授时能力。被视为导航技术现代化的最重要标志。由于GPS高度自动化和高精度（C/A码民用3米，P码军用0.13米）其技术渗透到除军事外的经济建设和科学技术的众多领域中。四大定位系统齐聚太空已经建成投入运行的有美国GPS系统俄罗斯的“格洛纳斯”（系统标准配置为颗卫星系统）。03年欧盟实施“伽利略”计划30颗星；最高精度比美国高倍。中国北斗卫星导航系统：空间段由颗静止轨道卫星和颗非静止轨道卫星组成覆盖中国全境。中国计划年满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，逐步扩展为全球卫星导航系统。,整个GPS系统由三部分组成：控制部分，空间部分（卫星），用户端（GPS接收机）虽然形式多种多样，但基本操作都是接收卫星信号并计算接收机所在位置通讯系统GPS接受机接收的是从卫星来的1575.42MHz微波信号，因为卫星发射功率及距离原因，该信号比同频率的背景噪声小100倍，比现在穿过你身体的广播信号小上千倍。GPS手持机使用复杂的数字信号处理技术把真正有用的信号检测出来。,GPS接收机原理框图,GPS已被广泛应用于军事和经济领域，在车辆和船舶（警车、银行运钞车、邮政车、救护车、消防车、货车、出租车、旅游车以及客货船、渔船、缉私船、巡逻艇、救援船等）的指挥、调度、跟踪、报警及监控，航空和航海导航，机场和港口交通管理，公共交通的智能管理，石油及地质勘探，大地测量，地震测报，抗洪救灾，森林防火，探险，救援，飞机播种，农业等领域都得到了广泛的应用，成为当今国际公认的八大无线电产业之一。伊拉克战争中美军精确制导武器中95%配备GPS系统，并为此发射了两颗卫星，如战斧式巡航导弹、精确制导炸弹等。但易受干扰，伊军购买了俄GPS干扰设备，使美军炸弹偏离轨道。,“3S”技术GPSGISRS及GIS（GeographicInformationSystem，地理信息系统）和RS（RemoteSensing，遥感技术）来获取地理空间信息及制作电子地图（0.3米分辨率）、监控、设备管理“3S”是将RS、GPS、GIS通过数据接口严格地、紧密地、系统地集合起来，使其成为一个更具有应用价值的大系统。目前两两结合的系统相继应用。如土壤侵蚀的遥感调查工作就是联合应用RS及GIS技术手段，采用人机交互方式，以综合分析方法实现土壤侵蚀状况的快速调查，查询水土流失类型、强度的分布与面积。交通、公安及消防等导航技术是GPS与GIS的联合应用，把GPS接收的数据在GIS的电子地图上显示，方便地告诉用户当前所在的位置、速度及行走的路线，指引用户完成自己的任务。,“精准农业”提供了用于农田测量、定位信息采集和与智能化农业机械配套实施定位处方施肥、播种、喷药、灌溉和提供农业机械田间导航信息等农村规划、土地测量、资源管理、环境监测、作业调度中的定位服务，其农业应用技术开发的前景广阔。数字地图、数字城市、数字水利等。(无秘密可言)空间数据库：数据库中的地理信息可以方便地检索、查询，在此数据库和相关知识库的基础上能够定义和生成各种领域专用模型，如城市规划模型、灾害评价模型等由于遥感在地表资源环境监测、农作物估产、灾害监测、全球变化等等许多方面具有显而易见的优势，它正处于飞速发展中。更理想的平台、更先进的传感器和影像处理技术正在不断地发展，以促进遥感在更广泛的领域里发挥更大的作用。,6）故障诊断技术近年来发展迅速，在交通、武器、航空航天、医学研究、发电设备、机器人等领域得到了广泛应用，是自动控制领域中的一个重要研究方向。3种常用的故障诊断方法：基于知识的诊断方法、基于解析模型的诊断方法和基于信号处理的诊断方法。信号处理的诊断方法是利用计算机和数字信号处理器（DSP）或专用设备，以数值计算方法对信号进行采集、变换、综合、估值与识别等加工处理，用付里叶分析法、小波分析法、相关分析法等进行诊断。7）控制技术控制过程实际是对信号进行处理的过程，因为控制是对给定、干扰和被控量信号按照系统性能要求进行加工和处理。因此自动控制与信号分析和处理密不可分。卡尔曼滤波就是一个很好的例证，既可以做状态估计、又可作滤波、还可以做数据融合等等。,2、现代汽车与信号处理技术汽车技术、建筑技术与环境保护是衡量一个国家工业化水平高低的三大标志。汽车作为交通工具已走入千万家庭，随着电子技术、信息技术、能源技术、新材料技术、人体科学等其他新兴科学技术的进一步发展，使得汽车不仅在高速公路上行驶而且将在信息高速公路上奔驰，将成为人际间交往的流动办公室和舒适的休闲娱乐室，成为人类社会活动中的重要场所。汽车的机械设计和制造已接近完美，提高汽车性能、节约能源和保护环境主要取决于汽车电子化程度和水平，汽车电子产品占整车费用比逐年增加91年10%，98年15%，03年达到20%，现以突破30%。从音响、发动机控制、安全系统到导航系统、集成酒精传感器、司机睡意探测、道路障碍传感、智能气囊部署、防抱死系统、盲点探测等基于传感器的智能系统几乎都由计算机控制，CPU数量可达几十片。,现代汽车集成了现代高技术的硬件和软件技术包括语音识别、无线电通讯、数字处理技术、全球定位系统、夜视技术、网络技术等使汽车可以独立的实现卫星电视通信、国际互联网访问、游戏、导航、远程诊断监控、车辆控制、移动办公、先进的人机交互界面及语音识别控制等功能，由此形成“网络汽车”。这些技术的基础是信号处理。,3生物技术的发展与信号处理脑-机接口是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接的交流和控制通道,通过这种通道,人就可以直接通过脑来表达想法或操纵设备,而不需要语言或动作,这可以有效增强身体严重残疾的患者与外界交流或控制外部环境的能力,以提高患者的生活质量。脑-机接口技术是一种涉及神经科学、信号检测、信号处理、模式识别等多学科的交叉技术。基因芯片、测谎仪等,据英国泰晤士报报道，一名高位截瘫的美国男子借助一个与计算机相连的植入芯片就可通过思维打开电视机，看电子邮件和处理其它一些日常事务。这是迄今为止人类朝着开发“仿生”系统迈出的最大一步，它有可能使那些失去肢体的人恢复神经运动的功能。这种植入芯片被放置在大脑中枢运动神经皮层上，这是大脑负责自主活动的区域。通过芯片上的100根异常细微的电极，它可以纪录大脑运动神经皮层的神经活动。芯片将活动信息转换为电信号，传输到一个镶嵌在病人头皮上方的钛基座上，再由一根电线将这个基座与计算机连结起来。这样，芯片发出的信号经过计算机的解码和处理，就可以被转换成运动指令了。思维控制各项活动。该项技术的成功取决于如何检测出微弱的大脑神经元放电信号并解读其模式具有里程碑意义对残疾人康复、研究人脑、研制仿生人。,4雷达是利用目标对电磁波的散射而发现目标，并测定目标的空间位置、属性的电子设备。雷达用于车载、舰载、机载，空间基（卫星、航天飞机、飞船），地面站、探雷、资源勘探、地下构造窥探、地下危险物品侦察、气象、天文、遥感测绘、交通管制等。在军事上，雷达、计算机、射击武器等组成一个自动控制系统。当目标进入雷达的作用半径以内并被雷达自动跟踪时，雷达就测量出目标的当前位置(距离、方位角和高低角)，并把数据送入计算机，推算出目标的航向，航速，引导导弹或自动火炮去击中目标(爱国者导弹对飞毛腿导弹)。雷达系统是应用高性能数字信号处理技术的一个例子。雷达系统主要信号处理功能包括：信号产生、匹配滤波、门限比较、目标参数(如射程、方位和速度)估计。中国的雷达之父是保铮院士。,金雕第五代战斗机C37,2760亿美元美国第五代战斗机闪电2,歼二十战斗机,5声纳技术声纳系统是利用水声能量进行观测或通讯的系统，来探测目标并对目标进行定位、识别和跟踪的。声纳技术是水声物理、水生工程、信号处理、无线电电子学及转换能器等领域户相结合的产物。是以检测目标航行时的水下噪声为手段探测目标的。人们研究水下定位的直接原因应该是1912年英国巨轮泰坦尼克号撞冰山沉没海难事故。只有简单的通讯没有对海观测的雷达更没有用于水下目标探测的声纳。一战期间为了对付德国人的潜艇攻击，各国海军考虑了许多方法探测水下潜艇。其中包括热、磁、电磁以及声的方法，只有声探测方法有效。二战和战后冷战时期的迫切需求进一步促进了声纳装备的发展。美国人把水声与雷达、原子弹并列为三大发展计划。,核心是微弱信号检测（微伏级信号）,“鲨鱼”级重型战略导弹核潜艇,中国航空母舰,406号导弹核潜艇,6航天技术的发展与信号处理美国前总统肯尼迪说过：谁能控制太空，谁就能控制地球。美国航天司令部也视太空为应全力以赴的最后一个合法边界。这样的背景下，争夺太空的竞争异常激烈。美国航天业历来是投资最多、覆盖面最广的领域。本着合理利用太空造福人类的目的，中国也正积极发展航天技术。,我国目前已经突破了几十万公里的信号精确测控问题。绕月、登、回已进入实施阶段。,公元2007年1月11日美国东部时间下午5点28分，中国军方在四川西昌成功用一枚改进后的远程弹道地空导弹击毁了一颗距地球865公里，很早时候中国自己发射的老旧气象卫星“风云一C”。震惊了世界，吓破美国胆,2008年2月20日美国海军提康德罗加级导弹巡洋舰CG70伊利湖号发射一枚经过改造的标准-3型导弹成功击中位于247千米高空的一颗报废卫星，该卫星属于美国国家侦察局，当时绕地球飞行的速度是每小时17000英里以上。向世界示威,机遇号火星探测器,火星照片,欧洲宇航局“金星快车”探测器发回金星照片,1977年发射了飞向恒星星际空间的“旅行者-I号星际探测器，,79年飞跃木星，80年飞跃土星，已经飞出了太阳系，到目前已经飞行了29年。,发射新视野号去探测太阳系边沿地球40亿公里的冥王星。,航天离不开惯性技术，惯性系统主要优点是：不依赖任何外界系统的支持而能独立自主地进行导航，能连续地提供包括姿态基准在内的全部导航和制导参数，具有对准后良好的短期精度和稳定性。尽管有GPS的威胁但惯性系统独具的自主工作能力，具有不可替代的地位。惯性技术是以牛顿惯性定律为基础、用以实现运动物体姿态和航迹控制的一项工程技术。它包括：惯性导航技术、惯性制导技术、惯性测量技术、惯性元件技术、惯性元件和系统测试技术。信号处理技术是通讯技术基础同样也是惯性技术的基础。,惯性元件分为两大类陀螺仪和加速度计，他们是组成各种惯性系统的核心部件1）陀螺仪又分为：以经典力学原理为基础的角动量式的如液浮、挠性、静电、振动、射流、超导陀螺。以近代物理原理为基础的具有陀螺效应的新型陀螺仪如激光、光纤、离子、核子、偏振波陀螺等。2）加速度计的理论基础主要是牛顿惯性定律，如摆式加速度计和振动加速度。无论是何种惯性元件在它将非电物理量转换成电信号，能进行实际测量时都是非常微弱的必须要进行信号处理才能利用。而信号处理的好坏决定着惯性元件的性能和价值,光纤陀螺：利用光的全反射萨克奈克干涉仪原理是一种没有机械转子的新型全固态惯性仪表,易集成，成本低、体积小重量轻最极具竞争力非常有前途.光纤陀螺由两部分组成：光学部分和信号处理电路部分,其基本原理：c光速、波长、R光纤线圈半经、L周长、N匝数；k称为标度因数，因此光纤陀螺的输出相移与输入角速度成正比。,自1976年提出光纤陀螺概念以来，光纤陀螺的发展已经走过了30个年头。在这短短的30年里，光纤陀螺得到了很大的发展，其角速度的测量精度已从最初的15度/时提高到现在小于0.001度/时的量级，并已在航空航天、武器导航、机器人控制、石油钻井及雷达等领域获得了较为广泛的应用。就原理与结构而言，可以将光纤陀螺分为干涉式光纤陀螺、谐振腔光纤陀螺、布里渊光纤陀螺、锁定模式光纤陀螺及Fabry-Perot光纤陀螺等5种；从检测相位的方法看，也可将其分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺两类；从其构成方式，还可以将其分为相位差偏置式光纤陀螺，光外差式光纤陀螺及延时调制式光纤陀螺；等等。,原子激光陀螺原子激光噪声小、波长极短、频率极高，萨克奈克效应，以原子激光为光源，可以获得极高的角速度灵敏度。其理论灵敏度相当于光纤陀螺的1010因此研究原子激光陀螺具有极大的技术潜力。目前原子激光陀螺研究方面Stanford大学Yale大学MIT大学走在世界前列。目前能达到的性能指标比现有最好的陀螺提高了1000倍。原子激光陀螺对提高陀螺敏感能力具有极大的潜力。中国在激光制造技术以及激光冷却技术研究方面都处于世界前列，因此我们有理由相信通过加大研制原子激光陀螺的力量，实现陀螺技术的跨越式突破。,组合导航两种或两种以上的导航系统以适当方式组合为一种导航系统以达到提高系统精度和改善系统可靠性等目的。惯性导航、红外、雷达、天文、GPS等关键技术：组合能力的数据融合技术、分散估计理论或联邦滤波技术、卡尔曼滤波技术。GPS可以在全球为用户全天候地提供精确的位置、速度和授时数据，导航数据稳定精确，但不能提供载体的姿态信息，工作性能受环境条件（山区、森林、隧洞、城市建筑及载体自身）、载体机动飞行和无线电干扰的影响。惯性导航系统的优点是自主性好，不受环境、载体机动及无线电干扰的影响，能连续地提供全部导航参数（位置、速度和姿态），其数据更新率快、量程较大，且具有短时间内较高的相对精度。但是随着工作时间的延长，导航误差随时间积累增长，对捷联系统来说还存在附加的动态误差。实现以惯性系统为基础的GPSSINS组合导航系统就可以优势互补、取长补短，更具潜力，广泛用于各种系统的导航。,组合导航应用：美国的潘兴弹道导弹采用中等精度的挠性陀螺平台，加上数字景象匹配组合末制导技术，使导弹射程为1800km时落点误差CEP达到39m。战斧巡航导弹采用LN-35纯惯性系统时导航误差为1.17kmh，这已经是相当高的精度水平，但在进一步采用惯性与地形匹配组合技术以后，当导弹巡航射程为2000km时，落点误差进一步缩小到100m。三叉戟洲际弹道导弹采用星光惯性组合制导技术，使落点误差CEP达到120m，这与MX导弹采用的浮球平台技术所达到的精度处于同一水平，但是该导弹的研制经费却只及MX导弹的15。当然这类组合制导系统，需要花费一定的人力、物力、财力进行各种作战区域的高精度地形地图的制作和高精度星光敏感器的研制，但它仍比浮球平台技术简单得多。,小行星“阿波菲斯”撞击地球模拟图,惯性测试技术主要包括测试方法和测试设备研究高精度测试设备当然离不开信号处理。测角系统、伺服系统、数据采集系统都要经过有效的信号处理才能实现高可靠的系统精度大有用武之地。哈工大是国内惯性测试设备重要的研发基地。欢迎有识之士加盟。,四、现代信号处理研究的主要内容1、现代信号处理理论确定信号：信号的采样及加窗、傅氏变换及快速傅氏变换、滤波方法、数字滤波器设计与实现等平稳随机信号：相关分析及应用、频谱分析及应用、信号的检测、参数的估计、波形估计维纳滤波和卡尔曼滤波、信号的频谱估计、自适应信号处理。非平稳随机信号：信号的时频分布、多采样率信号处理和信号的小波变换、统计性能分析、统计信号处理、非线性信号处理，对非平稳和非高斯随机信号的研究。微弱信号检测：统计、锁相环、混沌、相关、。信息融合：用计算机技术对按时序获得的若干传感器的观测信息在一定准则下加以自动分析、综合以完成所需的决策和估计任务。信息融合是一种信息综合和处理技术，是许多传统学科和新技术的集成和应用；如模式识别、决策论、不确定性理论，估计理论、最优化技术、计算机科学、人工智能和神经网络、虚拟技术等。,2信号处理中的重要理论方法和关键技术：1）一般滤波方法目的：实现信、噪分离，改善信号波形，防止离散化时的频率混叠，提高信噪比。前提：只适于信号与噪声频谱不混叠的情况。方法：利用滤波器的频率选择特性，将滤波器的通带设置的能够覆盖有用信号的频谱。有低通、带通、带阻滤波器。硬件的方法和软件的方法（数字滤波）。,低通滤波,带阻滤波,高通滤波,带通滤波,2）相关滤波（检测）：通讯、雷达中应用最广它是利用信号与噪声的相关性实现信、噪分离。特别是微弱信号强噪声环境下，信号是窄带信号，噪声是宽带信号如白噪声覆盖整个频带。一般滤波方法无法有效的实现信、噪分离。自相关法：观测信号为对做自相关运算若与不相关则得对于带宽较宽的零均值噪声主要反映在附近（白噪声），噪声的特性是相关性差，即波动性大表现为：间隔增大将迅速衰减。所以适当选择时达到滤除噪声的目的。,3)相敏检测相敏检测器是锁定放大器的核心部件，在自动控制和相关检测中得到了广泛的应用。它鉴幅又鉴相。常见形式有模拟乘法器式和电子开关式，参考信号可以是正弦或方波信号,模拟乘法器型相敏检测器：核心频谱迁移,功率谱技术确定信号有确定的频谱（傅里叶变换）平稳随机信号有功率谱（维纳辛钦定理：建立时域-频域的变换关系）,4）锁相环技术：锁相环路由三个基本部件组成，它们是鉴相器（PD）、环路滤波器(LPF)和压控振荡器（VCO）。,鉴相器通常用模拟乘法器实现，设输入信号为：,压控振荡器输出信号为：,相乘后：,若环路滤波器(LPF)的带宽大于差频分量而远远小于和频分量时输出为：,锁相环路的相位模型,压控振荡器电压频率转换器：,为了与鉴相器比相求相位：,锁相环是一个相位反馈控制系统，其特点是实现对输入信号频率和相位的自动跟踪使,这意味着,即它跟踪固定频率的输入信号时没有频差，,跟踪相差精度很高跟踪频率变化的输入信号时精度也很高。,锁相环对输入信号恰似一个窄带跟踪滤波器能够跟踪淹没在噪声中微弱信号。,锁相环广泛用于移动通讯、GPS、广播、电视、频率合成、控制等。,统计信号检测,信号检测的基本任务是从包含噪声的观测值中判断某种信号是否存在。如雷达、通信等领域。这种判断需要服从某种规定的判决准则。工具是数理统计的假设检测方法。.,自适应滤波技术：滤波器研究的一个基本问题就是：如何设计和建立最佳或最优的滤波器。所谓最佳滤波器是指能够根据某一最佳准则进行设计的滤波器。20世纪40年代，维纳奠定了关于最佳滤波器研究的基础。假定线形滤波器的输入为有用信号和噪声之和，两者均为广义平稳过程并且已知它们的二阶统计特性，根据最小均方误差准则，维纳求得了最佳线性滤波器的参数。这种滤波器成为维纳滤波器。WidrowB1967年提出了自适应滤波理论，由于这种滤波可通过自学习自动的调整滤波器参数，来适应外部环境的变化，因而使滤波器处于最优状态。它具有维纳滤波和卡尔曼滤波的最佳性能，但它不需要任何关于信号与噪声的先验统计知识。,所谓自适应滤波，就是利用前一时刻已获得的滤波器参数的结果，自动地调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。自适应滤波器有两大部分组成:1）参数可调的可编成滤波器（数字滤波器、自适应处理器）2）自适应算法。,自适应线性组合器是构成自适应数字滤波器的基本部件。设线性组合器的个输入为，其输出是这些输入加权后的线性组合，即：,滤波器输出为：,其中：,误差信号为：,调整权系数（矢量）,（即滤波器系数）使误差信号最小，使滤波器输出逼近理想输入。,用不同误差准则来选择最佳权矢量的方法就可以得到不同的自适应算法，从而构成不同的自适应滤波器。如均方误差准则为：,同理误差准则为：,即由：,求最佳权矢量，其算法称为最小均方自适应算法，构成的滤波器称为最小均方自适应滤波器,求最佳权矢量，其算法称为最小二乘自适应算法，构成的滤波器称为最小二乘自适应滤波器,即由：,自适应滤波有着广泛的应用领域在雷达、声纳、图像处理、计算机视觉、地震、勘探、生物医学、通信等领域得到了广泛的应用。随着芯片技术和软件技术、智能技术的发展将有着极其美好的应用前景。,7）小波变换技术小波理论是当前应用数学和工程学科中一个迅速发展的新领域，他的出现打破了积分变换领域长期以来被付氏变换一统天下的局面，小波变换被认为是信号分析工具和方法上的重大突破。与Fourier变换相比，小波变换是空间(时间)和频率的局部变换，因而能有效地从信号中提取信息。通过伸缩和平移等运算功能可对函数或信号进行多尺度的细化分析，解决了Fourier变换不能解决的许多困难问题。数学家认为，小波分析是一个新的数学分支，它是泛函分析、Fourier分析、样调分析、数值分析的完美结晶；信号和信息处理专家认为，小波分析是时间尺度分析和多分辨分析的一种新技术，它在信号分析、语音合成、图像识别、计算机视觉、数据压缩、地震勘探、大气与海洋波分析等方面的研究都取得了有科学意义和应用价值的成果。,连续小波变换的含义是：把某一个被称为小波基（也叫母小波）函数作位移b后，在不同尺度a下再与待分析信号作内积：,其中，,a0。a为尺度因子，表示与频率相关的伸缩，b为时间平移因子。,与付氏变换不同之处在于小波基具有尺度因子和平移参数两个重要参数此外小波基不是唯一的。构成小波基函数应满足以下条件：1)本身是紧支撑的，即只有小的局部非零定义区，在窗口之外函数为零。所以称小波(Wavelet)作为窗口函数以保证时间窗口与频率窗口具有快速衰减特性。,2)本身是振荡的，具有波的性质，并且完全不含直流趋势成分。,3)包含尺度因子和平移参数。,小波变换的主要特点：具有时间(空间)频率的局部化分析能力，它通过伸缩平移运算（根据需要定位）对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分（尺度变化时分析窗也变化a越小则窗越窄-时间分辨率越高），低频处频率细分（a越大则频率分辨率高），能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，因此有人把小波变换称为“数学显微镜”。,那么,。（6）尺度转换。如果,那么,。,小波变换应用：信号分析、信号去噪，信号多分辨率分析、瞬态及奇异点提取、图像处理及数据压缩、小波包、时-频铺砌、匹配跟踪、分形分析等近年来,小波变换在图像压缩领域取得了空前的成功.新一代高性能图像压缩标准将以小波变换为基础,原始的图像信息达30MB,压缩后只有16KB。压缩的比例为2000:1。目前能达到5000以上,8）混沌理论混沌理论被认为是上世纪最伟大的三项理论之一，是继相对论、量子力学之后，又一次震撼科学界的观念革命。在整个科学中所起的作用相当于微积分在18世纪对数理科学的影响。混沌学的创立将在确定论和概率论这两大体系之间架起桥梁，它将揭开物理学、数学乃至整个现代科学发展的新篇章。,混沌理论有个很重要的观念，就是差之毫厘，失之千里。你可能有过这样的经验，错过了十分钟一班的公交车，因此赶不上飞机；甚至更戏剧性的是，这班飞机不幸坠毁，而你逃过一劫。我们生活中的小小扰动（闹钟坏了），就可能大大影响后果（迟到而被开除）。这种对初始状况的极度敏感，称为蝴蝶效应(butterflyeffect)。麻省理工学院的气象学家罗伦兹(EdwardLorenz)形容蝴蝶效应，他说：南美洲亚马孙河流域的热带雨林中一只蝴蝶，偶然搧动了翅膀，所引起的微弱气流可能会造成一周后纽约的龙卷风；也就是说，只要开始时有一点点小小的差异，影响会随着时间而扩大，造成后来南辕北辙的结果。,混沌是非线性动力学系统所特有的一种运动形式，它广泛的存在于自然界，混沌现象隶属于确定性系统难以预测（对初始条件高度敏感），隐含于复杂系统但又不可分解，以及呈现多种混乱无序却有颇有规则的图像。对混沌现象的研究表明，混沌不只是杂乱无章，而是乱中有序。我们的世界是一个有序与无序、简单与复杂、必然性与偶然性共生共存、充满不可逆性与不确定性的世界。混沌理论的基本思想如今已渗透到医学、心理学、人类学、社会学、经济学等各个学科，在看似无关的领域中有着广泛的应用。,混沌与随机噪声在表面上具有某些共性，在没有发现混沌现象之前，传统信号检测理论中的最佳接收机是基于随机背景噪声模型的。然而，当SimonHaykin发现了海杂波的混沌特性后，就给传统的信号检测理论带来了很大的冲击，在这方面的主要工作是将混沌与分形理论引入雷达目标检测与识别。目前混沌应用于通信主要有几种方法:混沌切换(ChaoticSwitching),混沌遮掩(ChaoticMasking)，混沌调制(ChaoticModulation)。此外还有混沌移位键控，混沌数字编码，混沌调频通信，反系统法以及利用电路的拓扑结构的保密通信方法等。,12）DSP技术DSP-信息数字化革命的中枢、数字化变革的发动机。未来信息产品将