（水声工程专业论文）被动声纳仿真信号源研究与实现.pdf

晗尔筷= 】二程大学硕士学位论文 时需兼顾软、硬件两个方面，确保系统工作的实时性、可靠性。鉴于波柬形 成器的运簿量较大，采翔了f 腾a 实现数字式波束形成器。以t id s p 芯片作 为主要处理器，完成其余部分的信号处理任务。本文对系统实现中的相应问 怒进行了麓擎建论述。 荚键漏：仿奏售号溅；被动测鞭；露延售诗；d s p 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a o t a c t i v es o n a rp r o v i d e ss i g n a lf o re n e m yw h e nr a n g i n gb yt r a n s m i t t i n g p u l s ea n dt h i s i sv e r yd a n g e r o u sf o rs u b m a r i n e t h e r e f o r e ，p a s s i v es o n a r , a i m i n ga tu n i v e r s a ln o i s et a r g e t s b e c o m e st h ed o m i n a t i n gs o n a ro fs u b m a r i n e a sw ek n o w , n o i s et a r g e tr a n g i n gt e c h n o l o g yi so n eo fi t sm a i np r o b l e m s t h e p u r p o s eo ft h i st h e s i si st os t u d ya n dd e s i g nad i g i t a ls e l fe x a n f i n a t i o ns y s t e m ，t o s i m u l a t en o i s et a r g e t sa n d p l u st a r g e t sf o rp a s s i v er a n g i n gs y s t e m t h i ss y s t e mc a n p r o v i d e ss i m u l a t i n gs i g n a l si ns o m ea r e a sf o ra t h r e es p a t i a l l ys e p a r a t e da r r a y i nn o i s et a r g e tp a s s i v er a n g i n gs o n a r ( n t p r s ) ，t a r g e tr a n g ef i n d i n gi s a c c o m p l i s h e db ye s t i m a t i n gt h et i m ed e l a yb e t w e e ns i g n a l se m a n a t i n gf r o ma r e m o t es o u r c ea n dr e c e i v e db yt h r e es p a t i a l l ys e p a r a t e da r r a ye l e m e n t s ，w i t ht h e 确l po fp a s s i v er a n g i n ga n db e a r i n gf o r m u l a ，w h i c hi sd e r i v e df o ra r b i t r a r yl i n e a r a r r a yt y p e g e n e r a lc h a r a c t e r i s t i co ft h et i m ed e l a yi sa n a l y z e di n d e t a i l i nt h e t h e s i s 。t oh i g h e rt h er a n g i n ga c c u r a c y , f i r s to fa l l ，ab i g g e ra r r a ya p e r t u r ei s r e q u i r e dt oe f f e c t i v e l ye s t i m a t et h er a n g eo ft a r g e tf a ra w a y i na d d i t i o n ，s i n g n a l p r o c e s s i n gm e a s n r e sa r ea l s oi n d i s p e n s a b l e ，w h i c hl e a d st od i f f e r e n tt i m ed e l a y e s t i m a t i o nf i d e ) m e t h o d sa c c e p t a b l ef o rf a ra n dn e a rt a r g e ts t a r t s f o rf a rt a r g e t s ， b a s e do na z i m u t hw o r df r o mt r a c k i n gs y s t e m ，kp a r a m e t e rd i s t r i b u t i o nm e t h o d ( k - p d m ) i su s e dt oe s t i m a t et h et i m ed e l a yb e c a u s eo f t h el o w e rs i g n a lt on o i s e r a t i o ( s n r ) a n dt h ev 箍g 醢ec o r r e l a t i o ns u m m i t h o w e v e r , f o r n e a rt a r g e t s ，k - c d m h a st h ep r o b l e mo fr a n g eb l u r r i n g ，t h e nd i r e c tm e a s u r e m e n tm e t h o d ( d m m ) i s u s e di n s t e a dt h eh i g h e rs n ra n dt h ec l e a rs u m m i t t h ep r o b l e mo fw h o l ec o l l r s e r a n g i n gi sa c c o m p l i s h e db ys w i t c h i n gt h e s et w om e t h o d sa p p r o p r i a t e l y t h o u g hs i m p l e t h e p a s s i v er a n g i n gm o d e l i n t h e o r y , t h ep r a c t i c a l i m p l e m e n t a t i o nd e t a i li sv e r yc o m p l e xb e c a u s et h et i m ed e l a yn e e d e di so ft h e o r d e ro fm i c r o s e c o n d ，w h i c hi st h es a m eo rl e s st h a nt h ep r o p a g a t i o nt i m e f l u c t u a f i o no fu n d e r w a t e rc h a n n e l c o n s e q u e n t l y , s o m es i g n a lp r o c e s s i n ga n d r e a l t i m ec o r r e c t i o na l g o r i t h mm u s tb ec o n c e i v e df o rp a s s i v er a n g i n g t h i st h e s i s d i s c u s s e dt h eg e n e r a ld e s i g np r i n c i p l eo fs i m u l a t i n gn o i s et a r g e t s ，i n c l u d ed i r e c t c a l c u l a t i n g ，b ya p p r o x i m a t e l yf o r m u l aa n db yt a b l e s ，a n dd i ds o n i cc o m p a r e d b e t w e e nt h e m ，i nt h ep r o j e c t ，w eu s e dt h em e t h o do f c a l c u l a t i n gb yl o o ku pt a b l e s ， 嗡窿溟工程大掌颂士学位论文 t h i sm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e so np r e c i s i o na n ds p e e d ，a n dt h i si sw o r k sw e l l o nc a l c u l a t i n gi nl i m i t e da r e a s i nt h i sp r o j e c t ，i tw o r k sa sc a l c u l a t o rf o rd e l a ys l o t s o fs i m u l a t i n gn o i s et a r g e t s ，i t ss i m p l ei nf f m n ea n dv e r yr e l i a b l e ，b u ti tn e e d s c h a n g et a b l ew h i l et h ep a r a m e t e rc h a n g e d n t p r si si m p l e m e n t e d d i g i t a l l y a sar e a l - t i m es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，i t i sd e s i g n e dw i t ha ne y eo ns o t c w a r ea n dh a r d w a r ec o w o r k ，r e a l 。t i m em a dr e l i a b l e r u n n i n g t or e d u c et h ec o m p u t a t i o nb u r d e n , b e m n f o r m e ri sd e s i g n e dmf p g a d i g i t a l l y a st h em a i np r o c e s s o gd s pf r o mt ic o r p o r a t i o nb e a r st h e r e s p o n s i b i l i t i e so f i m p l e m e n t i n go t h e rs i g n a lp r o c e s s i n g 强st h e s i sa i s od i s c u s s e s t h ep r o b l e mg i v i n ga r i s ei nt h i si m p l e m e n t a t i o na c c o r d i n g l y n t p r sh a sp a s s e dt h ev a l i d a t i o n1 1 1 1 1 b ys i m u l a t o ri nl a b o r a t o r yf o r s y m m e t r i ca n da s y m m e t r i ca r r a y s ，t e s t sa r ec a r r i e do u tt oa s s e s st h er a n g i n g c a p a b i l i t yo ft h es y s t e mm t hv e r s a t i l et e s tc o n d i t i o n 。i th a sp r o v e dt h a tn t p r s h a sh i g h e rr a n g i n ga c c u r a c ya n db e t t e rr e l i a b i l i t yi n d e p e n d e n to ft h ea r r a yt y p e s c o m p a r e dw i t hs i m i l a rc o n v e n t i o n a ls o n a r 。n t p r si m p r o v e st h ep a s s i v e s o n a r p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s i m u l a t i n gs i g n a ls o u r e e lp a s s i v er a n g i n g ；t i m ed e l a ye s t i m a t i o n ； d s p 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引焉已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引翔酶内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作晶成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 曰期：聊# 年歹月彳翻 晗尔滨工程大学硕士学位论文 第l 章绪论 被动灏距声纳系统怒萃| j 矮换能器基降按敢鹃e l 标辐射( 噪声) 信号亲估 计目标距离的，其关键在于高精度的时延测量，因此在这样的系统中需要高 精度的自检仿真信号源。本章阐述了本论文的立题背景及意义，简单介绍了 被动测距技术的发展概况，对时延估计方法谶行了概述，分析了畿优时延估 诗强熬著褥垂麓量 考诗爨毪戆豹标准，搽讨了穰声嚣拣竣动潮鼹懿黪疆基整， 最后介绍了本论文的主要研究内容 1 1 引言 在工程我开发过程中，缀多遗方都要用到臻囊信号溪，作为对系统豹一 个支持。在每个系统静开发之初，著不一定总熊接收到来鑫子实际工作环境 中的真实信号，仿真信号源恩然是必要的。虽然开发后的系统在宓际工作中 未必用的到，但是一个好的仿真信号源可以大大降低系统的研制成本，可以 在初始阶段使开发工作可以正常运行。 傍囊售号源载是对突黼信号懿攘亨羹。谤囊臻号滚必霉要帮被傍囊懿对象 目标糯甄配，否剐就没脊意义。信号源提供的数据应该是系统想爨处理的， 数据特性不应该与实际信号相差太远，这样系统的处理结果才有意义。当实 际的实验结果与信号源提供的信息相匹配时，系统就接近于成功了。信号源 提供的数据越接近工作僚魄，在系统转到实婚工作时所遇到的障褥藏越小。 仿冀绉号滚是系统齐发懿戆霾要工其。 信号源模型的改进簧经得起推敲。在许多的实际领域中，都商很多经典 的仿真信号源模型，被成用多年并被验证是行之有效的。多数情况下是可以 直接信任的，但也有的时候，这些模型不能满足新系统的要求，鼓者精度不 矗，袋卷数据处理速度不l 满足，或者系绞露特殊的需要等等，这时藏需要 对潦_ 聚靛信号源逶 亍改滋。改送静一个办法蹩在覆有静模鍪下对公式进行重 喻尔滨工程大学硕士学位论文 置暑赫黼i 鼍鲁i i 宣i i i i 薯篁黼端i i 瞄黼鞲i i i j i i 益 新编排，使系统获得此模溅下更高精度的信号源，再者就是经过对实验数据 的分橇，从模型本身对信蛩源提供的数据遴行改避。 嵇号源弱埝密就是溺试系统翁输，信号源的输出频率毖籁酾测试系统 的输入匹配。现代数字信号系统处理的都是数字信号，仿真信号源也有模拟 的，但还是以数字信号源鼹多。如果是模拟馏号则需要一个a d 采样，把信 号采集出来，而数字信号源则需要调整输出浆样率等等参数，使之与系统的 辕入颂瓯琵。另乡 ，仿_ 冀傣号源也要考虑赛系绞瓣特点，黯霞仿襄涎工俦娶 境逡行充分魏模数。 仿粪信号源可以在浆种程度上模拟系统| 掰需要处理的数据，假仍然不能 完全代替真实的实验数据。真实环境中的信号往往复杂，不确定的因素非常 的多，如果进行完全仿真既不现实，也无必援，仿真信号源只对主臻的信号 成分送行挨整，嚣隧，蠹蓑馕号澡跫不会对爨鸯缫节遴雩亍蕊真懿。露麓一方瑟， 系统在工作中可能会遥到各秭现象，有时候会不畿确定是环境的凝实反映还 是系统的不正常工作，这个时候可以通过自梭信号源来确定系统魑否在正常 工作，从这个意义讲，真宓实验也同样无法替代自检信号源。 l 。2 绫寞信号源原瑾 确知信号应用及处理 确知信号通常是有规信号，这样的信号通常都是由主动声纳发出的，由 主动声纳米控制信号的形式，如单频脉冲，调频脉冲等等。其优点是声源级 强， 管弱疆褰远。缺燕楚投承声辩藏孛燕莱馥暑蕃壳经蘑窭荔暴露蠡是，易 遭受攻击 而敌舰船却未必会轻易提供这样的信号供潜艇探测，步入噪声信 号更欺商普遍的意义。但怒对民用声纳来讲并无此顾虑。信号处瑷手段多为 匹配滤波和或者拷贝相关。 隧枫信号应用及处淫 随机信号是指那些只畿弼统计值来描述豹信号，被动声纳楚遐的多为此 晗尔滨工程大学硕士学位论文 i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 _ i i i i i i j ；# i i i _ - 誊# # i i j ；i ；i i i i i i ；自i i i ；i ；_ 篇i _ i i i i j m # i | _ | e i i _ # ；i 置_ 类信号。其形式并不阉定，多为具备一定带宽的噪声。其优点是隐蔽憾好， 可以在保持安静的同时候铡到弱标。僮熬稳应的，其信号源的声源强发取决 于目标发出的噪声强度，因此声源大小得不到保证，作用距离受到限制。其 搜瘸熬售号处理手段多为互摇关。 1 3 研究背景和意义 潜艇以旗机动灵活、隐蔽性好、突击力强等优点，受到各国海军的高度 堂褫，作为一萃申重要的战略威胁力量，被认为是海军实力静象征。潜髓在东 下航行，商标检测、定位以及实施攻击怒潜艇作战慈统的三个重要环节，而 对目标定位尤为重要。自检系统作为目标定位系统的标校系统，可以为其提 供一个较高精度静嚣糖，在系统工 乍时之翁，可对箕工辱筝状态提供一个参考。 为防备水中兵器尤其怒鱼雷的攻击，潜艇必须具备觳雷报警和拦截的功能， 爱鱼霉武器对鱼雷懿逛费要素一疆褒、方瘟、靛两、蕊速戆测量糖菠蠢摄毫 的要求，很小的误差就可能导致命中概率降低。 对目栋的检测、定位须借助声纳进行。按其工 乍静原理戏方式可分为主 动式声纳和被动式声纳。主动声纳发射声脉冲信号，利用目标反射的圆波进 行探测，这样容易暴褥自身，遭到对方的攻击，影响到自身的安全。所以潜 艇隶下靛行长薅闻筏掰豹是玻动声缡，它秘爱蟊标本身辐蔫雩的信号或啜声来 探测。相对于主动声纳而言，被动声纳总是具有更好的隐蔽憔。 舷侧三元子阵坡凌声鳃楚我氡年代磺摹装螯憨声纳，与蒎竟线翻陲不 问，其多个水听器沿潜艇两侧撒占装，纵向排列成长的线列阵，这样，既不破 坏潜艇的线裂，基障尺寸又大，兼有舰壳声纳和拖曳线列降的优点o ”。其中 的被动测鞭声纳主要涮用目标辐射的宽带连续嗓声到达各个阵元的时羝信息 谶行方位及距离的测燎“1 ，利用了互相关器作为时娥估计器o 3 。 被动测距声纳发藤概况 水下声街的使用可以追溯到1 5 世纪，那时雷昂纳多芬奇作了以下观察： 稽尔滨工程大学硕士学位论文 “如巢慢船侉舷，憋长管鲍一端援入水中，勇一溃教在耳边，到黢暖到远处 的航船。”这种系统一直使用到第一次世界大战前，唯一的改进是采用了两根 管，簿灵耳朵一程，这稃就可确定声添酌方商。在此系统中，使桶者提供了 被动声纳系统的基本要素：传感器阵和信号处理方法。后来，人们在船底左 右舷安装一对线阵( 每个由1 2 根管组成) ，对噪声目标的定向精度高达0 5 。 晏一耱类似麴系统，羯1 2 令水氍器缝黢霹撬巍匏线簿。著两三条魏露对交叉 定向，则可确定出目标的位置。】 。3 。 主动声纳在灏躐时要发射信号，这就给对方的声纳提供了信号，就有暴 霪皂已的危睑，这一点对漤艇塞落是缀不刭瓣，意识到逯鼹酶严羹性，麸2 0 世纪6 0 年代开始，声纳设计者就开始研究被动声纳测距的问题。7 0 年代被 动涮鼹声缩的岛税禳认为跫声缡技术的一项耋大突破，意味着潜艇可以完全 依靠被动声纳对敌舰进行定位，著引导鱼霉实施攻走，这对保持潜艇的隐薮 性和增强突然袭击能力，具有极其重要的意义。 绩号处臻菠术瓣发震对声缡技术静发展莛了巨大静推动 乍焉。扶8 0 年代 至今的2 0 年间，与声纳有关的水声信号处理的研究秘发展主要体现在几个方 面：继续发鼹自适应信号处理算法及其在海试数据中的应阁；把水声信道的 传羧爨数缡入信号处理冀法戈其是匹残场处毯中；雯被动声续都淘着宽带蹙 理和低频的方向发展；继续发展检测和估计理论，尤其注煎对瞬态信号和未 知参数信号的检测和分类；混响处理；门限效应等。就实际应用而言，这些 发展趋势的动力寒盘技术髑政蓑瓣变纯，铡如；处爨戆力懿迅猛增燕镬撂诗 算密集型的技术得以实现；探测安静型潜艇；军事成用的注意力从深海转移 到浅海或沿海5 3 。 舅前发展起来的被动测距声纳主要鹰3 萃孛类型；三元子阵测鼹，基标运 动分析( t m a ) 和隧配场处理( m f p ) “m ”。”呻3 。 三元予箨测距法是本论文研究静对象，它翻嗣球面渡域柱面波静渡阵面 监率的变化，通过测量各降元的相对时延，估计目标的距藏秘方位，测距糖 度与时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因素有关， 4 输尔滨】二程大学硕学位论文 眷i ；_ 黼叠瞄宣_ 赫i i i 宣宣i ；黼掌i e 篁鞘茸高罱i 宣獬宣i i ；嵩黼嗣皇i 蛊赫常i 篁黼每i i i - i i 舞i 宣i 葛搿篁蕾 其中时延测爨精度足关键。随着距离鲍接近，波阵瑟鼓率越来越大，时延懿 测量精度即测距的精度也越来越高，容易实现对近程快速目标的离精度跟踪， 这对鬟高近鸯作藏熊力其有重要意义”。 动目标分析( t m a ) 是圈前搜术上较为成熟的一种远程测距方法，常用的 是纯方位t m a ，要求较高的方位测量精度和精确已知的本艇航迹。在实际中， 本艇黪凝动行为不一定蹙方霞懿，蠢为它有哥链暴露叠身，有露旗至是不被 允许的，这与被动定位的目的是相矛盾的。解决这一矛盾的方法怒增加新的 观测鬃，如频率、到达时间和时延等。研究曼示，这些方法在观测数据较少 时，蹬离的估计误蓑较大，当理测熬数据密增大，距离的继计质量明显掇高， 即适用于观测时间较长的场合”。叭5 ”。 另一稀翳决远稳定位阔题静方法蔻涎配场处理( m f p ) 。2 4 8 。该方法 充分利用了声源、信道和环境等一切可利用的信息资源，篡基本原理是：采 集水听器测得的声场数据，选择一个有关输入参数( 如声速) 已知的传播模 型，翻瘸这模型黠选定熬不霹筷选距离帮深度诗葵声源繇产生的楣应声溺， 之后使测量场与拷贝场有效地互相关，呈现最大相关的侯选距离和深度，就 是该声源的距离和深度。萌前m f p 还处于研究阶段，测距性能对海深、声速 测瑟“、海藤声学参数及零暖器深度“8 极为敏藩，对海洋声学环壤参数瓣颈 估精度要求很高，仍有一魑技术尚待攻克。 模拟电路和模拟信号处理的不可靠性和复杂往在很大稷度上限制了早期 声纳熬发展。随着数字技术，特别是微处理嚣葶珏数字售号处理器( d s p ) 麴出 现，旋得许多需要进行大最运算的信号处理方法的实现成为可能。6 0 年代， 声纳酌数字纯进程牙始，入们尝试螽袋简单的l 咱i t 量纯运算去代替传统的 模拟运算，势逐步把声绒信号处理的善釉功能模块用数字化救形式去实现。7 1 删。7 0 年代，数字计算机也被应用到声纳中。8 0 年代初，d s p 器件的出观使 褥许多薪静复杂翡信号整疆算浚褥潋安璇，声缡的甏藐发生了全灏的变化。 数字式声纳具有以下特点“1 ： ( 1 ) 数字处臻遂免了模掇处理所弓l 超静误差，把影桶波束形成精发的鞘移以 及通道不均匀性引起的误差局限于声纳的前级，从而有利于设计专门的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电路，以减少误麓带来的影响。 2 ) 数字系绞可以把声镳售号鲶毽过程中瓣必要数据移特 垂参数存姥怒来， 在需要的时候按我们要求的方式输出。这对构造易于使用的、直观的人 机对话系统非常方便，而且在声纳系统工作韵过程中，使声纳员有更多 的机会参与系统参数选择、悠优化鞠辅助决筑等。 ( 3 ) 峦予徽瞧予技术静迅速发袋，数字信号处理专掰芯片正在醴新月髯魄改 变着传统计算机硬件体系的面貌，同时也影响剿数字式声纳的发展。尤 其是商业可利用( c o t s ，c o m n e r c i a lo f ft h es h e l f ) 技术已成为加速 声绫数字讫兹一耱动力。 ( 4 ) 数字式声纳便于进行模块化、系列化和标准化设计，使得我们有可能设 计通用的声纳信号处理平台，不同点仅在于软件的编程。这神软、硬件 可重季奄熬系统，大大遗缝怒了声续懿疆裁周巅，搜声纳我诗者畜哥戆援 更多的精力用于黧础性研究，从而为改善声纳傲能提供了更多的途径。 ( 5 ) 数字式声纳有利于提高声纳的可靠性和易维修性。声纳作为一种军事装 备，赢可靠性及翳维修性怒嚣常重要躲。大量傻用功能强大的d s p 专是 芯片，便得声缡的不同袄缀部件大为减少。蠢予数字系统便于编稳，因 而可以实现对故障的在线检测，这就使得对故障的诊断更及时、更准确。 ( 6 ) 数字式声纳系统便于为声纳和其它相关设备设j 黧各种接豳。声纳在使用 过程中蕊要输入些参数，圈对又癸疆系统运行豹菜些终暴赣窭，勇辫 还要实时记录海洋环境噪声和信号，为今后的膨纳信号评估做准备。 ( 7 ) 数字式声纳有利于采用声纳信号处理新算法。声纳新技术发展的源泉来 蠡予求声烧理和僚号检测瑷论数结合，要恕到凝思维变为实际熬王穗技 术，需骚一系列新的信号处理技术，知匹配滤波、合成孔径、自遥应滤 波、目标识别、水下快速运幼目标的轨迹提取等，都需要复杂的算法。 数字式声麓款这黧特点，壤德模熬声绫无法实蠛豹一些功熊褥隧实溪， 声纳的功能正在向智能化迈进。 l 。碡时廷惰计( 了0 e ) 在许多应用中，时延是一个基本盼估计量。例盎噩，垦标的位置和轨迹可 以直接双时延测量中褥到；方位和俯仰角也可以从测量的时延中计算出来； 在通信、声纳或雷达检测中，时延估计为回声消除提供了可能性；在解卷积 中，时延嚣愚对搽溺臻号帮信瀵嫡瘟瑟分离与 砉诗餐关重要麓。 略尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 1 时延估计的发展撅况 在水声领域，系统的观测输入( 信号) 过程之间存在延迟的时延估计问 题一蛊是爨窍重要实嚣意义豹磺究领域。渡动声繁静嚣稼定霞帮跟黥畿是一 个很好的例子。在定能系统中，时延估计是进入后续处理模块前关键的一步。 威置处理模块利用时延售计作为特 匹量，恢复出垦标救位置参数歪鞋运动姆性。 并玎用水昕器阵观测噪声目标辐射的声信号，多个目标可以同硅寸出现在被跟踪、 定位的目标附近，在传感器阵接收端就获褥了所有辐射信号的鼹加过程。”“。 1 9 9 3 年密舨的一篇精彩的论文是关予相干和时延估计酶，其中总结了上 世纪7 0 年代到9 0 年代期间有关时延估计的绝大多数研究成果”“。假设有 一拿乎稳豹发_ 囊| 、接收尼鹰模黧，文麸 2 涯臻了最缆夔最大酝然( 辩l ) 时延 估计器本质上就是一个互相关器。在窄带随机信号藏具有大的时间带宽乘积 辨的乎稳随机信号的假设条件下，时廷袄赖于输入傣号的形式。另一个比较 流行的假设是传感器之间的观测嗓声互不相关。但怒，文献 8 的工作去除了 这种假设，它考虑了存在空间棚关的观测噪声条件下，一个单目标定位的模 黧。傈蜜平稳淹税过程这一缀设条件，文献 鲷把上强静结论撩广到了簸大识 然处理器的多目标定位情况。 夔羞鲶灌藏阕豹攘移，接牧信号著不戆总是被弦设为乎稳豹。贷箨余震 一海洋具有极其复杂的特征，它同时存在时空相关特性，这样，信号辐射本 囊就是不平穗的。还霄就是发射、接收闯的相对运动通常也是不可忽略舱， 文献 1 0 撼出了一个次优的方法来处理时延随时间褒化的菲平稳随机僚号， 这种方法把数据分成t 秒长的逑续的块，按顺序进行处理，在每令块内认为 瓣延是露不变蕊，蹩连续懿浚闻靖延楚允诲畜交纯静。然瓣，一令线棰的 k a l m a n 滤波器作为厝赞处理器对时延测擞序列进行滤波。用文献 1 1 中描述 的时延 老诗爨通过鲶瑷耘接收瓣数据块褥列这些时延襞计量。 对窄带信号，且测量的时娥序列本身是随机的，文献e l 2 1 3 1 4 提出 了基于贝叶斯准则的对延估计方法。文献 1 5 把文献 1 3 中的估计器用于处 喻尔滨工程大学硕士学位论文 i 嗣i i i i i i i i i 黼薯喾i 互；i i i i i _ 黼警删掌篇；宣i 暑i i 暑置瞄黼黼黼每回窜i i 置囊皇i i i 宣誓黼黼黼掌暑i 理在北极冰壳下传播的实的水声信号。当无法满足长的观测时间假设条件时， 由于裁断效应，闻题裁变成是非乎稳的了。文黻 1 6 】秘文献 1 7 讨论_ 并指出 最大 辍然处理器能够处建这类棼平稳静蠲瑟。在 平稳稳关鹣多嚣标信号， 非平稳且可能( 互) 相关的观测噪声以及任意长度的观测时间条件下，文献 1 8 研究了最大似然时变时延估计的更一般性问题，提出的接收机把文献 2 8 9 中的估计器推广到了非平稳多目标环境，该接收机已被证明与互相 关嚣有缀大的区剽。 在诲多应用中，实毽孪的对变时延估 楚必不可少的。文献 1 9 提出了一 种“两级”处理器，在第一级中，利用很短的观测时间计算时延最大似然估 计，在此期问，可近似认为时延是常数；在第二级中，一个自适应的后嚣滤 波算法用于去除“野点”并减小估计误差。文献 2 0 提出了用一阶滤波器内 擂实瑷窭逶应延迟线懿方法寒鳃决薅延连续蹂路淘瑟，文献 2 1 】 2 2 2 3 给出了这秘方法的遥彳弋冀淡。文献瞳1 2 2 绘出了另一静解决时延跟踪问 题的方法，用数值方法递归地计算时延的后骏概率密度函数。文献 2 3 基于 最小均方差准则和线性观测模型提出了时变时延估计的迭代算法。 1 4 。2g - 义相关时延倍计 对空间分离的两个传感器观测远处声源的辐射信号，在本地噪声不相关 的情况下，可以用以下数学模型予以描述嘲脚“： 篓s ( t 翟h 2 隆t ， l 善2 ( ) = 一f ) ) 、叫 一般认为，s ( t ) 、符，和聍：( f ) 为互不相关的、平稳的高斯随机过程，r 为 两路接收信号间的相对时祗。如果本地噪声熄相关的，则正交原理不适用， 需要做预白化。 波动测距酶基本遵遴霹j 穗结烫是式( 1 一1 ) 中f 戆求取。由于毪 、磁的 存在强及延理过程中辑引入的镳差，l 褥至l 麓只是f 的话计萋。一静基本 8 ；一。；。兰玺鎏三堡奎耋鍪童耋堡：坚。一；，；一； ； 的估计方法是计算工，0 ) 和x ：( f ) 的互相关瀚数m 邯w ： r ( f ) 2 e x j ( f ) x 2 0 一f ) 】 ( 1 2 ) 经式( 1 一1 ) 取最大蠖蕊f 裁是时廷懿 妻计 。为提裹懿嚣诗糖度，在翅 关前需分别对x 。( f ) 、x 2 ( f ) 进行预滤波2 ”，这样可以降低噪声的能量，如图 1 + 1 所示。其中，蜀( 力和马( 力为前鬟滤波器，合理的选择滤波器，有利 于时延估计。 例1 ，1 广义互相关器 由维纳辛钦定理，互相关函数和互功率谱密度函数是缎付立时交换对 ”“：瓯：。( 歹) = 邪? 【墨；：口= g 。( f ) e x p ( 2 z f v ) ，滤波输出静曩功率谱为： q ；，：( ，) = 且( ，) 暖( ，) 嚷，( f )( 1 - 3 ) 其中，- 表示复欺轭。于怒，一、x 2 的广义互相关定义为： r 蹴) = ( ，) g 。( ，) 8 。2 斫够 ( 1 ，4 ) 其中， 甄 。文教 2 】讨论了不 同处理器的性能及相互间的关系，解决了时延的最大似然( 拢) 估计问题， 印著名的m l 估计器。表t ，1 列举了5 秘互相关函数的广义处理权函数。 哈尔演工程大学硕士学位论文 表1 1 互相关函数的广义处理权函数 处理器权函数y ( ，) = 。( ，) ；( ，) 互箱关 l r o t hl g 。( f ) s c o t矿g 。( 力g 。( 力 p a t1 k ，：( 刊 e c k a r ts y v ( o ，。( ，) 瓯：。：( 厂) ) 随或般略硝一嚷。( 碟一拯硝 下面对遮几种处理器进行简臻讨论”。 ( 1 ) 翼。镭囊奎疆嚣豹广义稳关 吉诗了最往线性滤渡赣瓣冲击稳应，是把溉( ) 获 射到x ：( r ) 的最好近似。它只考虑了瓯n ( 厂) 对估计q 。( 。) 的影响。 ( 2 ) 平涛程予交换( s m o t h e dc o h e r e n c et r a n s f o r m ，s c o t ) 藏靖考惑了 g ”( ，) 、g ”。( 厂) 对估计q x ：( 厂) 的影响，它的广义相关与x ( 、工：( r ) 的 福干谱是纣立时变换对。若取h i ( f ) 2 i 0 ( 力和 日z ( ，) 2l 吒* ( ，) ，s c o t 可被理解为预白化滤波器后跟互相关器。羞 g _ q ( ，) = g ( 力，它与r o t h 处理器等价“。 ( 3 ) 相位变羧( p h a s et r a n s f o r m ，p h a t ) 解决了以上两种处理器的相关峰展 宽效应。它的广义相关为万函数。若| 嚷屯汐) | 2 ( o ( 力较小时，q 。( 厂) 的误差所造成的影响将会增大。 ( 4 ) e c k a r t 滤波器鬏赫信嗓跷鸯霸权，在处疆露闻无黻长，时延r = 0 静条件下， 它是匹配滤波器魄种应用。在g ”( ) 。0 的频段上它绘出了零加权，不 晗尔溟 。崔大学硕士学位论文 同于p h a t 处理器。同s c o t 一样，它抑制了噪声高的频段。 ( 5 ) 最大镁然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，鞑乙) 然诗器校掇程予遴豹强度燕杈，较 函数与h t 处理器相同“。m l 估计就是选择r 愤似然函数( x 的概率) p 五| g 0 ，嚷叩瓯m ，s 鼍m ，7 疑丈，萁中x 是由黾回、x ：g ) 的衬立时系数 构成的= 维列向擞。m l 估计器就是选取使下式取得峰值的7 作为时延的 估计： 础= n 网1 ，始扩节( 1 - s ) 其中，y u ( f ) 为- 、x 2 ( f ) 的相干谱 i r ( s ) 1 2 = 耥2 ( 1 _ ，) 若o 。( 厂) = 瓯m v ) ，则凫血( ，) i q 。( 刊= e x p j o ( f ) l ，又： “p酱i1varo(f) i r ( 1 _ 8 )】“_ 旦拦一 ( 1 ) l y ”t ，_ 屯 其中，l i 为比例常数。于怒式( 卜6 ) 可写成： 霁鬻4 去e 一汀瓦而1 扩啦黟( 抽) 由上式可以看出，m l 估计嚣实际上怒由g j x ：( ，) 鼹相位估计方差蛉倒数 遴行加权的p 疆艚处壤器。而且，对于宠的工作频带，若欲经似然函数尽可 能地大，则骤求对应于各频率分量的相位估计方差尽可能地小，这是本系统 暴嗣静摇馥灌洼 舂诗时延懿蔹糖。 这些处理器基于自勺物理模型式( 卜1 ) 假设为平稳的，但同样适用于慢变化 的琢境，靼信号帮噪声特性在蠢限褒溺时闻内是乎稳懿，时遥f 也可以是幔 变化的。有限的观测时间必然使处理器的性能受损。在被动检测中，对目标 的潜特性只有近似的了解，选榉处理器应加以考虑。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为理解m l 估计器与其它处理器的相似性，作以下假设： g j ，。( 厂) 一，：( 厂) 一g 。( 厂) = c i g 。( 厂) ( 1 - l o ) 荚中，g 为豢数。则表l ，l 中后5 释处理器具煮稷蘑懿投露数： 1 彤卜赢高( 1 - 1 1 ) 其中，c 为与处瑷器有关的常数。可以看出，如果不计常数因子的影响， 这5 种处理器是等价的，而互榍关( y ( ，) = 1 ) 是被信号功率漤的逆付立叶变 羧展宽的艿函数。 1 4 3 时延估计方差 根据文献 2 4 的结果，可证明上节撮到的脱估计器的时延估计方麓为： 一融：彬黯吖 小哪 文献 2 证明它达到了克控荧一罗_ f 界( c r l b ) ，也就是说，皿估计器， 即适当滤波后的互g t 关器，是最小方差意义下的最优时延差估计器。 当输入信嗓冼较小( s n r = 6 0 ( f ) g 。( 厂) 1 ) 寿漫下， 时延麓估计的误差： 掂( 击) “2 志志 m 旧 强1 2 绘密了 囊落溱魄稳潺下，f 与信臻魄豁壤及获分戆阕t 之阕豹关 系。仿真条件为：信噪魄盘o d b 到一l o d b 变化，工作带宽为2 k h z 9 6 k h z ， 积分时间t = i s 和t = 4 s 。从图中可以看出，对于积分时间t = 4 s 的系统，在 信噪比s n r = - 6 d b 时，r = o 4 2 , u s 。 s n f i d b ) 图1 2 时延差估计的最优下界 式( 卜1 2 ) 是在时延估计的偏差不大即所谓的“小误差”，观测时间足够长， 君号帮曝声戆谱特性己知黪条斧下摄到豹，越对系统性能最乐观麴估计。当 密臻模糊峰或稷漳对，系统经能籍急翮恶纯。嚣拜，也只有在越够长的强溺 时间内，信号和噪声谱才能被准确估计，而太长的观测时间，数据的平稳性 无法保证啡m ”。 文献 2 5 证明随信嗓比降低，互相关器望现一种门限效应。小娜3 ，大估计 误惹( 霞峰) 匏壤率逐遮臻魉。它绘蹬了缀酶撅搴熬运菇理论缝祭，著瑗糖 真翻以验证。推导了加嚣鞫不翻窗两静模式下鹃对延估计方差。嬲密模式蠲 哈尔滨工程大学硕士学位论文 时延舆值作为先验知识，在真值附近疋2 的窟内寻找相关峰，认为最靠近 真德的峰印为时延的估计；不加窗模式把整个士t o 范围内的穗关波形图中的 最毫鞠关漳作为对时延鹣髅诗。它褥塞热下缝论：翔窑模式静时惩谯诗方差 比不加窗模式的小；高信噪比时加窗模式的估计方差达至0 了c r l b ，低信噪比 时方麓与c r l b 相差较大，且t 越小差别越大，应选用b a r a n k i n 下界或 z i v z a k a i 下界( z z l b ) 作为衡量标准”“。 i o g v a r ( ) ( d b ) s n r ls n r 2 袋眩3 麓铲r 翻b ) 图1 3 z z l b 组合下界 对窄带声源信号，相关器输出是类周期性函数，周期为1 f o ，f o 为信号 的中心频率。这样，很滩从糨关函数相邻的峰中找至i 真正的时延，它们的高 爱霹熬鞠差无曩，要靠嚣鹣俊嗓篦帮长载蕊溯懿润寒莰裂奏正熬臻关漳。文 献 2 6 3 在信号与噪声均为平稳高斯过程虽为窄带常数谱韵条件下给出了 z z l b ，证明它是一种更严格的下界。z z l b 由四部分组成，并随输入信噪比的 变化而变化，如图1 3 所示。 这几段组合下界可表淤虫鞋下： 砌r ( ) = t 2 1 2 ， 1 2 z b 3 t s n r 门限， , t g b t ( 2 7 r f o 2 ，s n r 淞l ，鼢璃1 黜舢2 s n r 2 s n 爱3 其中，t 2 1 2 为最大静时延估计方差；b 为带宽，五为邋带中心频率； 1 4 嗡尔浜工程大学硕士学位论文 s n r l ，s n r 2 ，s n r 3 分别为三个临界值。b a r a n k i n 下界是缺乏先验知识条 牛下，低镶嗓毙时较c r l b 鼹紧凑的一静方差獭嶷标准。“门限”隰域无法曩 明显斡髂恚厅式来表达。 由此可知，当，! r s s n r l 时，时延实际上在( 一f 2 ，f 2 区域上均匀分布， 这里称之为“无信息”域。洳s n r l s n r s n r 2 时，z z l b 与b a r a n k i n 下界 一致。当s n r 2 s n r 3 霹z z l b 与c r l b 一致，这与c r l b 的分掇窃合。 三个信噪比晒赛遭懿诗露方法为： = 罴2 n 堕b ，南 m s ， 嚣r lr 2 硝 们2 、7 s n r 2 = 而2 面1 7 ( b t ( 筝b 2 硝22 万、 f l - 1 9 ) 黝2而6(盈)2l-1、b2(bt b 2 4 ( 2 n 万f ) ( 1 _ 2 。) 石2 2 刀1 、 7 r 7 i 、 其中，痧( 为= f e - , v 2 d t 。由式( 1 - 1 8 ) ( 1 - 2 0 ) 昀：警鬻宽器或蘧 察时间r 增大时，s n r l ，s n r 2 ，s n r 3 均减小，z z l b 与c r l b 一敬的区间增 大，即在较小的信噪比条件下也可能达到所需的时延估计方差，这相当于实 际应用中的增加作用距离。 文献 2 6 把互相关时延估计的理论和仿囊结果与z z l b 作了比较，仿真采 霜了瓣瑟镖对黎整检查瓣方法，露谈受橱关漳一般关予嚣延寞壤对稼，拭 三个最高的峰中一般裁可找到正确的相关蜂。从丽得出结论，对低暹和带通 信号谱，只要