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运动声呐空时自适应处理中的多普勒影响分析

更新时间:2009-03-28

混响是主动声呐工作时的一个主要干扰,严重影响主动声呐对信号的检测性能[1-3]。不同于普通噪声,当声呐波束触及海面或海底时,混响将从不同锥角入射引起多普勒扩展,这使得混响具有空时二维耦合的特性[4-5],即使采用常规波束形成加自身多普勒抑制这种级联处理的方法也难以有效消除由于旁瓣进入接收机的混响[6]。混响空时耦合特性与机载雷达的地物杂波特性非常相似。1973年,Brennan等[7]提出了空时自适应处理(Space Time Adaptive Processing,STAP),STAP联合应用回波的空时二维特性,将一维的空域滤波推广到空间和时间二维域中。研究人员首先将STAP技术应用于机载雷达中,获得了很好的杂波抑制效果[8-9]。由于混响与杂波特性的相似性,在水声信号处理中,STAP被认为是一种有研究前景的混响抑制算法[10]

目前,国内外对于水声STAP的研究仅仅处于起步状态,可查的文献不多。赵申东研究了STAP算法在水下环境中的应用[11-13],文中对比雷达STAP,针对水下环境声呐工作方式进行了一些修改。吕维考虑了空时耦合项对STAP的影响[14-15],采用类比雷达接收信号的方式说明水声STAP的空时导向向量,并没有从数学上进行推导,也没有考虑信号脉冲的伸缩变化带来的影响,难以与水下环境相匹配。本文针对这一不足开展研究,综合考虑了空时导向向量修正项和信号脉宽变化对STAP的影响,具体分析了修正项对混响的抑制作用,以及信号脉宽变化对信号检测能力的影响。

应对一些电路的安全问题,要尽可能提供一些安全的配电装置。比如超过400V的电压装置里就要配备空气断路器,这样一来可以防止局部过热而引发火灾等严重情况。在选用负荷开关时,要尽量避开不抗湿的,想象一下,如若空气中的一丝水分沾上开关便跳闸,那这样的生活是否十分不便利。还有在较为发达的新区或经济区周围,要建设一个配电室。这样一来,当整个电路运行不够流畅时,配电室便可及时提供援助,避免供电紧张,群民唏嘘的尴尬局面。

1 STAP处理方法

1.1 STAP处理流程

声呐进行基于STAP的接收处理,要进行距离门采样,匹配滤波,数据加权处理等处理步骤。具体流程见图1。

  

图1 STAP接收机模型Fig.1 STAP receiver model

1)按距离门进行采样,由于声呐采用单脉冲的形式发射信号,在一个探测周期内,理论上目标回波会出现在与脉冲宽度等长的一段混响中。因此,按照图2所示进行采样。

2)为增大目标信号的信噪比,提高目标的检测性能,通常对接收回波进性匹配滤波,匹配滤波被认为是白噪声背景下的使输出信噪比达到最大的最佳线性滤波器。

3)STAP最优处理器采用了最大化信号干扰噪声比(Signal to Interference Plus Noise Ratio,SINR)的原则,及在噪声加干扰的条件下,使目标更容易被检测到,求取STAP最优加权向量,对数据进行加权处理。

  

图2 声呐数据结构Fig.2 Sonar data structure

1.2 声呐STAP原理

STAP实质上是将一维空域滤波技术推广到时间和空间二维域中,并在高斯杂波背景加确知信号(即目标的多普勒频率与空间角已知)的模型下,根据似然比检测理论导出的最优处理器[16]。STAP原理满足如下的约束条件:

 

式(1)中:R=E[rrH]为接收数据的协方差矩阵;r为接收数据;w为需计算求出的STAP处理器的权向量;a=as(ωs)⊗at(ωt)为空时二维导向向量,其中,as(ωs)为空域导向向量,at(ωt)为时域导向向量,ωs为空域角频率,ωt为时域角频率,⊗表示kronecker乘积运算。

由式(11)可知,修正项是空域角频率与时域角频率的交叉项,被称为空时耦合项[14-15]。针对修正项的分析可以得到结论,单脉冲STAP空时导向向量中存在修正项,由于该修正项可以合并到空域导向向量中,所以有理由认为修正项的物理意义是对空域导向向量的修正。由于修正项的存在,可以对目标方位进行更精确的估计。

 

由阵列的指向性构成空域维度,由连续采样点之间的多普勒频率差异构成时域维度。

从接收目标回波入手,将其降到基带并重采样得到数字信号为:

通常车间内的Milk-run运行周期时间小于60分钟,在规划路线时根据数据收集和需求计算的数据,确定每台设备和每个站点消耗的零件箱数,将其转换为总需求的百分比。根据汇总的数据表格,通过试错法划分Milk-run运行路线,同时不同路线的运输量和循环时间应该相同或相近。在定义路线时必须考虑以下几点:确定路线的起点、供应所有的物料站点、使用桑基图观察主要的物料流、考虑通道交通情况如思路和十字路口、检查道路宽度和转弯区域是否能通行火车、控制路线长度、考虑在不同的路线上运输大小箱子的可能性。当确定运行的循环路线时,考虑到员工的接受程度,因此选取最容易的路线开始,改善运行人员的工作习惯。

 

式(3)中:Am为每个采样点的幅度。

由此,便可得到空域、时域导向向量,详细推导过程参考文献[17]。

 

空时导向向量为:

 

式(3)~(6)中:N为阵元数目;M为一个距离单元内时域采样点的个数;空域角频率 ωs=-2πdsinθ/λ,其中,d为阵元间距,θ为回波方位角,λ为波长;时域角频率为多普勒频率为多普勒系数,v0为声呐平台与运动目标径向相对速度,c为水中声速,fs为采样率。

一则是安徽合肥一女子陶萍向主流网站和纪检部门举报了担任区卫生局局长的丈夫郝某某受贿、包养情妇的违法违纪行为,出示了多张郝某与女子裸照及郝某价值数万元的名烟名酒和高档工艺品。郝某被停职后,事实被查证属实,目前已被检察机关刑事拘留。二则是浙江省开化县国土局副局长朱小红因给小三购房购车被妻子举报,先免职后判刑。

[3]朱埜.主动声纳检测信息原理[M].3版.北京:科学出版社,2014:447-503.ZHU YE.Active sonar detection principle[M].3rded.Beijing:Science Press,2014:447-503.(in Chinese)

肾损伤发生时间及表现 肾损伤发生在服用替诺福韦后 (39.8±2.6)个月,1~96个月,大部分在2~5年之间;距离HIV确认的时间为 (8.6±0.4)年,1~16年。FS发生在服用替诺福韦后(40.2±2.8)个月,1~82月,距离HIV确认的时间为3~15年。

2 多普勒对STAP的影响

式(9)与式(3)相比,单脉冲空域导向向量有一个修正,可以看到这个修正是由 e-j2πfdn引起的,可将其变形为:

2.1 声呐目标回波

将匹配副本修正为 s͂ref(t)=r͂(t)。对一个距离门数据做匹配滤波,分别使用 s͂ref(t)和 s͂(t)作为匹配副本。为了分析时观察现象明显,分析中取多普勒系数β为-0.5(0.5),此 时 接 收 目 标 回 波 脉 宽 为 T′=T/2(T′=3T/2),副本信号 s͂ref(t)的脉宽相应的变为T′,而副本信号s͂(t)脉宽仍为T

可见,多普勒效应导致接收回波脉宽发生了改变。t时刻发射的单脉冲信号s(t),经时间延迟τ(t)后,阵元n接收到的目标回波信号可以表示为:

除了上述化合物外,随着现代结构鉴定技术的发展,柳属植物中的其他成分,如脂肪酸、糖醇、苯甲酸、酯类等化合物也被分离鉴定出来,其中共有6种新化合物,见表7[7-8,11-12,16-17,19-20,22,26,29,31]。

 

式(7)中为接收目标回波在相邻两阵元之间的传播时延。

2.2 多普勒脉宽变化

由于存在多普勒效应影响,接收机接收到的信号包络脉宽会发生变化,由式知由T变为T′,所以不能直接使用发射信号作为匹配滤波器的副本,需将副本信号包络脉宽修正为T′。

接收信号包络可以表示为:

根据对比研究发现,在城市建设实施的过程中往往不完全按照上位规划提出的指标发展,存在刚性规划与弹性规划两大类型。刚性规划与上位规划结合最紧密,从市政层面把控,实施过程中不可改变,是一种硬性的规定;弹性规划从区域建设风貌和整体实施效果出发,实施过程中可根据实际情况进行小幅度调节,是一种弹性的建议。

 

[1]刘贯领,凌国民,严琪.主动声纳检测技术的回顾和展望[J].声学技术,2007,26(2):335-340.LIU GUANLING,LING GUOMIN,YAN QI.Review and prospect of active sonar detection techniques[J].TechnicalAcoustics,2007,26(2):335-340.(in Chinese)

发射信号s(t)是载波频率为 fc的单脉冲信号,脉宽为T。声呐平台与目标之间的距离为R0。发射脉冲前沿在声呐平台与目标之间的往返时间为t1,则2R0=v0t1+ct1。发射脉冲后沿在声呐平台与目标之间的往返时间为t2,则2R0=2v0T+v0t2+ct2。那么,接收目标回波的脉冲宽度变为

匹配滤波结果如图3所示,可以清楚看到多普勒脉宽变化对滤波结果的影响。

由此我们更加确知了波爱修自由意志论述的深度和广度。但相对于奥古斯丁和康德,论述波爱修自由思想的成果显得比较稀少,本文的努力在这个意义上也许有其价值所在吧。

  

图3 距离门数据匹配滤波结果Fig.3 Result of cell data match filter

2.3 空域导向向量修正

由于声呐系统发射单脉冲,区别于雷达系统的多脉冲,所以声呐STAP与雷达STAP空时导向向量有差异。雷达STAP的空域、时域导向向量为[19]

 

由于水下声速较小,信号从发射到接收的时延较长,多脉冲积累效果不好,因而声呐发射信号多采用单脉冲信号[18]。长连续波(Continuous Wave,CW)适用低速运动目标的检测。由于水中声速c=1500 m/s,与某些高速运动目标速度vp存在可比性,不再满足cvp这个条件,所以多普勒效应对接收回波的影响不可忽略。

生产商品的具体劳动的这种二重性只有在现实交易中才能得以呈现。上面已论述到,一方面要生产出一个有用物来满足他人或社会的某种需要;另一方面这个有用物必须是能够用来交换的,通过市场交换这一环节来满足生产者本人的多种需要。生产商品的具体劳动过程中的有用性决定了商品使用价值的自然属性这一最基本的属性,而在生产商品的具体劳动过程中的社会交换性则决定了商品的使用价值具有特殊的社会属性。因此,正是由于生产商品的具体劳动的二重属性才决定了商品使用价值的二重属性。

 

式(11)中是一个常数。

求解方程可以求得最优加权向量为:

3 仿真及分析

3.1 脉宽变化影响

仿真中,发射频率为15 kHz,脉宽为32 ms的CW波,采样率为2 kHz,信混比SRR为-6dB,平台运动速度为10 m/s,接收阵列为16元等间距线列阵。

采用2.2节的处理方式,对目标回波所在距离门数据进行匹配滤波,匹配副本分别采用 s͂ref(t)和 s͂(t),得到输出结果后,计算2种方法的SRR差,称为SRR改善量。

图4给出了SRR改善量随目标速度v变化情况。由图4可以看出,当目标速度v=10 m/s(目标与声呐平台相对静止)时,信混比改善量为0,当v>10 m/s时,包络脉宽修正方法效果有一定改善,但是并不明显,因而在后续仿真中不再考虑。

  

图4 信混比改善量随目标速度变化情况Fig.4 SRR improvement with change of target speed

3.2 空时导向向量修正项影响

仿真目标运动速度5 m/s,方位30°(对应目标多普勒频率为114Hz),其余参数设置与3.1节相同。用主波束方向最大混响多普勒频率进行归一化,这样目标多普勒频率的归一化值为0.56。采用改善因子来衡量算法性能,改善因子定义为STAP输出信号SRR与输入SRR的比值[19]。图5、6给出了不考虑修正项方法和考虑修正项方法的空时图谱,图7为扫描方位谱,可看到考虑修正项方法的方位角估计值为30°,与真值一致,而传统方法角度估计为30.4°,有0.4°偏差。由图6看到,当归一化多普勒频率 fdn=0.56时(目标多普勒),椭圆形混响脊对应的空间方位角为±55.4°。

  

图5 未考虑修正项时的空时谱Fig.5 Power spectrum without correction item

  

图6 考虑修正项时的空时谱Fig.6 Power spectrum with correction item

  

图7 扫描方位谱Fig.7 Scan azimuth spectrum

图8给出的是 fdn=0.56时,改善因子与空间方位角的关系。从图8可以看出在2个对称方位存在凹陷,该位置是目标多普勒(fdn=0.56)对应的混响方位,与图6中混响脊对应的空间方位角相同。还可以看出,在混响脊附近考虑修正项的方法改善因子更大,混响抑制能力明显提高。

由于进洞40米为坡积体,尽管已完成顶部管棚灌浆处理,取样判断不乐观,因此采用非常规的开挖方法。冲砂隧洞开挖断面面积6.14~10.36m2,属于小断面洞室,主要采用人工作业。运用分层开挖、局部爆破的方式,保证较小的掏槽开挖进尺,配用小型挖掘设备配合,逐步往前推进。开挖钻孔采用YT-28手风钻作业,出碴采用装载机装运,至洞口再集中倒运到指定弃碴场地。

  

图8 空时耦合STAP改善因子Fig.8 Improvement factor of couple STAP

4 结论

本文系统分析了目标多普勒对运动声呐STAP的影响,得到的结论包括:①包络脉宽修正方法对于高速运动目标检测性能有一定改善,但改善效果不明显,因此实际应用中可不予考虑。②修正项实质上是对空域导向向量的一个修正,可以使目标方位估计更精确。③修正项为低速运动目标带来明显的混响抑制效果,有利于目标检测。

参考文献:

式(8)中

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值得说明的是,多普勒效应会对接收回波的包络脉宽和信号频率造成影响,进而会影响匹配滤波输出信噪比,影响STAP权向量造成模型失配。对于水下环境,失配问题尤为突出。

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例如对于程序中的变量值i,假定变量i的取值范围为1到100的整数,那么i的取值范围的抽象表示为[1..100]。当i在程序中进行四则运算时,映射在抽象域上计算过程即为对区间[1..100]上的四则运算。

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7Be土壤侵蚀示踪技术能够提供可信的短时或季节尺度的土壤侵蚀与堆积数据及空间分布信息,对于栽培植物的季节降雨侵蚀特征及其动态过程、土壤侵蚀抑制效应等研究具有一定的适用意义,同时需要在具体应用研究中增加对计算模型的改进和校正。

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在开展信息化管理的过程中,企业就会广泛而深入地运用计算机技术。因此,在管理过程中,企业必须订立一个科学的操作规程以及严格的工作规范,不定期地对企业员工进行培训以及教育,并适当地抛弃那些与实际状况不符的工作方式,深入学习一些先进的操作流程以及生产技术,在真正意义上提升企业员工的整体素质。

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项目出图使用定长编辑功能分割配管,配管分割完成后进行编号,并进行配管加工统计、加工图的输出。实际在安装过程中,需要按编号顺序一一安装,既不可以跳装,也不可以分段装,否则段与段之间连接会出现困难,直接影响系统和管路整体性能。加工图输出的时候,图上管道分段长度的精确度很重要,尺寸若有误差,管道切割好后无法安装,费时、费料、费工。加工管道的切割算法,以图3为例: 图中管线2806mm尺寸为管件至管件长度,不是预算量也不是实际量,无指导意义。3000mm为安装预算量为计算规则,中心到中心,但也不是加工管道尺寸。实际加工尺寸还要考虑设置螺纹线的数据,根据标准规范,设置丝扣深度。如图4 所示。

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李娜,施博,郝程鹏
《海军航空工程学院学报》2018年第01期文献

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