嫦娥三号探测器DOR信号本地相关处理与定轨验证

嫦娥三号(CE-3)探测器在我国首次正式使用了X波段差分单向测距(DOR)信号,未来深空探测器将沿用这一信标体制.本文针对DOR信号特点研究了不同于常规VLBI信号处理的本地相关处理方法,并用于CE-3环月段DOR信号的干涉处理.经过带宽综合、射电源校正,获得了高精度较差差分单向测距(Delta-DOR)时延,并成功将测量结果用于探测器定轨.本地相关获得的DOR信号的相位噪声明显小于现有相关处理机,定轨获得的星历与工程中的精密星历差异约为20m,等效时延残差约0.4ns.相比于常规的VLBI信号相关处理机,本地相关更适合于弱信号的处理,可以用于我国未来月球与深空探测项目.     

广义二次相关时延估计算法改进

在基于TDOA的声源定位算法中时延估计的精确度是关键,时延估计极小的误差也会导致定位结果的偏离,因此为了提高声源定位的精度,必须对时延进行准确的估计.传统的广义互相关时延估计方法是通过添加相应的加权函数来提高语音信号中的有效成分,从而提高时延估计的精度.然而现实中声学环境非常复杂,在较低信噪比的情况下,传统广义互相关时延估计法的性能开始下降,导致时延估计误差变大.针对这一问题提出了一种基于二次相关的广义互相关时延估计改进算法,该方法首先通过滤波器对接收到的音频信号进行滤波,再利用二次相关抑制了噪声对信号的干扰,然后对加权函数进行改进,提高时延估计精度.最后计算机仿真实验表明,无论在低信噪比还是在高信噪比甚至是弱混响的环境下,该方法都获得了较好的时延估计性能.     

深空通信新型射频技术

深空通信射频技术是深空通信关键技术之一,该课题围绕我国未来深空探测任务的需求,重点突破适应深空通信需求的低噪声温度射频前端设计与多天线组阵增强系统相关关键技术,实现深空探测数据回传的高效可靠接收。课题设计完成低噪声温度射频前端,X/Ka频段等效噪声温度达到25 K/50 K以下。突破HEMT晶体管低温建模关键技术,实现低温器件参数的高精度提取。针对超导滤波器的关键工艺技术,以及超导滤波器运用软件精确设计展开研究。提出了支持现有天线以任意形态组阵的全新多天线信号增强处理结构,同时设计研制了多天线信号合成样机及试验验证系统。该结构可充分利用现有的接收天线和接收机,适用于非均匀组阵下各种调制方式、不同调制参数信号的无数据辅助合成,实现了对信号的盲处理。区别于传统的仅利用固定参考信号实现信号间的时延估计方法,提出了一种基于准合成输出信号作为参考时延对准算法,提高参考信号的信噪比,时延估计性能在低信噪比条件下其估计性能改善更为明显。提出并实现了一种不依赖于单路信号信噪比计算的多天线信号合成权值盲估计算法,该算法无需任何信号先验信息和定时同步,解决了信号最大比合并中权值估计的通用性问题。针对通信信号特点,研究了多天线信号多层次联合处理结构,同时实现了符号检测与同步的联合处理,以及各路信号间的联合同步与联合符号检测。在多路极低信噪比条件下,与传统合成结构的相比能够进一步提升处理增益。课题所取得成果对拓展更远距离的深空探测,实现极低信噪比条件下,大容量回传数据的可靠接收具有十分重要的意义。针对我国深空探测发展的需求,该课题通过关键技术突破与创新有效提升深空数据传输能力,为我国未来深空科学技术与工程实施提供有力支撑,推动我国空间科学与应用的原创性发展。     

互相关技术在海底沉积物电阻率测量中的应用

海底沉积物的电阻率测量技术广泛应用于海洋地质调查、海洋环境研究等领域,基于海底钻机的原位探测仪为平台,开发了一套电阻率测试系统,为精确处理电阻率探头输出的微弱电压信号,对互相关算法进行了理论推导和MATLAB仿真,并在实际电路中以互相关算法在DSP(TMS320F28069)的移植为核心设计了相关软硬件,大量的对比试验表明,互相关技术是一种有效的微弱信号处理方法,可提高海底沉积物电阻率测量的精度和抗干扰能力.     

基于互相关算法的CSAMT接收信号处理研究

针对可控源音频大地电磁法（CSAMT: Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric）实际勘探中, 因深部目标体响应信号微弱, 测量环境噪声严重等特殊情况而导致接收信号的清晰度大大降低的问题, 提出一种基于互相关算法的CSAMT接收数据去噪处理的新方法。该方法利用发射信号与接收信号之间相关性强, 与随机噪声相关性弱的特点, 设计发射信号电流波形记录器, 将接收信号和发射信号作互相关处理, 滤掉噪声等干扰信号。实验结果表明, 该方法可压制噪声, 可提高CSAMT测量的准确性。     

基于PHAT-β广义互相关的变压器机器鱼避障时延估计仿真

针对变压器机器鱼避障过程中发射信号和回波信号时延信息难以准确估计的问题,提出一种基于相位变换加权(PHAT-β)广义互相关(GCC)算法的时延估计方法.区别于传统的基本互相关(BCC)算法,PHAT-β GCC算法可以根据信噪比在频城内对互功率谱进行灵活调节,提高了时延估计的抗噪性和准确性.首先对发射信号和回波信号进行快速傅里叶变换和共轭相乘得到互功率谱,然后对互功率谱进行PHAT-β加权、傅里叶逆变换得到广义互相关函数,最后通过峰值检测得到时延估计值.仿真分析和验证了不同类型发射信号(正弦信号、方波信号)、不同信噪比(20、10、0 dB)、不同指数调节因子的时延估计性能,结果表明所提算法相对于传统的BCC算法具有更好的抗噪性和更尖锐的时延估计峰值.     

基于声探测的炸点坐标测量技术研究

采用小孔径立体五元阵探测弹丸爆炸声信号,提出一种基于到达时间差(TDOA)的单基阵精确定向、多基阵融合定位的炸点声定位系统。针对采集的爆炸声信号,对比互相关法及阈值法计算时延差时的定向误差;针对爆炸信号因超出传感器最大量程而被削去顶部的波形失真现象,提出一种基于多项式拟合的时延估算方法,给出算法流程图。采用总体最小二乘(TLS)算法进行多基阵定位,详细介绍了TLS算法的推导过程;并通过仿真分析对比了线阵列和环状阵列下的定位误差。通过进行多次户外定位试验,结果表明,该系统定位性能良好,在200 m×200 m范围内定位精度优于1.5 m,满足工程测量需求。     

基于改进时延估计的声源定位算法

针对强噪声和强混响条件下, 室内声源定位算法收敛速度慢和定位精度低等问题, 提出一种基于改进时延估计的声源定位方法. 该方法建立在单源多元混响模型下, 首先用四元十字型麦克风阵列估计时延; 然后在广义互相关时延估计算法的基础上, 引入二次相关法以削弱噪声干扰, 同时采用LMS(最小均方)自适应滤波算法弥补广义互相关方法的不足, 提高混响环境下的时延估计精度; 最后, 通过远场近似几何方法定位声源. 实验结果表明, 与相位变换加权广义互相关函数(GCC-PHAT)算法相比, 该方法具有较好的抗噪能力与抗混响能力, 能获得更准确的定位结果.     

基于倒谱分析的防混响时延估计算法

为了提高混响条件下时延估计算法的精度,对广义互相关时延估计算法进行分析后,介绍了倒谱分析在去混响处理中的作用,根据接收信号中各种成分在倒谱的分布情况,对基于同态滤波的时延估计方法提出改进方案。通过仿真实验对比传统时延估计算法和新算法的性能,并从误差角度分析时延估计的准确度。从仿真结果可以看出,本文提出的算法在混响比较严重的环境中做时延估计,其均方根误差比广义互相关时延估计算法(GCC)降低了20%左右,比改进前的基于同态滤波广义互相关算法(CEP-GCC-TDE)降低了8%左右,估计精度有了进一步提高,在室内声源定位中具有实用价值。     

基于互相关函数法的海水声速测量方法研究

精准的海水声速测量具有重要意义,高精度的时差估计是使用时差法进行声速测量的关键.针对时差测量精度不高而导致海水声速测量准确性低的问题,本文采用互相关函数法进行时差估计,并利用插值技术提高时差估计精度.该方法利用发射超声波信号与接收超声波信号之间相关性强,超声信号与随机噪声相关性弱的特点,将发射信号和接收信号滤波、去噪后,作互相关处理,计算延时.通过实验可以证明,此方法可提高时差估计精度,进一步可提高时差法测量海水声速的准确性.     

一种降速率包列可用带宽测量算法

描述了单向时延与发送速率的关系,单向时延最大时探测包的发送速率无限接近可用带宽的大小。基于此原理提出了一种降速包列的可用带宽测量算法(DRChirp)。该算法首先使用快速探测技术,找出可用带宽的上界;然后发送指数递减包列,将测得的单向时延最大和次大的探测包的发送速率加权平均得到可用带宽值。NS2下的实验结果表明,该算法在多跳复杂网络上的测量精度优于经典的可用带宽算法。     

基于三阶累积量一维切片的微地震信号时延估计

由于微地震有效信号易受环境噪声的干扰,严重影响时延估计值获取的准确性.基于此,提出了基于三阶累积量一维切片的方法进行微地震信号时延估计.首先计算信号的三阶自累积量和互累积量,为减少运算量满足野外实时要求取其一维切片,最终通过准则函数求取时延值.相对于传统的互相关方法,该方法对相关性未知的高斯噪声具有不敏感的特点,对相关高斯噪声有更强的抑制能力.仿真结果表明,在添加信噪比为-5~15dB的随机高斯噪声和相关高斯噪声时,其时延检测概率和均方根误差优于互相关方法.在实际资料应用中,对实际微地震噪声进行了概率分布统计分析,并且基于井地联合监测方式,选取井中信号作为参考道对地面资料进行时延值的求取.仿真和实际资料处理验证了该方法的有效性和实用性.     

一种非均匀天线组阵下信号时延最优化补偿方法

在深空天线组阵接收中,各接收天线往往间距较远,各路信号到达时间不同,需要完成时延补偿与对准才能有效合成。非均匀天线组阵下,各路信号时延估计精度不同,在对信号进行时延补偿时需要根据信号信噪比采取不同的补偿策略。在分析基于准合成输出信号为参考的时延补偿对准算法的基础上,从加快算法收敛速度的角度,优化补偿系数,提出了一种非均匀天线组阵下信号时延优化补偿方法。仿真实验表明该算法在不降低合成性能的前提下,收敛速度与基于准合成输出信号为参考的时延对准算法相比有较大提高。     

基于互相关序列和BP网络的声源定位算法

在基于麦克风阵列的声源定位算法中,一种常用算法的基本思路是通过麦克风接收到信号的相关序列来计算信号之间的时延,进而再根据阵列的结构确定声源的位置。在分析传统的声源定位算法基础上,针对双五元十字阵模型,介绍传统的基于广义互相关相位变换加权(generalized cross correlation-phase transform, GCC-PHAT)时延估计的定位算法,并给出基于GCC-PHAT时延估计和反向传播(back propagation, BP)神经网络的定位算法、基于抛物线互相关时延估计和BP网络的定位算法,进而通过分析影响时延估计的主要因素,提出了基于互相关序列和BP网络的新定位算法,该算法将GCC-PHAT互相关序列最大值点的位置、最大值点及其左右各一点的相关值作为BP网络的输入,通过对BP网络进行训练来实现声源的三维定位。仿真实验表明：与传统的基于GCC-PHAT时延估计的定位算法相比,所提出的各个算法均具有较好的定位效果,后者均比前者的定位精度更高,而且提出的基于互相关序列和BP网络的新定位算法在低信噪比和高混响的条件下,也具有较好的定位效果。     

基于VMD的广义二次互相关时延估计方法

针对广义互相关(GCC:Generalized Cross-Correlation)时延估计方法在低信噪比的情况下会产生较大误差的问题,提出一种基于变分模态分解(VMD:Variational Mode Decomposition)结合广义二次互相关(GSCC:Generalized Second Cross-Correlation)进行时延估计的方法.该方法首先对两路信号分别进行变分模态分解,分离有效模态和噪声模态,使用豪斯多夫距离(HD:Hausdorff Distance)优选模态并重构信号,然后运用广义二次互相关对处理后的信号进行时延估计.理论分析和仿真实验结果表明,与广义二次互相关方法、小波去噪结合广义二次互相关(WT-GSCC:Wavelet-GSCC)方法比较,该方法能有效提升估计精度,具有良好的抗噪性能.     

一种基于Watterson模型的短波信号时延估计算法

基于TDOA的短波信源定位技术相比于传统的基于AOA的短波定位技术具有设备简单、成本较低且架构方便的优点。然而,对短波信号直接进行传统的TDOA估计并不能得到信号的时延信息。以Watterson短波信道模型构造短波信号,在研究对比基本相关与模值相关算法的基础上,提出了基于广义相关熵模值的时延估计算法。仿真实验表明,即使在较低信噪比下,该方法仍然保持着较高的时延估计性能,是一种适用于短波信号的新型时延估计算法。     

基于自适应滤波法的静电传感器转速测量

为解决使用静电传感器进行信号自(互)相关转速测量中,因信号干扰大导致相关法时延计算易出错的问题,采用自适应滤波算法对相邻传感器的时延信息进行提取,从而达到测速的目的。实验结果表明,该方法能有效得出测速结果,并对叠加了强噪声的静电信号也有良好的表现。对异步电机转轴进行测试,转速测量的线性度达到1.29%,具备一定的应用价值。     

伪码连续波跟踪测量雷达捕获算法设计

针对伪码连续波跟踪测量雷达,提出了一种信号捕获参数设计方法. 该方法利用快速傅里叶变换(FFT)捕获算法将接收信号和本地再生信号的时域相关运算转换成频域的频谱相乘运算,从而大大减少捕获时间,并引入非相参积累以提高对弱信号的检测能力,通过Tong判决算法保证系统总的虚警概率满足要求. 在给定的技术指标下对非相参积累次数和Tong判决算法进行了参数设计. 仿真结果表明,所提出的信号捕获参数设计方法可以满足低信噪比下预定的检测概率和虚警概率要求.     

频率步进信号距离像互相关精确测速算法

针对距离像互相关算法可以实现频率步进信号自测速但测速精度有限这一问题,通过对互相关输出包络和相位的分析,提出了距离像互相关波形分析法和距离像互相关峰值相位法2种测速算法,结合这2种方法提出了一种频率步进信号距离像互相关精确测速算法,该算法的测速精度可以与多普勒测速相比拟,不仅能满足频率步进信号速度补偿的要求,还可以实现微动目标的测量.仿真结果验证了该算法的有效性.     

基于互双谱时延估计的供水管道检漏系统研究

针对供水管道泄漏点的检测与定位问题,提出了一种基于互双谱时延估计的快速、高精度与高可靠性的定位方法.该方法首先对信号的三阶统计量进行傅里叶变换,得到其互双谱;然后通过求互双谱极值来估计时延.采用单片机、程控滤波器与无线通信等技术搭建了实际测试系统,并进行了现场测试.结果表明:该系统在强噪声环境下能够较准确检测管道泄漏情况并定位漏点.当噪声干扰较小时,该系统对漏点定位具有较高精度.