基于WRELAX时延估计算法的沥青面层分层厚度检测

沥青面层不同材料层的探地雷达(GPR)反射信号相互叠加,会降低沥青面层厚度检测的精度.为此,文中利用WRELAX时延估计算法分析沥青路面的1 GHz空耦GPR反射信号,以提高沥青路面分层厚度检测精度,并通过仿真实验和现场检测进行了效果验证.研究结果表明:WRELAX时延估计算法通过强信号搜索并在迭代计算中逐步去除强信号,使微弱的重叠信号得以显现,从而可以提取出信号时延和幅度的参数信息;1 GHz雷达信号应用WRELAX时延估计算法处理后可以有效检测沥青面层分层厚度,而且估计误差波动相对较小,算法稳健性较好,总体效果优于2 GHz雷达信号;WRELAX时延估计算法的沥青面层分层厚度估计最大相对误差小于5%,满足沥青路面分层厚度检测和评价要求.     

采用时延估计的外辐射源雷达杂波抑制算法

针对外辐射源雷达目标探测中监测通道存在分数倍时延杂波而造成杂波抑制性能下降的问题,提出了采用加权子空间拟合时延估计的外辐射源雷达杂波抑制算法(WSF-TDE-CM)。在假设接收数据中的目标信号远远弱于杂波信号的前提下,该算法首先利用接收数据的自相关矩阵通过加权子空间拟合的方法建立杂波时延估计模型,将分数时延估计问题转化为复正弦频率估计的优化问题,然后利用量子粒子群算法求解杂波时延,最后通过估计的杂波时延构造杂波矩阵,将接收信号投影到杂波空间的正交补子空间中,从而实现杂波的抑制。WSF-TDE-CM算法不需要设置滤波器阶数,在杂波时延为分数时延的情况下仍能保持良好的杂波抑制性能。仿真实验表明,当监测通道存在分数倍时延杂波时,WSF-TDE-CM算法与扩展相消算法相比,其杂波抑制比提高了约20dB;同时,在目标回波信噪比为-30dB时也能很好地检测到弱目标回波。     

探地脉冲雷达回波信号波达方向估计方法的研究

估计探地脉冲雷达目标回波方向是探地雷达信号处理的一个重要内容，针对脉冲探地雷达回波信号的超宽带特点，提出了将探地雷达阵列信号经过高频带通滤波器分解成几个窄带信号后，再利用窄带子空间方法进行波达方向估计。通过对实验数据的处理发现，低频信号的分辨率较低，误差较大。在实际处理过程中，并不需要对所有频带信号进行处理，只需要用几个较高频率的窄带信号，就可以准确估计出超宽带脉冲探地雷达信号的回波方向。     

基于改进马尔可夫随机场探地雷达有效信号提取方法

针对探地雷达图像背景含有大量噪声导致有效信号提取识别困难等问题,提出了一种基于改进马尔可夫随机场结合大津算法的探地雷达去噪的方法。该方法先使用大津算法,将探地雷达图像数据二值化,划分出前景和后景图像,后对图像使用改进马尔可夫随机场结合迭代条件模式算法(iterated conditional mode, ICM)进行降噪处理,得到只含有效信号的二值图。将二值图像与带噪图像结合比对,使用中值滤波法降噪,最后得到优化后的探地雷达图像。根据实验结果,该方法在探地雷达数据降噪和有效信号提取方面均具有较好的效果。同其他传统方法和原始马尔可夫随机场降噪方法相比,该方法在探地雷达各类评价方法中表现最优,具体表现为信号单道波波形对比中拟合度最高,峰值信噪比达52.528 1 dB,结构相似度为0.998 1。使用结合二值图像的滤波图像,可以使图像波形更清晰。因此,该方法在使用探地雷达进行探测、探伤工程项目中有一定实用价值。     

压缩感知在多载波EBPSK雷达中的应用

将压缩感知(CS)技术应用于多载波相位编码脉冲雷达中,分析了该雷达的目标时延和多普勒频率估计以及不同频点散射系数估计的性能.对比了在不同目标数条件下采用BCoSaMP重构算法时EBPSK与BPSK的目标时延和多普勒频率估计性能,并估计了雷达的目标散射系数.仿真结果表明:基于CS的密集多载波雷达的目标检测性能优于正交多载波雷达,而且在正交与密集多载波条件下,EBPSK调制的目标检测性能优于BPSK调制;目标散射系数估计精度与信噪比呈对数关系,在低信噪比时EBPSK调制的目标散射系数估计性能优于BPSK调制.理论分析与仿真结果表明了CS技术在降低信号的采样频率方面的有效性和可行性.     

基于Wigner-Ville分布的移动机器人语音定位中时延估计方法

在移动机器人语音交互中,时延估计算法的精度是影响语音定位精度的关键因素。针对在强噪声情况下,基于时延估计原理进行语音定位的精度较低的问题,提出基于维格纳 威利分布(Wigner-Ville distribution, WVD)的一次与二次相关时延估计算法。在强随机噪声环境条件下,信号间的相关计算会加大侧峰的峰值,极大程度地干扰对主峰峰值的搜索,无法准确估计时延,进而影响语音定位效果。为了减小侧峰的影响,进一步对相关峰值加窗处理。但加窗虽减小了侧峰的干扰,却导致主峰宽度变大且变化趋势平坦,也会影响时延估计精度,因此,需选择希尔伯特变换对峰值锐化处理。仿真实验研究了各算法的估计情况与时延估计的均方根误差,实验结果表明,所提出算法相比其他几种算法对时延估计性能更高。此外,实际场景实验验证了该算法的抗噪声性能。     

一种基于稀疏重构的NB-IoT时延估计算法

针对传统的时延估计算法无法解决窄带物联网(narrowband internet of things, NB-IoT)低速率低功耗引起的估计精度低、计算复杂度高等问题,提出一种加入代价函数模型的基于稀疏重构的时延估计算法。利用窄带定位参考信号(narrowband positioning reference signal, NPRS)与传统的正交匹配追踪算法(orthogonal matching pursuit,OMP)进行时延值预估计,然后根据预估计的时延值构建冗余字典,在此基础上利用改进的OMP算法进一步对时延值进行估计。该算法中加入代价函数的思想将多维的时延估计降维成多个一维的时延估计,同时利用稀疏重构来消除各信号之间的干扰。另外,为了消除降维带来的局部最优的问题,合理设置软门限来有效并快速地终止代价函数模型的迭代过程。仿真结果表明,与OMP算法等传统时延估计算法相比,该算法具有更好的检测性能以及更高的时延估计精度。     

探地雷达信号的反褶积研究

根据探地雷达信号基本子波的特点,设计了一种适宜于探地雷达信号的反褶积算法。该方法将基本子波转化为一个位于子波绝对最大值处的尖脉冲,反褶积后,子波被压缩在绝对值最大处,而不是在子波的开始。它可以有效地去除基本子波的拖尾,压缩基本子波的长度,提高信号的纵向分辨率和信噪比。通过对探地雷达实验数据和高速公路检测数据的计算,表明了该算法是一种非常有效的方法。     

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YOLO算法的探地雷达道路图像异常自动检测

探地雷达(ground-penetrating radar, GPR)是一种可用于道路内部异常目标识别的无损检测方法。GPR工作时往往产生海量的扫描数据,而数据解释是技术要求高、任务繁重的工作,通常需要人工完成。此外,道路内部的复杂性和异常目标的多样性增加了图像异常检测的难度。近年来,人工智能(artificial intelligence, AI)技术的快速发展为基于AI的探地雷达B-scan图像自动解释提供了可行的技术思路,常用的深度学习算法有RCNN(region-convolutional neural network)和YOLO(you only look once)。虽然YOLOv3在目标检测方面已经有了一定的成效,但YOLOv4的改进算法可以进一步提高检测能力。结合YOLOv3算法,对比研究分析YOLOv4目标检测算法的改进对于目标检测任务的影响,以及YOLOv4算法对探地雷达图像异常目标检测效率的提升能力。结果表明,YOLOv4的改进算法更适用于探地雷达异常目标的自动检测,经过训练后的YOLOv4网络模型满足探地雷达道路内部异常目标智能化检测需求,具有较强的实用价值。     

一种新的单次快拍二维ESPRIT算法

针对复杂电磁干扰背景下相干信源的二维波达方向快速估计问题,从减小协方差矩阵计算量角度,提出了一种新的单次快拍二维ESPRIT算法(SS-ESPRIT). 该算法仅用一次快拍数据构造4个等效的协方差矩阵,进一步构造扩展的等效协方差矩阵,通过对其一次特征分解,即可实现完全解相干和二维波达方向估计. 为进一步提升该算法估计性能,提出了同相位数据叠加的对策. 数值仿真验证了SS-ESPRIT算法在提升实时性的同时,不会造成估计性能的下降,仅利用一次快拍数据的该算法估计性能优于快拍数为50次的空域平滑波达方向矩阵算法(DOAM),且接近快拍数为100次的DOAM算法,叠加8次同相数据后的该算法性能明显优于200次快拍的DOAM算法. 结果表明新算法适用于小数据样本估计或对实时性要求高的应用背景.      

基于酉ESPRIT的跳频信号DOA估计

为了利用跳频信号的空域信息辅助同步跳频信号的网台分选,提出了一种基于STFD酉ESPRIT的跳频信号DOA估计算法。首先用WVDSPWVD组合时频分析方法对接收数据进行时频变换,然后提取出跳频信号的有效跳(hop),并对其建立空时频矩阵(STFD),最后利用酉ESPRIT算法进行跳频信号DOA估计。该方法通过酉变换将ESPRIT算法的协方差矩阵从复数域转化到实数域,降低了计算量,而且酉ESPRIT算法利用了数据的共轭信息使数据长度等价增加了一倍,提高了估计精度。仿真结果表明文中算法在信噪比大于2dB时,DOA估计性能优于ESPRIT算法。     

基于声压振速联合处理的矢量阵旋转不变子空间方位估计方法

为提高声矢量阵旋转不变子空间法方位估计性能,提出一种基于声压振速联合处理的算法.该算法构造了声矢量阵声压和组合振速的互协方差矩阵,将均匀间隔引导角下的系列互协方差矩阵取均值,作为引导角未知的互协方差矩阵,然后进行旋转不变子空间(ESPRIT)方位估计.仿真和试验结果表明,在低信噪比时该算法比现有常规算法有更好的性能.该算法基于矢量传感器声压和振速的相干性原理,充分利用声压振速组合指向性抗干扰能力,可以更好地抑制各向同性干扰,提高阵列的处理增益,从而有更好的方位估计性能.     

任意分布冲击噪声背景下基于ESPRIT的DOA估计方法

针对冲击噪声背景下的传统波达方向(DOA)估计算法性能下降的问题,该文提出一种适用于任意分布冲击噪声的无穷范数归一化旋转不变子空间(Inf-ESPRIT)算法.该方法首先对阵列接收的快拍数据进行无穷范数归一化处理,然后对伪协方差矩阵进行特征分析,利用ESPRIT算法实现DOA的估计.与传统的基于分数低阶矩的方法相比,该算法具有以下优势:适用于多种不同分布的冲击噪声环境,无需已知冲击噪声特征指数的先验信息或估计值,可以获得更好的估计性能.计算机仿真实验证明了所提算法的有效性.     

双基地MIMO雷达多目标定位及互耦参数估计

针对MIMO雷达收发阵元间存在互耦会严重影响目标定位算法性能的情况,提出一种双基地MIMO雷达多目标定位及互耦参数估计的算法.利用均匀线阵互耦矩阵的特点和MIMO雷达的特性获得满足ESPRIT算法的信号子空间,在不需要任何互耦矩阵信息情况下采用ESPRIT算法实现了目标角度估计,且估计出的角度参数自动配对.根据所估计的目标方位角度,利用信号子空间和联合导向矩阵之间的关系,将MIMO雷达的互耦参数估计转化为线性约束二次最小化问题,估计出互耦系数矩阵,实现了MIMO雷达的自校正.该方法的优点是避免了多维空间谱搜索带来的庞大计算量和迭代中的全局收敛性问题,同时得到了收、发阵列互耦参数估计的闭式解.仿真结果表明算法估计性能接近于互耦已知时二维MUSIC算法.     

基于互相关矩阵的二维传播算子实值算法

为提高传播算子算法在低信噪比下的波达方向（direction of arrival,DOA）估计性能,降低计算复杂度,提出了一种基于互相关矩阵的二维传播算子DOA估计实值算法（UC-PM）.该算法通过构造新的互相关矩阵代替阵列接收数据矩阵,抑制了噪声分量的影响,并且保持了传播算子算法计算量小的优点,利用线性运算代替特征分解求得旋转不变关系矩阵.同时,为进一步降低算法计算量,利用酉变换思想构建新的实数域旋转不变关系,将特征分解和最小二乘问题实数化.仿真结果和计算复杂度分析表明,新算法在低信噪比下的估计性能优于传统二维传播算子算法,接近于二维ESPRIT算法,且其计算复杂度远小于二维ESPRIT算法,实时性好,具有良好的实用价值.      

基于ESPRIT的ULA波达方向估计改进算法

针对MUSIC(Multiple Signal Classification)算法和ESPRIT(Estimated Signal Parameters via Rotational -Invariance- Technique)算法不能有效估计相干信源波达方向的问题, 在修正MUSIC算法（Modified MUSIC）基础上, 通过引用变换矩阵, 在考虑阵列接收数据及其相应变换矩阵的自相关和互相关信息后, 结合总体最小二乘算法TLS-ESPRITS（Total Least-Squares ESPRIT）提出了能同时适应相干和非相干信号情况的波达方向估计的改进ESPRIT算法（IM-ESPRIT: Improved ESPRIT), 并在相干信号源来波角度间隔较小和低信噪比条件下, 同常规CC-ESPRIT(Cross ESPRIT)算法进行比较。结果表明, 当相干信源角度间隔为3°且信噪比为0时, 实现波达方向估计具有较好的估计精度和分辨率。     

ESPRIT算法广义逆矩阵求解的快速FPGA实现

在基于旋转不变子空间的信号参数估计（estimating signal parameter via rotational invariance techniques,ESPRIT）算法中涉及到求解信号子空间矩阵的逆矩阵,针对常用方法计算复杂度高,实时性差等问题,提出使用广义逆公式对信号子空间矩阵进行求解的方法.在FPGA平台上设计并实现了由复数矩阵乘法、矩阵LU分解、下三角矩阵求逆等子模块构成的广义逆矩阵求解系统.利用该系统求解广义逆矩阵所用的时间约为2.18 ms,与在MATLAB上对同样矩阵进行广义逆求解的平均用时15.7 ms减少了7.2倍.使用该系统的结果在MATLAB上完成后续仿真,对ESPRIT算法最终所得角度进行误差分析,最终所得角度的平均估计误差约为0.04°.结果表明,该系统能在保证结果精确度的同时有效减少运算时间.     

移动终端定位参数联合估计方法的研究

利用天线阵列对同一信源信号经过多径传输到达终端的时间时延、角度和强度进行了联合估计。首先利用训练序列估计信道特性 ,之后利用 2 D- ESPRIT算法及矩阵对角化等处理手段对多径信号的时延和角度进行了有效的估计。仿真结果证明了方法的有效性。角度和时延的联合估计在未来移动通信网络中移动终端的定位等方面均具有很好的应用前景。