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刘朝晖 等 著

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• 水声信号处理
• 信号处理
• 水下声学
• 海洋工程
• 通信
• 雷达
• 声呐
• 模式识别
• 自适应滤波
• 数字信号处理

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118070019

版次：1

商品编码：10556908

包装：精装

开本：16开

出版时间：2010-04-01

用纸：胶版纸

页数：260

字数：301000

正文语种：中文

内容简介

《水下声信号处理技术》主要介绍了宽带信号及处理的内涵、时间－尺度域特征；发射信号的设计，目标回波信号的检测和参量估计；小波变换域估计器－相关器，散射函数的估计对于物理参数的测量误差的敏感性；利用卡尔曼滤波估计复杂运动目标的多亮点位置和速度，分析小波变换域估计器－相关器对于散射函数误差的灵敏性。另外，介绍了全维和降维空时自适应处理（STAP）的原理，讨论了STAP抗混响的基本结构和流程，叙述了在三种不同应用场合下的降维STAP抗混响方法，并分析了各自的处理性能。
《水下声信号处理技术》反映了鱼雷声自导信号处理的发展前沿和国内目前现有的研究状况，面向鱼雷自导、水下声信号处理技术研究和该领域从事宽带系统实现设计的广大科研和工程设计人员，也可作为相关专业研究生和高年级本科生的参考资料。

目录

第1章 绪论
1.1 水下声信号处理研究的意义
1.2 国内外相关研究的历史与现状
1.3 主要内容与安排
参考文献

第2章 宽带处理与宽带信号分析
2.1 宽带信号与宽带处理
2.1.1 宽带的信号与宽带处理的内涵
2.1.2 目标回波的宽带模型
2.1.3 宽带信号处理与小波变换
2.2 宽带信号分析
2.2.1 宽带调频信号
2.2.2 时间频率分集信号
2.2.3 回声定位动物发声信号
2.2.4 信号分析小结
参考文献

第3章 点目标的宽带检测与参数估计
3.1 宽带主动信号波形设计
3.1.1 主动信号检测波形设计
3.1.2 宽带主动信号参量估计波形设计
3.2 点目标检测
3.2.1 宽带小波检测器
3.2.2 尺度宽容小波检测器
3.2.3 基于小波-Radon变换的宽带HFM信号检测
3.2.4 目标检测算法分析
3.3 点目标参数估计
3.3.1 基于小波变换的宽带信号时延和尺度估计与克拉美罗限
3.3.2 宽带正反HFM信号的时延和尺度估计
3.3.3 目标估计算法分析
3.4 检测与估计算法的实现
3.4.1 宽带信号小波变换的快速计算
3.4.2 基于：DSP的实时软件开发
3.4.3 软件验证
参考文献

第4章 小波变换域估计器－相关器
4.1 海森伯格群和仿射群
4.1.1 群论的背景知识
4.1.2 海森伯格群
4.1.3 仿射群
4.1.4 窄带和宽带模糊度函数
4.1.5 Frobenius-Shur-Godement（FSG）定理
4.2 宽带估计器一相关器
4.2.1 估计器一相关器
4.2.2 宽带估计器一相关器的推导
4.3 体目标的散射函数
参考文献

第5章 散射函数估计对物理参数误差的敏感性
5.1 引言
5.2 环境散射函数误差
5.2.1 环境散射成分
5.2.2 误差的理论推导
5.2.3 敏感性仿真分析
5.3 目标散射函数误差
.5.3.1 目标散射成分
5.3.2 散射体个数误差
5.3.3 散射体位置误差
5.4 总散射函数误差
5.4.1 散射函数的总误差
5.4.2 总散射误差仿真分析
5.4.3 关于波形设计的讨论
参考文献

第6章 宽带散射函数估计与更新的卡尔曼算法
6.1 引言
6.2 宽带散射函数的卡尔曼滤波
6.2.1 滤波算法的推导
6.2.2 推导结果的分析
6.2.3 扩展卡尔曼滤波器的推导
6.3 宽带散射函数估计与更新的实现
6.3.1 旋转体的跟踪
6.3.2 直线运动的跟踪
参考文献

第7章 小波变换域估计器－相关器对散射函数误差的敏感性
7.1 WTD-EC的实现
7.1.1 协方差矩阵的特征值计算
7.1.2 似然比函数的推导
7.1.3 接收机工作特性的计算
7.1.4 WTD-EC的计算
7.2 小波变换域EC的敏感性
7.2.1 敏感性的推导
7.2.2 输入信噪比的估计
7.2.3 散射体误差的敏感性
参考文献

第8章 空时自适应处理抗混响原理
8.1 STAP原理介绍
8.1.1 全维处理方法
8.1.2 降维处理方法
8.1.3 性能表征
8.1.4 降维STAP算法
8.2 STAP抗混响基本结构
8.2.1 基于时域信号叠加的混响模型
8.2.2 混响空时数据结构
8.2.3 STAP抗混响的流程
参考文献

第9章 降维STAP抗混响方法
9.1 基于数据空时平滑的处理方法
9.1.1 数据的空时平滑处理
9.1.2 子组输出相干叠加的STAP
9.2 三维STAP处理方法
9.2.1 混响的三维特性分析
9.2.2 三维STMB方法
9.2.3 性能分析
9.3 梳状谱信号的STAP处理方法
9.3.1 梳状谱信号混响的空时特点
9.3.2 梳状谱信号的降维STAP
9.3.3 性能分析
参考文献

精彩书摘

相对于其他载体而言，声波是目前唯一能够进行水下远程探测、通信的手段。现代鱼雷是海军打击敌方舰艇的主要武器，特别是潜艇的克星。水下声信号处理的任务是在存在干扰背景的情况下，对水下声场时空抽样并进行空间和时间变换，以提高检测所需信号的能力。
（1）检测目标，即搜索、发现和确认目标存在；
（2）测量目标，对目标参量，如方位、径向距离和速度进行估计；
（3）识别目标，即提取目标特征，识别目标真伪，进而采取反对抗措施。
在传统的声纳中，由于窄带信号分析方法较为简单，处理方便，常采用窄带信号，利用窄带系统进行处理。窄带系统已广泛应用于水下武器制导、水声对抗、水下通信、海底地貌测绘、声海洋学等领域，为国防事业和国民经济建设作出了巨大的贡献，已成为这些领域不可缺少的有力工具。
在国防建设中，研制新一代的声纳、自导鱼雷等先进装备，进行电子对抗、实现精确制导是一个非常重要而迫切需要解决的问题，这势必要求提高微弱信号检测、目标参量精确估计、目标识别与反对抗等能力，实现精确导引的要求。窄带系统由于参数估计精度低、目标识别能力差、水声对抗和反对抗水平低等弱点，无法很好地解决上述问题。同时，窄带系统难于应付如下严峻挑战：
（1）复杂的水声作战环境造成目标信号严重的起伏和衰落；
（2）对目标特征的控制大幅度减小了目标回波特征；
（3）目标对鱼雷的防御和对抗，如采用各类诱饵、反鱼雷鱼雷、反鱼雷深弹等对鱼雷进行诱骗和拦截，降低了鱼雷攻击的有效性；
（4）目标对自身的防护（如采用装甲和隔舱），降低了鱼雷的毁伤效果。
宽带系统通常采用宽带信号，可以激发更多的目标特征，使得目标回波携带有更多的目标信息量，而且宽带混响背景相关性减弱，有利于目标检测、目标参量精确估计和目标特征提取，便于鱼雷反对抗。以下从几个方面说明宽带信号处理研究的必要性。

前言/序言

　　传统的水下声信号处理技术是建立在窄带匹配滤波理论基础上的。由于窄带信号形式简单、处理方便、计算量小，其已广泛应用于水声信号处理的各个领域，如鱼雷制导、水声对抗、水下通信等。但是，由于窄带系统存在参数估计精度低、目标识别能力差、目标回波携带信息量小等弱点，因此在对水声信号进行处理和特征提取时存在一定的局限性。早在20世纪60年代宽带技术就应用于军事领域，宽带信号具有目标回波携带信息量大、混响背景相关性弱等特点。宽带的水下声信号处理系统与传统的窄带系统相比，具有探测精度高，抗干扰能力强，可提高目标检测概率等诸多优势。因此，有利于目标信号的检测、参数的精确估计以及目标特征提取。目前，宽带信号处理已经受到水声界的广泛关注。
　　宽带处理从方法上大体可分为两大类：一类是傅里叶综合法，即将宽带信号以一定步长分为若干窄带信号，进而利用传统的窄带方法进行处理，再将结果综合，但这样的处理并不总是有效的，且存在着较大系统偏差；另一类是对宽带信号进行二维处理，如宽带模糊度函数方法，以及近年来迅速发展的现代信号处理方法，如小波变换、时频分析等，其中小波变换是为克服傅里叶分析不能做局部分析的缺点而提出来的，由于其分析时间一频率局部化的卓越效果而备受关注，成为信号处理、信息获取与处理等许多领域首选的数学分析工具，特别适于对非平稳信号、宽频带信号的处理。群论从20世纪晚期开始作为基础性工具得到广泛应用，与小波变换理论紧密联系，成为宽带信号处理的有力数学工具。
　　对主动声探测系统而言，为对抗混响干扰，除了采用先进的发射波形设计之外，还可进行信号处理算法研究。在空时自适应处理领域，二维联合处理能够获得比通常空时级联处理更好的性能，但是之前的空时自适应处理方法多是针对于雷达信号，本书在其水下声信号抗混响方面的应用进行了研究和论述。
　　本书主要介绍了水下声信号的宽带处理方法和空时自适应处理抗混响原理与方法。

《海洋声学与水下通信》 内容简介： 本书致力于探索海洋声学领域的核心理论与前沿应用，深入剖析水下环境中声波的传播特性、声源探测与识别技术，并着重阐述水下通信系统的设计、优化与挑战。本书旨在为海洋科学、水声工程、通信工程及相关领域的科研人员、工程师及高等院校学生提供一本系统、全面且具有实践指导意义的参考资料。 第一章 声波在水中的传播特性 本章将详细介绍声波在水体中传播的物理基础。我们将从声学基本原理出发，阐述声波的产生、传播与衰减机制。重点将放在影响水下声传播的关键因素，包括： 介质的声学参数： 水的密度、压缩系数、温度、盐度和压力如何影响声速。我们将分析这些参数在不同海洋深度和区域的变化规律，并通过实例展示其对声传播路径和传播距离的影响。 声传播模型： 介绍常用的水下声传播模型，如简正波理论、射线理论（包括抛物线方程法）等。我们将深入探讨这些模型的适用范围、优缺点，以及如何利用这些模型预测声场的分布和强度。 多途传播与干涉： 分析声波在海洋中由于反射（海面、海底）、折射（声速梯度）和绕射等现象产生的复杂多途传播。我们将解释多途效应如何导致信号失真、衰落，并引入相干累加和相消干涉的概念。 声传播损耗： 详细讨论声波在传播过程中损失能量的机制，包括几何扩散损耗、吸收损耗（粘滞性、化学弛豫等）以及散射损耗。我们将介绍计算不同传播距离下的声传播损耗的经验公式和数值方法。 海洋环境的非均匀性： 探讨海洋中存在的各种非均匀结构，如海浪、海流、海洋生物、海底地形变化等，以及它们对声波传播产生的散射、衍射和调制效应。 第二章 水下声源探测与信号识别 本章将聚焦于水下声信号的探测与分析，旨在揭示隐藏在嘈杂海洋环境中的目标信息。我们将涵盖以下关键内容： 水下声学传感器： 详细介绍各种类型的水下声学传感器，包括水听器（压电陶瓷、光纤等）的工作原理、性能指标（灵敏度、频率响应、指向性等）。我们将讨论阵列式水听器的原理及其在声源定位、波束形成等方面的应用。 信号处理基础： 回顾傅里叶变换、短时傅里叶变换（STFT）、小波变换等时频分析方法在处理非平稳水下声信号中的作用。介绍谱估计技术（如周期图法、Welch法、多窗法）用于分析声信号的频谱特性。 噪声源与噪声抑制： 分析水下环境中主要的噪声源，包括自然噪声（海浪、降雨、生物噪声）、人为噪声（船舶、声纳、水下工程）以及传感器自身的噪声。探讨各种降噪技术，如线性滤波、自适应滤波、维纳滤波等，以及其在提高信噪比方面的应用。 声源目标检测： 介绍经典的声源检测算法，如能量检测、匹配滤波、恒虚警率（CFAR）检测等。分析这些算法在不同信噪比和噪声背景下的性能。 声信号特征提取： 讨论用于区分不同声源的特征参数，包括频谱特征（如中心频率、带宽、谱斜率）、时域特征（如包络、零交叉率）以及非线性特征。 声信号识别技术： 介绍基于模式识别和机器学习的声信号分类与识别方法。我们将探讨支持向量机（SVM）、神经网络（NN）、隐马尔可夫模型（HMM）等在识别水下目标（如舰船、潜艇、海洋生物）方面的应用，并介绍训练和评估模型的关键技术。 声源定位技术： 阐述如何利用水听器阵列或多部水听器实现水下声源的方位和距离估计。介绍基于时差（TDOA）、角度（AOA）和信号强度（SL）等信息的定位算法。 第三章 水下通信系统设计与优化 本章将深入探讨水下通信系统的关键技术，以及如何克服海洋环境的限制，实现可靠高效的水下信息传输。 水下通信的挑战： 详细分析水下通信面临的严峻挑战，包括声波传播的高衰减、低带宽、多途效应、时延大、方向性差以及海洋环境的动态变化。 声学通信原理： 介绍基于声波的水下通信系统的基本原理。包括调制技术（如FSK、PSK、QAM）、解调技术以及信道编码技术（如卷积码、LDPC码）在水下声学通信中的应用。 通信系统架构： 探讨不同类型的水下声学通信系统的架构，如点对点通信、组网通信（如水下传感器网络）以及中继通信。 信道估计与均衡： 分析由于多途效应引起的信道失真，并介绍信道估计的方法（如盲信道估计、导频辅助信道估计）以及均衡技术（如线性均衡、非线性均衡、自适应均衡）在恢复信号完整性方面的作用。 自适应调制与编码（AMC）： 探讨如何根据实时信道条件动态调整调制和编码方案，以在保证一定数据率的同时提高通信的鲁棒性。 多普勒效应及其补偿： 分析声源和接收器相对运动引起的多普勒效应，并介绍相应的补偿技术（如多普勒滤波、自适应多普勒估计）。 网络协议与路由： 讨论水下声学通信网络中的分层协议栈设计，特别是MAC层和网络层的协议，以及如何实现有效的路由策略以适应动态的网络拓扑。 水声通信的性能评估： 介绍评估水下声学通信系统性能的关键指标，如误码率（BER）、吞吐量、通信时延、通信距离等，并分析影响这些指标的因素。 新兴的水下通信技术： 简要介绍一些正在发展中的新型水下通信技术，例如基于可见光通信（VLC）、射频（RF）以及声光混合通信的探索，以及它们在特定场景下的潜在优势。 第四章 水下信息网络与应用 本章将进一步拓展水下声学通信的应用场景，重点关注水下信息网络的构建和实际应用。 水下传感器网络（UWSN）： 介绍UWSN的体系结构、节点设计（传感器、处理器、通信模块、能源模块）以及部署策略。讨论UWSN在环境监测、资源勘探、军事侦察等领域的应用。 水下数据采集与传输： 探讨如何通过UWSN高效地采集、处理和传输海洋环境数据，包括水温、盐度、深度、溶解氧、污染物浓度等。 水下定位与导航： 结合水声通信技术，介绍水下自主导航系统（如AUV、ROV）的定位原理（如声学信标、声纳测距）以及如何利用通信网络实现协同导航。 水下目标监测与跟踪： 讨论如何利用声学传感器网络和通信系统实现对水下目标的持续监测、识别和跟踪，以用于反潜作战、海洋生物学研究等。 水下通信的可靠性与安全性： 探讨提高水下通信的可靠性（如冗余传输、错误检测与纠正）和安全性（如加密、身份认证）的策略。 水下通信的能耗优化： 分析水下通信节点（特别是水下机器人和传感器节点）的能耗问题，并介绍低功耗设计、节能通信协议和能源管理技术。 未来发展趋势： 展望水下通信技术未来的发展方向，包括更高的带宽、更远的通信距离、更强的鲁棒性、更智能的网络管理以及与其他海洋技术的融合。 本书力求通过理论讲解、模型分析和实际案例相结合的方式，帮助读者深入理解水下声波的奥秘，掌握水下声学探测与识别的关键技术，并为设计和优化高性能的水下通信系统提供理论指导和技术支撑。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书所涉及的“水下声信号”这个主题本身就充满了好奇。我们平时生活中的声音，大部分都是在空气中传播，而水下声波的传播特性与空气中截然不同，它的衰减、折射、散射等现象更加复杂。因此，在水下处理声信号，必然需要一套与陆地上不同的技术体系。这本书的出现，恰好填补了我在这方面的知识空白。书中关于“水下声信号的建模与仿真”部分，听起来就极具挑战性，这需要深厚的物理学和数学功底。如何精确地模拟水下声场的传播，考虑海底地形、水体密度变化、以及海洋生物活动对声波的影响，这些都是非常关键的问题。我期望书中能够提供一些行之有效的仿真工具和方法，让我能够更好地理解和预测水下声信号的特性。同时，书中在“水下声阵列信号处理”方面的阐述，也引起了我的极大兴趣，这对于提高探测精度和定位能力至关重要。

评分☆☆☆☆☆

这本书的目录和前言我只是匆匆扫了一眼，不过仅凭这些，我便能感受到它在内容上的深度与广度。书中对于水下声信号的捕捉、传输、以及随后进行的各种信号处理方法，似乎都有着详尽的论述。我尤其关注到了其中关于目标识别与分类的部分，这在军事、海洋勘探、乃至水下通信等领域都至关重要。想象一下，如何从嘈杂的水下环境中，分辨出特定的声源，比如一艘潜艇的发动机噪音，或者一头鲸鱼的歌声，这本身就需要一套精妙绝伦的算法和处理流程。书中对这些过程的解析，很可能包含了大量的数学模型、信号分析工具，甚至可能涉及到机器学习和人工智能在其中的应用。对于我这样对声学原理和信号处理有着浓厚兴趣的读者来说，书中在原理层面上的严谨讲解，以及在实际应用场景中的案例分析，都充满了吸引力。我期待能从中学习到更多关于声传播特性、噪声抑制技术、以及如何提取有用信息的方法。这不仅仅是一本技术书籍，更像是一扇通往神秘水下世界声音奥秘的窗口。

评分☆☆☆☆☆

对于我而言，这本书就像是打开了一扇通往未知水下世界的声音之门。书中对“水下声通信”的探讨，让我看到了人类在水下交流的无限可能。想象一下，在没有光线、遥不可及的深海中，如何通过声波来传递信息，这本身就是一项了不起的成就。书中很可能详细介绍了水下通信的物理限制，例如带宽、时延、多径效应等，以及如何设计有效的调制解调方案来克服这些挑战。我对书中关于“水下声信号的压缩与编码”的部分尤为期待，这对于提高通信效率、降低功耗至关重要。此外，书中在“水下声学传感器网络”方面的介绍，也让我看到了未来水下信息采集与传输的蓝图。这不仅仅是一本关于技术理论的书籍，更可能是一本关于探索与创新的指南，它将激发我去思考更多关于人类如何更好地利用水下声音世界的可能性。

评分☆☆☆☆☆

读罢本书的章节标题，我脑海中浮现出的画面是：在一望无际的深邃海洋中，无数看不见的声波在传递着信息，而这本书，则像是那个能够解读这些声音密码的“翻译官”。它深入浅出地介绍了声纳系统的工作原理，以及与之配套的信号处理技术。从基本的傅里叶变换到更高级的时频分析，再到针对水下特定噪声环境的滤波算法，似乎都包含在内。特别吸引我的是关于“水下声学目标探测与跟踪”这一章节。在实际应用中，例如搜救失踪船只，或者监测海洋生物的活动，精确地定位和跟踪声源是关键。这本书很可能提供了详细的算法实现思路，以及在实际复杂水下环境中可能遇到的挑战和解决方案。我设想，书中会详细解释如何利用多普勒效应、到达时间差（TDOA）等技术来估算目标的位置和速度。对于我这样希望了解水下探测技术前沿的读者而言，这本书无疑是一本宝贵的参考资料，它可能会为我打开新的研究思路，或者为我现有的工作提供更坚实的技术支撑。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题“水下声信号处理技术”本身就透露着一种专业性和实用性。我猜想，它不仅仅是停留在理论层面，更会包含大量工程实践中的应用案例。例如，在海洋油气勘探中，如何利用声波探测海底的地质构造，如何区分真实的回声和干扰信号，这些都离不开先进的信号处理技术。书中关于“水下声源定位与识别”的章节，很可能详细介绍了各种定位算法的优劣，以及在实际应用中的注意事项。我尤其关注书中是否会涉及一些关于“噪声抑制与信号增强”的技术，因为在真实的水下环境中，背景噪声是一个巨大的挑战，如何从噪声中提取出微弱的目标信号，是实现有效探测的关键。对于我这样在工程领域工作的读者来说，这本书的实际指导意义可能会非常大，它能够帮助我解决在实际项目中遇到的技术难题，提升工作效率和项目成功率。