远程遥控水声信号检测技术研究
|
摘要
随着遥控距离的加大（30～100Km），远程遥控水声信号的有效检测与信道特性
之间的关系更加密切，检测也变得更加困难。本论文在分析远程水声信道时变特
性的基础上，对水声信号的检测技术进行研究，并对其加以改进。
论文中主要进行了以下工作：
1．分析水声衰落信道最突出的多径效应与时变特性，并初步研究了时间和频率分
集技术在水声遥控系统中的应用。
2．从阐明信号经过DFT后在频域呈渐近正态分布入手，给出频域检测实现恒虚
警（CFAR）的理论依据，随后分析了恒虚警和双门限处理的检测性能，并提出
恒虚警的内插算法以克服频偏，提高检测概率；研究信号预处理技术及谱泄漏
产生的原因，提出了高速采样下的平滑技术以抑制高频噪声；初步研究了高阶
累积量法检测远程遥控信号的可行性，并将其检测性能与经典的周期图法进行
了比较，指出了其切片谱用于检测的缺陷；从理论上分析了水声信号的串、并
行发射对接收检测的影响。
3．设计并制作了海试用计数、显示器，调试了其所用程序，保证检测结果能够由
LED显示出来。
4．最后用仿真和实际采集数据，比较了高阶累积量法、周期图法的检测性能以及
串、并行发射下的检测效果，并验证了各种方法的有效性和可靠性。
With the distance of remote control (30~100Km) increasing, the relation between the effectual detection of long-distance remote control and character of channel get more closely, and the signal detection becomes more difficult. In this dissertation, based on the analysis of the time-varying character of underwater acoustic channel, the technology of acoustic signal detection is investigated and improved.
The follows are the main contributions in the dissertation.
1. The most prominent aspects, the effect of Multipath and time-varying character of underwater acoustic fading channel are analyzed, and the preliminary study is made on the application of time-division and frequency-division collection in underwater acoustic remote control system.
2. Based on the fact that the signal after DFT is asymptolic normal distributed in frequency-domain, and the foundation of Constant False-Alarm Ratio (CFAR) detection in frequency-domain is given, then the detection-performance of CFAR and bi-threshold are analyzed, presenting interpolation algorithm of CFAR to overcome the frequency-deviation as to improve detection possibility. The technology of pre-procession and cause of Spectrum Leakage are investigated, and then the method of moving-average under the high sampling is put forward to suppress the high-frequency noise. The feasibility of detecting remote control underwater acoustic signal by High-Order Cumulant is described, and its detection performance is compared with classical Periodogram’s, indicating limitation of its slice spectrum in application of detection. The effect of detection from serial and parallel transmitting acoustic signal is studied theoretically.
3. Counter-display device is designed for sea test, and its program is debugged to ensure that LED can display the detection result.
4. Simulated data and actual data are used to compare the performance of High-Order Cumulant with Periodogram’s, and the effect of serial transmitting with parallel’s, then effectiveness and reliability of various detection methods are testified.
之间的关系更加密切，检测也变得更加困难。本论文在分析远程水声信道时变特
性的基础上，对水声信号的检测技术进行研究，并对其加以改进。
论文中主要进行了以下工作：
1．分析水声衰落信道最突出的多径效应与时变特性，并初步研究了时间和频率分
集技术在水声遥控系统中的应用。
2．从阐明信号经过DFT后在频域呈渐近正态分布入手，给出频域检测实现恒虚
警（CFAR）的理论依据，随后分析了恒虚警和双门限处理的检测性能，并提出
恒虚警的内插算法以克服频偏，提高检测概率；研究信号预处理技术及谱泄漏
产生的原因，提出了高速采样下的平滑技术以抑制高频噪声；初步研究了高阶
累积量法检测远程遥控信号的可行性，并将其检测性能与经典的周期图法进行
了比较，指出了其切片谱用于检测的缺陷；从理论上分析了水声信号的串、并
行发射对接收检测的影响。
3．设计并制作了海试用计数、显示器，调试了其所用程序，保证检测结果能够由
LED显示出来。
4．最后用仿真和实际采集数据，比较了高阶累积量法、周期图法的检测性能以及
串、并行发射下的检测效果，并验证了各种方法的有效性和可靠性。
With the distance of remote control (30~100Km) increasing, the relation between the effectual detection of long-distance remote control and character of channel get more closely, and the signal detection becomes more difficult. In this dissertation, based on the analysis of the time-varying character of underwater acoustic channel, the technology of acoustic signal detection is investigated and improved.
The follows are the main contributions in the dissertation.
1. The most prominent aspects, the effect of Multipath and time-varying character of underwater acoustic fading channel are analyzed, and the preliminary study is made on the application of time-division and frequency-division collection in underwater acoustic remote control system.
2. Based on the fact that the signal after DFT is asymptolic normal distributed in frequency-domain, and the foundation of Constant False-Alarm Ratio (CFAR) detection in frequency-domain is given, then the detection-performance of CFAR and bi-threshold are analyzed, presenting interpolation algorithm of CFAR to overcome the frequency-deviation as to improve detection possibility. The technology of pre-procession and cause of Spectrum Leakage are investigated, and then the method of moving-average under the high sampling is put forward to suppress the high-frequency noise. The feasibility of detecting remote control underwater acoustic signal by High-Order Cumulant is described, and its detection performance is compared with classical Periodogram’s, indicating limitation of its slice spectrum in application of detection. The effect of detection from serial and parallel transmitting acoustic signal is studied theoretically.
3. Counter-display device is designed for sea test, and its program is debugged to ensure that LED can display the detection result.
4. Simulated data and actual data are used to compare the performance of High-Order Cumulant with Periodogram’s, and the effect of serial transmitting with parallel’s, then effectiveness and reliability of various detection methods are testified.
引文
[1] Robert J. Urick, Principles of Underwater Sound . MC. Craw-Hill. Inc,1983
[2] 张歆，“基于声场模型的水声通信特性与系统设计的研究”，西北工业大 学，2000
[3] 卢定庆，“杂波经DFT后其频谱的统计分布的研究”，四川大学，1980
[4] 朱埜，主动声纳检测信息原理，海洋出版社，1990
[5] JohnG.Proakis, Digital Communications. New York, 1983
[6] 张贤达，现代信号处理，清华大学出版社，1999
[7] 张贤达，时间序列分析，清华大学出版社，1995
[8] 胡广书，数字信号处理-理论、算法与实现，清华大学出版社，1998
[9] 王世一，数字信号处理，北京工业学院出版社，1987
[10] 刘松强，数字信号处理系统及其应用，清华大学出版社，1996
[11] Steven.M Kay, Modern Spectral Estimation, University of Rhode Island, 1988
[12] S．M凯依著，黄建国等译，现代谱估计原理与应用，科学出版社，1994
[13] 西北电讯工程学院《雷达系统》编写组，雷达系统，国防工业出版社， 1980
[14] 张慧燕，吴顺君，“自适应门限下杂波恒虚警算法”，西安电子科技大 学学报(自然科学版)，第22卷第1期，2000． 7
[15] 扬杰等，“海杂波概率密度分布函数分析方法的研究”，武汉交通科技 大学学报，第22卷第1期，1998． 2
[16] 程刚，声遥控水雷接收系统技术方案论证分析，西北工业大学航海学院， 199l
[17] 曹志刚，钱亚生，现代通信原理， 清华大学出版社，1994
[18] 沈振元，聂志泉，赵雪荷，通信系统原理， 西安电子科技大学出版社，1997
[19] 高玉龙，微波传播衰落及抗衰落技术，人民邮电出版社，1984
[20] 张效民，田婉逸，现代信号检测与估值，西北工业大学出版社，1996
[21] 吴祈耀，随机过程，国防工业出版社，1987
[22] 朱华，黄辉宁等，随机信号分析，北京理工大学出版社，1990
[23] 张锋国，“远程水声遥控DSP系统设计与研究”，西北工业大学，1998
[24] 程刚等，“远程遥控装置接收系统技术参数分析”，探测与控制学报， 22卷第2期，2000． 6
[25] 程刚等，“远程遥控装置检测系统技术参数分析”，探测与控制学报， 22卷第3期，2000． 9
[26] 何立民，单片机应用系统设计-系统配置与接口技术，北京航空航天大 学出版社，1995
[27] 孙函芳等，MCS-51／96系列单片机原理及应用，北京航空航天大学出版 社，1998
[28] 武汉力源单片机技术研究所，PSD3×××可编程单片机通用外围接口芯片 原理，编程及其应用，1994
[29] 李广弟，单片机基础，北京航空航天大学出版社，1994． 6
[2] 张歆，“基于声场模型的水声通信特性与系统设计的研究”，西北工业大 学，2000
[3] 卢定庆，“杂波经DFT后其频谱的统计分布的研究”，四川大学，1980
[4] 朱埜，主动声纳检测信息原理，海洋出版社，1990
[5] JohnG.Proakis, Digital Communications. New York, 1983
[6] 张贤达，现代信号处理，清华大学出版社，1999
[7] 张贤达，时间序列分析，清华大学出版社，1995
[8] 胡广书，数字信号处理-理论、算法与实现，清华大学出版社，1998
[9] 王世一，数字信号处理，北京工业学院出版社，1987
[10] 刘松强，数字信号处理系统及其应用，清华大学出版社，1996
[11] Steven.M Kay, Modern Spectral Estimation, University of Rhode Island, 1988
[12] S．M凯依著，黄建国等译，现代谱估计原理与应用，科学出版社，1994
[13] 西北电讯工程学院《雷达系统》编写组，雷达系统，国防工业出版社， 1980
[14] 张慧燕，吴顺君，“自适应门限下杂波恒虚警算法”，西安电子科技大 学学报(自然科学版)，第22卷第1期，2000． 7
[15] 扬杰等，“海杂波概率密度分布函数分析方法的研究”，武汉交通科技 大学学报，第22卷第1期，1998． 2
[16] 程刚，声遥控水雷接收系统技术方案论证分析，西北工业大学航海学院， 199l
[17] 曹志刚，钱亚生，现代通信原理， 清华大学出版社，1994
[18] 沈振元，聂志泉，赵雪荷，通信系统原理， 西安电子科技大学出版社，1997
[19] 高玉龙，微波传播衰落及抗衰落技术，人民邮电出版社，1984
[20] 张效民，田婉逸，现代信号检测与估值，西北工业大学出版社，1996
[21] 吴祈耀，随机过程，国防工业出版社，1987
[22] 朱华，黄辉宁等，随机信号分析，北京理工大学出版社，1990
[23] 张锋国，“远程水声遥控DSP系统设计与研究”，西北工业大学，1998
[24] 程刚等，“远程遥控装置接收系统技术参数分析”，探测与控制学报， 22卷第2期，2000． 6
[25] 程刚等，“远程遥控装置检测系统技术参数分析”，探测与控制学报， 22卷第3期，2000． 9
[26] 何立民，单片机应用系统设计-系统配置与接口技术，北京航空航天大 学出版社，1995
[27] 孙函芳等，MCS-51／96系列单片机原理及应用，北京航空航天大学出版 社，1998
[28] 武汉力源单片机技术研究所，PSD3×××可编程单片机通用外围接口芯片 原理，编程及其应用，1994
[29] 李广弟，单片机基础，北京航空航天大学出版社，1994． 6