有理小波理论在多途信号解析与水声网络设计中的应用研究

Multipath effect or multipath resolving is a difficult subject in the field of broadband underwater acoustic system design, and there has not been an ultimate solution for this issue. Novel wavelet theory which utilizes the intrinsic relation between Doppler effect and multipath signal scaling is expected to provide a neat solution. The key is to decompose the signal into the subspaces with high resolution, separate the multipath signals using rational orthogonal wavelet (ROW) filterbank (FB), and combine the signals from different subspaces with a fusion algorithm. The single-node ROW-FB based receiver could be expanded to an underwater acoustic network. The multi-dimentional multipath signals are expected to be optimized in the context of the whole network. Theoretical derivation, computer simulation, underwater acoustic experiments carried out in a water tank and on-site experiments are the approaches adopted to ensure effective multipath resolving and fusion performance. The project also explores novel statistical inference and parameter estimation theories, and utilizes distributed signal detection technology, statistical analysis and thresholding algorithms to achieve accurate localization, identification and tracking of multiple targets in real-time. With the development of underwater acoustic network technology, distributed signal processing combined with precise resolving of multipath provides multi-dimensional information of the acoustic sources. Ultimately it facilities multi-target surveillance in a region. The theory and design behind the project may be applied to broader multi-disciplinary areas, i.e., those involve Doppler effect and time scale analysis that requires high resolution.

多途效应与多途信号的解析是困扰宽带水声系统设计的难题，目前还没有非常好的解决方案。新型小波理论利用多普勒效应与多途信号时间尺度的内在关系，计算出精准的时延和缩放因子，就可以将信号精细分离在不同子空间，解析出多途信号，将有望解决这一难题。基于有理小波滤波器组的接收机节点，可以方便地拓展为传感器阵列和水声组网，单节点解析出的多途信号将可以在整个网络的范围内进行融合与优化，有望提升整个水声网络的性能。本项目采用复数有理小波理论和快速小波滤波器组的设计方法，结合理论论证、计算机仿真和水声实验，期望实现多途信号的有效解析。项目还将结合新型统计推理和检测阈值算法，验证基于有理小波的简单水声网络的目标检测和定位功能。随着水声网络技术的发展，分布式信号与准确解析的多途信号相结合，提供声源的多维信息，能最终实现区域内多个目标的准确定位与监控。项目的理论与设计在声纳应用和跨学科应用的前景将十分广泛。

多途效应与多途信号的解析是困扰宽带水声系统设计的难题，目前还没有非常好的解决方案。本课题探索新型小波理论，利用多普勒效应与多途信号时间尺度的内在关系，将高精度小波和滤波器组算法应用于主动与被动式声纳的系统设计，取得了良好的检测效果。针对主动式声纳系统，课题论证了采用高分辨率有理正交小波理论进行波形和接收机设计对提高多普勒鲁棒性和噪声抑制所具有的特殊优势，提出了一种新型宽带声纳脉冲信号CROW-S的设计框架，并采用正交小波滤波器组进行了相应的检测器设计。设计的宽带脉冲族是基于复数有理正交小波多种基函数的组合，此宽带CROW-S信号具有最小的PAPR特性、正交性、良好的时频特性和很高的设计的的灵活性。在不同的移动场景中，具有良好的噪声抑制、多普勒鲁棒性和检测性能。项目首先利用几何水声信道模型对抗多普勒、噪声和多径干扰性能进行了仿真分析，对基于小波的主动式声纳系统与传统线性调频脉冲LFM声纳系统的性能进行了系统的比较。 通过接收机工作特性曲线(ROC Curve)，证实了设计的系统能够对抗严重的多径、高环境噪声和严重的多普勒频散（Dopper dispersion)。该设计框架为低信噪比和移动目标/平台条件下的水声应用提供了可能的解决方案。项目还通过水池实验，进一步论证了CROW-S主动声纳脉冲和检测系统的性能优势。针对被动式声纳系统，课题论证了基于有理小波滤波器组（FB）的检测器设计在被动式声纳检测中，特别是复杂浅海环境、低信噪比探测场景下的特殊优势。研究了在雷达和声纳系统中，基于FB的被动式检测的阈值算法设计理论。推导了不同阈值策略下检测性能的计算公式。在基于FB的检测框架下，推导出了系统设计的实施原则。为了验证该理论的有效性，进行了系统设计和仿真，用基于射线追踪的几何海洋信道模型，论证了有理小波FB探测器的性能。仿真结果证明了理论和设计原理的正确性。项目还提出了多类基于小波的宽带探测器的设计方案，并与窄带探测器进行了性能的比较，论证了宽带检测器的优势。课题采用不同的小波尺度因子进行被动式探测器的设计，论证了提出的阈值策略和基于高分辨率小波的被动声纳系统设计与低分辨率小波相比，在多径信号解析与融合的特殊优势，在被动式声纳仿真中取得了良好的检测性能。