水声信号处理基础.pdf

【实例简介】
水声信号处理基础
内!提 本书从统计糖点御述信她理的骞狸论。第一幸概述水产僧号处理的棋型及发 展櫶況。第二、三章介绍信号分析、緞性系统和随机过程,是全书的基础部分。第四 章到第六章紋迷信号统计处理的一般理论,包括最传线性滤、信号的统计检测和佔 计理论初步。最后三章偏重于声纳十的信早处理间题一混喻干下的信号处理、相 关接收阵和自适应处理技术。 本书可作为水声工程专业有关信号处理户面的教材,或从事这方面研究工作的人 员的参考书,也可作为雷,逍信专业在信号统计处题方面射参考书 水声营号处理 锅我璟陆根游轴 萨“管B萨出 新华带店北京魔行所发行各地新华书店楚督 防工业出版社印倒厂印装 78X10924/19张11/4403千字 1981年9月第一叔981年9月第一孜印刷印敦:0,00一20肝 篮→号15034-2175定价:180元 前言 木书是按教材的受求端写,以基袖知识和一般理论为主,但也惹虑了水的一些 殊的要求。 近十年来信号处理技术发展很快,理论上新月异,应用领域上不断扩大,通信、雷 达,地震、控制,测量……都离不开信号处理。声纳往往在强干抗背景下工作,信号处飓 技术的地位显得相当重耍。因此,这门课是水声工程专业重要主课之 五十年代初期以维纳滤波为代表的最佳线性滤被得到迅速发展,五十年代后期,将统 计决策理论应用到通信、控制中来,出现了信号检测理论,共十年代估计理论迅速发展, 检测理论有点相形失色。卡曼滤波继承发展了维纳滤波,在估计理论中找到了自己的坚实 理论基础。在过去教学中,曾一度突出了检测理论,现在看来不一定合。现我们仍旧 把最生线性滤波列为专门的一章,但是加进了卡曼滤波的新内容。检测论也是专门的 章,没有作更深入的分析,好在内已出版了这方面的专门著作。近来估计理论发展很快, 内容很多,这本数材不可能全部包括进来。我们用了一章篇掘介绍估计理论初步,介绍了 参量估计,也介绍了非参量佐计。 为了学好最伟线性滤波,检测理论,估计理论,打好基础是必要的。尽管前面的课程 已经学过信号分析和概率论,我们还是用了两章篇幅研究有规信号分析和随机信号分析, 第一从教学角度来看适当重复是必要的;第二重复也不是简单的重复,而是向更深入方向 发展,向离数的,多维的向发展,这种发展对后面分析是完全必要的 混响干扰背景是水声信号处理的特殊问题,在第七章中作了专门的介绍,但是该章 讨论的模糊度函数,信道的滤波器模型……对于水声以外的其他领域也是有用的。用基阵 按收和发射信号也是声纳的特点,指关接收阵提高了被动声纳的性能,第八掌中对于这厅 面闯题作了较详细的分析。承声信道复杂多变,加之,数字技术的发展,促使自适应技术 应用到水声领域中,提高了声纳的性能,第九章中对自适应作了初步的介绍。 在分析中要用到许多数学丁具,如积分方程,差分方程,矩阵……,我们认为不应回 遍这些工具,但是在本教材中北不宜系统地全面地介绍这些工具,我们力图用一些简单易 懂的例子使读者初步掌揸这些工具。 木书申稿时,南京工学院水声工程教研组的黄建人、姚治国和周刚临三同志提出了许 多宝贵意见,特表示感谢。 由于我们的水平有限,错误一定很多,请读者批评指正。 编者 且录 第一聋引论 會會會曾會1伽會會身t會■血司■會自·自·會會 5.}随机参量信号的检测…………144 1.1基本的声纳系统的模型 ■面司唱■要 85.4序列检测 56 12水声信号处理的发展概况………!习题 會■山『■PP酽d普■■1■■b;b画4 ·4I §1.3主要符号表示………4第六章估计理论初步…………162 第二章信号的解析表示和线性系统……5§6.16计的木慨念 6 §2.1,信号和信号分析…… §6.2则叶斯估计……………,………l §2.2谱函数的性展…,… 6.3递归线性最小方為佔计 §2.线性系统 ■■q■■■口司■■司口 6.4功率谱估计…… §2.4釆样定理………… 习题………… 中“9 s2.5离散线性系统4, 35第七章混响干扰下的信号处理……202 习题……………………………47 7,1模粉度效 看1自中即■■: 第三章随机过程… _q号看■唱■ §7.2混疃的純计特…………………"235 §3.1概率和随机变量 9 §P3混响于扰下的信号处理 3.3随机变量的函数 5了 习 §3.3期螺…… 第八章相关接收阵 33,4随机过程 65 88.1引言………… 225 §3.5随机过程的功率… 分8.2平方累积阵分析… 晶中h2E5 §36高斯随机过程 ■bd备A 8§83乘积阵分析……………230 习題………………………“…………7 s8.4有板性处理的基阵公析………2? 第四章最佳线性滤渡…………………y2 §8.5最大信噪比滤欲阵的分忻…………2b 4.1最佳线性滤波的标准……… $_2 习题………………………………24 §4.2匹配滤戏器的分枥… 93第九草岩适应处理技术… "245 E43匹配滤波器的实现……… …0 惡9,1水声信道的滤波器模型 84.4继纳滤波……………………1 9.2自适应概念和MS适应逐算…246 84.5卡曼滤波初步……!5 9,3自遞应波束形成器…… 习恶… 曾曾會P■ 224 §9.4自逅应滤被… 第五章信号的统计检测 习题 …………269 §5.1惭述… …………)6录有关的儿个矩阵公式 n··"‘2 §52高斯噪声背景下确知信号 §1儿个有关的矩阵求逆公式…………* 的检测 +-+jF s2矩阵做分 7 第一章引论 §1,1基本的声纳系统的模型 声纳系统按用途来分有许多型号,但它的工作方式不外乎主动式和被动式两种,如图 1-1-所 声波 故射体 主动式声纳由发射机发射已舶信号, 发射积 目标 通过换能器转换成声波信号,经月标反射 后成回波,经过渐水中各式各样的散射 ⊥式/怀回效+散射回液(响 体散射形成混响接收机不但接收到回波 接收机 和混响,而且还会接收到环境噪声,通常 射哗产 发声目标 包括海洋噪声和本舰噪声。回波是信号 境噪声 信号 其余都是干扰。在简单的检测模型中,回 被动式 波信号是完仝确知的,它和发射波形 图1-1-1甚本的声纳系鸵模型 样,只不过是时闻上平移了一下。但实际情况要复杂得多,于目标的运动,会引起多普 泐( Doppler)频移,由于目标不是一个点,多径传揹,回波在时间轴上被犷展,波形和发 射波形可態会大不相同,此外由于介质的随机性,也会造成回波信号的起伏。在主动声纳 中,混响往往是主要的干扰。混响也是由发射信号产生的,它的许多方而的特件和阿波极 为相似,使得抗混响相当闲难。本噪芦也是一种亚重的干扰:在本舰高速诺动时,更 是如此。但是它是一个宽带信号,回波是一个窄带信号,可以利用功率谱的亲异来风分 它们 被动声纳是根据日标辐射的声液来检测目标的。这辐射的声波可能是目标上的声纳发 射的声波,也可能是目标运动时辐射出的舰船噪声,也可能是目标引起的其它声音。目标 辐射出的觑船噪声的功率漕和本舰噪声的功率都是宽带的,从功率谱上区分它们有一定 的困难。但是本舰噪声和日标舰噪声在空间相关性上是不同的。可以利用空间相关性上的 差异来区分它们。 声纳系统的模型反映了声纳、介质和目标三者的关系。介质和目标的特性是我们无法 控制的,而声纳,它的发射方式与接收方式是我们可以合理地选择的。使得它最佳地和介 质、目标的特件匹配。早期的声纳系统,它的发射方式、接收方式是不变的,而介质和目 标的特性却是因时、因地而异的,这就不可能实现最住地匹配。必须改变这种不变的发射 方式、接牧方式,要根据当时当的介质、目标的特鉎,自动地调整发射方式、接收方式, 以运到最住地匹配。这便是所谓的直适应技术。 §1.2水声信号处理的发展概况 市纳从它的诞生到现在有了很大的发展和变化。特别是近二十多年,更是如此。声纳 的变化和水声信号处理的发展是一致的,或者说水声信号处理每出现一个新技术,都导致 声纳的一次大变化。 五十年代以前的声纳,发射波形是比较简单的,是一个正弦填充的方波,接收机采用 窄带滤波。脉冲压缩我术的出现,导致脉冲压缩声纳逃出现,发射波形釆用线性调掘脉沖, 戌者伪随机编码。在接收机中相应地出现了信号处理器(如 DELTIC系统等〕 草题的声纳是利用换能器的自然方向性,用机械旋转的方法实现波束的旋转。随着换 能器的越来越大、越来越笨重,机槭旋转越来越困难。利用相控阵孜术之后,可以用电的 力法形成波束的旋转;还可以用电照方法同时形成多个波束,出现了多液束阵。利用信号 有干扰的空间相关性的差别,将信号处理技术应用于基阵,出现了相关接收阵。 由于铵收到的信号和干扰变化范围很大,给信号处埋带来困难,便出现了动态范压 缩和归一化技术 目前,自适应技术及各式各样的数字处理技术迣入了声纳领域。 图1-2-1是目前的典型声纳发射机方框图。信号发生器的输出可具有多种形式(模拟 的或数字的,正弦填充脉裨或线性调频脉冲,或几种信号同时共用),这取决了所考虑的系 统的具体要求。信号发生器的犏出送到波束形成器矩阵去,波束形成器矩阵的用途是对信 号进行适当的加权和延迟,以使发射阵产生所要求的声束图,将声能聚集到所要求的空间 中去。程序器的用途是使多路或顺序发射同步。 程序器 信号 束 发生器 形成矩臂 发射阵 图⊥-2-4声纳发射机户框图 图1-2-2是目前的典型声纳接收机方框图。它比发射机复杂。这是由于在发射时信噪 比是无限大的(或接近无限大),而在接收时,在大多数有实际意义的情况下,信噪比是小 于1的。接收基阵和波束形成矩阵对应于发射机中发射基辉和波束形成矩阵。这两个基阵 通常是共用的。但是波卓形成兔阵是有差别的,在发射机中,为了使发射能量最大,波東 形成航阵具有最小的幅度加权。在接收机里,则使用幅度加权,抑制旁瓣或增大方向性指 数。在发射机中用相控发射,在接收棚中采用自适应波束形成处理。 程序器 判决设舒一 接收F 态范 信号 形成矩阵 和归 处理器 显示器 昕觉指示 网1-2-2声接收机了框图 动态范围压缩和归一化(DRCN)与信号处理器具有共同的任务:对接收的信息进 如工,以便适当地将其显示在视觉显示器或听党显示器上,或送给判决设备(可能是一个 缴字计算机)。程序器是用来达到同步和自适应的。 本课程的任务是介绍信号处理的基本理论及其实现方案。 1.3主要符号表示 x(t),f(t),g(:)等表示实信号 x(扌)∫2(f),ga(t)等表示复数解析信号 F()或ⅹ(的)表示实信号X(#)的频谱函数 F(①)或X2(①)表示复数解析信号xa(4)的频函数 Rx(℃)或R2x()或R(T)表示信号x(t)的自相关函数 R2(τ)或R12(T)表示信号x(:)和y(t)的互相关函数 H()表示时不变线性系统的频半响应函数 h(T)表承时不变线性系统的冲激响应函数 H(,t)表示时变线性系统的频率响应函数 h(,T)表示时变线性系统的冲激响定函数 xn}表示实信号序列 Y(z)表示{x》}的z变换 hn)表示线性系统刈单仕釆样序列("-k)的晌应 h(n)表示线性位移不夾系统对单位采祥序列8(”)的响应 正(z)裁示a(B)的之变换 尸(A)表示事件A的粥率 P(A.B)表不事牛丹出现条供下,惠件A出现的条件率 F(a)或F(x)表示随机变量x的概率分布函数 p()或P()表小陡机变量x的概率密度函数 F()或F(x|y)表示条件概率分布函数 Fx(妖}或F(K)衣爪随机向量X的慨率分布咝爨 p()或户(x)表示随机向量X的概率密度区数 px(夕(XY)表示随机向量的条件概率密度函数 E〔x会具表示随机变量x的微学期望或统计平均 E(x°)裘示随机变量x的n阶愿点矩 E〔(x-μ)“)表示随机变量x的阶中心矩 Mx(s)=Ee〕表示随机变量x的特征函数 E(X)仝μx裴示数学期望或统计平均 中x全FXX表示均方矩阵 Vk≌EX-)(X-)2〕表示方差矩阵 z(β)会E(XY-)或xy表条件均值 vx()会E[(x-x)(X-x)Y=月或4y表示条件方差矩阵 Mk(s)表示特征函数 x(t,》或x(t)表示一维随机过程样本函数 X(t,k或X(!)表示n雏随机过程样本函数 EX(t,)!表示X(t,)的均值 中x(t)表示X〔f,)的均方矩阵 V2(t?表示X(t,k)方差矩阵 φx(1,t:)表示X〔e)的相关矩阵 vx(t1,f2)表示K(t,四)的协方差矩阵 S(o)表示x(f:①)的功率谱 第二章信号的解析表示和线性系统 §2,1信号和信号分析 信号 信息传输系统的任务在于向接收者传輸消息。声纳是一种信息传输系统,它所传输的 消息是目标的有无,日标的运动要素(距离、方向、形度……),目标的性质等。 消息本身往往不便于传输,要將消忘放在某…个便于传输的物理量屮,这种带有消息 的物理量叫做信号。在主动声纳中,回波的行无表示目标的有无,回波出现的方向,苌示 目标的方向,回波出现的时刻反映了目标的距离,回波中多卜勒频偏反映了目标的相对速 度,回波的频谱结构反映了目杯的类型。因此主动声纳中回波是信号。类似跑,日标的 辐射噪声是被动声纳的信号。 凡是妨碍接收者接收信号的物理量都是干扰。本翹噪声、混响、海洋噪声都是声纳的 干扰。 应当说明,干桄也带有消总,只不过是接收者不需要的消息。因此同一个勒理量对于 这个接收者是信号,对于那一个接收者可能就是干扰。钶如编队航行时,甲觎主动声纳引 起的日标回波是乙舰主动声纳的干扰,它会严重妨碍乙舰主动声纳的工作。再如对一个搜 索潜艇的芦纳兵而言,本舰噪声是干扰,对一个测量本舰噪声的工作人员而言,本舰噪声 是信号。 由此可见,信号和干扰的差别仪仪在于接枚者是否需要。 因此,研究信号的方法和工具,也适用于干扰。第二章、第三章介绍的内容既适用于 信号也适用于干扰。 信号的时域分析 我们将信号用时间纟的函数表示,记作x(4)。如果时间连续地取值,信号叫做连 续时间信号。如果时间f离散地取值,信号叫离散时间信号。 在声纳系统中常见的信号有: 1.脉冲信号 矩形脉冲 「A0≤f≤T x(t) 0其余的r 它有两个参数A和TA称做脉御幅度,T称倣脉冲班度 钟形脉冲 x(t)=A·e (2-1-2) 它也有两个叁数A和α:A称做脉冲幅虔。它是κ〔扌)的最大值。a反映了脉冲度。钟 【实例截图】
【核心代码】