水声信号被动检测与参数估计理论PDF电子书下载

目录 1

绪论 1

第一部分　被动声呐检测理论 7

第一章　单路输入的最佳接收系统理论 7

1.1　单路输入的最佳接收系统 7

1.1.1　判决规则 7

1.1.2　检测概率、虚警概率和最佳准则 11

1.1.3　奈曼-皮尔逊准则下的最佳接收系统——似然比接收系统 14

1.2　在高斯噪声中检测高斯信号的最佳接收系统 17

1.2.1　在高斯条件下最佳接收系统的结构 17

1.2.2　最佳系统物理意义的讨论 21

1.3　接收系统的工作特性（ROC曲线） 25

1.3.1 引言 25

1.3.2　末级为积分器的接收系统输出检验统计量z（t）的概率分布 27

1.3.3　接收系统的工作特性（ROC曲线） 31

1.3.4　关于输出信噪比定义的注记 38

第二章　若干实用被动声呐接收系统的输出信噪比计算 40

2.1 引言 40

2.2　积分器的输出信噪比 46

2.2.1　积分器输出信噪比的计算 46

2.2.2　积分器等效积分时间T的意义 49

2.2.3　积分器输入噪声过程等效谱宽Wy的意义 51

2.2.4　公式（2.10）的意义 52

2.3　非线性电路的输出信噪比和输出噪声 53

等效谱宽Wy 53

2.3.1　线性阵后的平方检波器 54

2.3.2　线性阵后的线性检波器 56

2.3.3　线性阵后的模拟相乘器 58

2.3.4　线性阵后的极性相乘器 59

2.3.5　线性阵后的混合相乘器 62

2.3.6　限幅阵后的平方检波器 64

2.3.7　限幅阵后的线性检波器 65

2.4　基阵加预选滤波器的输出信噪比 66

2.4.1 线性阵加预选滤波器的输出信噪比 66

2.4.2　限幅阵的输出信噪比 68

2.5　最佳预选滤波器H（w）作用的讨论 69

2.6　抽样工作方式和限幅抽样损失 73

2.6.1　抽样工作方式及其分析方法 73

2.6.2 抽样工作系统的输出信噪比表达式 75

2.6.3　限幅抽样损失及实例 78

2.7　小结与比较 83

第三章　基阵增益及最佳化 87

3.1　空间处理器的结构和基阵增益 88

3.2　单频平面波信号场与单频噪声场的归一化 91

协方差阵 91

3.2.1 水听器阵输出单频平面波信号的归一化协方差阵P 91

3.2.2　水听器阵输出单频噪声的归一化协方差阵Q 92

3.3　在基阵增益最大准则下的最佳空间处理器 94

3.4　在任意噪声场情况下，最佳空间处理器作用 99

机理的讨论 99

3.4.1　最佳空间处理器的作用机理 99

3.4.2　最佳空间处理器作用机理的另一种解释 108

3.4.3　注记 110

3.5　常规阵的基阵增益及最佳化 112

3.6　基阵指向性图及其与基阵增益的关系 117

3.6.1　基阵指向性图的各种定义 117

3.6.2　基阵增益和指向性图的关系 122

3.7　在各向同性噪声场中，最佳阵与标准阵的单频阵增益计算与性能比较 128

第四章　多元阵最佳接收系统（时空统一处理） 138

4.1 引言 138

4.2　在高斯噪声中检测高斯信号的多元阵似然比接收系统（平面波信号场情况） 141

4.2.1　多元阵似然比接收系统——形式1：滤波平方系统 145

4.2.2　形式2：估计相关系统 148

4.2.3　对信号进行预匹配处理的多元阵似然比接收系统 151

4.3　在高斯噪声中检测高斯信号的多元阵似然比接收系统（一般信号场情况） 157

4.3.1　形式1：滤波平方系统 157

4.3.2　形式2：估计相关系统 161

4.4　波形估计 163

4.4.1　信号波形的最小均方误差（MMSE）估计 163

4.4.2　信号波形的无失真最小噪声估计 170

4.4.3　多元阵似然比检测与波形估计的关系 173

4.4.4　非随机未知信号波形的最大似然（ML）估计 176

4.5　在高斯噪声中检测非随机未知信号的多元阵广义似然比接收系统 180

4.6　小结 187

第五章 多元阵最佳系统与常规系统的性能计算及常规 191

系统的最佳化 191

5.1 引言 191

5.2　多元阵最佳系统和常规系统的性能计算公式 194

5.2.1 多元阵最佳系统的输出信噪比d？ 194

5.2.2　多元阵常规系统的输出信噪比d？ 200

5.2.3　计算多元阵接收系统输出信噪比所必需掌握的已知条件 203

5.3　在各向同性噪声场中，最佳检测系统与标准检测系统的性能计算与比较（M元线阵） 208

5.3.1　最佳检测系统的输出信噪比d？ 209

5.3.2　标准检测系统的输出信噪比d？ 210

5.3.3　最佳检测系统与标准检测系统的性能比较 212

5.4　常规阵被动声呐预选滤波器的最佳化 214

5.4.1　推导和例子 214

5.4.2 常规阵被动声呐最佳预选滤波器的工程实现 219

5.5　存在平面波干扰时，最佳检测系统与标准检测 221

系统的性能计算与比较（M元线阵） 221

5.5.1　最佳检测系统输出信噪比d？的计算 223

5.5.2 标准检测系统输出信噪比d？的计算 228

5.5.3　最佳检测系统与标准检测系统的性能比较 230

5.6　存在平面波干扰时，最佳检测系统的结构及用常规阵近似实现最佳阵 234

第六章　被动声呐自适应波束形成器 245

6.1　概述 245

6.2　LMS自适应波束形成器的一般结构 255

6.3　LMS自适应线性相加器的性能分析 264

6.3.1　采用最速下降算法的自适应线性相加器的性能分析 266

6.3.2　LMS自适应线性相加器的性能分析 272

6.3.3　LMS自适应线性相加器的实例 285

6.4　在被动声呐应用中，期待响应的获得方式—— 289

约束LMS自适应滤波器 289

6.4.1　期待响应d（t）取为零的约束LMS多通路自 290

适应滤波器 290

6.4.2　期待响应d（t）取为输入过程的约束或无约束LMS多通路自适应滤波器（自适应噪声抵消器） 295

6.4.3　小结——分类表 302

6.5　LMS自适应波束形成器的次最佳实现 302

6.5.1　次最佳自适应波束形成器性能计算实例 303

6.5.2　K＝1的无约束LMS自适应噪声抵消器的性能分析 305

6.6　维纳滤波器的物理实现性问题 316

6.7　注记 321

第七章　参数估计理论 325

7.1　被动声呐参数估计模型 325

第二部分　被动声呐参数估计理论 325

7.2　参数估计的性能指标 330

7.3　参数的无偏估计的CR下限和CR矩阵下限 333

7.3.1　单一参数的无偏估计的CR下限 334

7.3.2 多个参数联合无偏估计的CR矩阵下限 335

7.3.3　关于估计方差下限的小结和讨论 339

7.4　通过对参数函数的估计构成对参数本身的估计 343

7.4.1　问题的提出 343

7.4.2　单一参数A的函数ι（A）的估计 345

7.4.3　多个参数A的一组函数ι（A）的估计 348

7.5　估计的获得——最大似然估计 355

7.6　小结 365

8.1　二元阵最大似然测向系统 368

8.1.1　二元阵最大似然测向系统的各种等效结构 368

第八章　被动声呐测向系统 368

8.1.2　二元阵最大似然测向系统的性能 375

8.2　M元线阵最大似然测向系统 382

8.2.1　M元线阵最大似然测向系统的各种等效结构 382

8.2.2　M元线阵最大似然测向系统的性能 389

8.2.　3等效二元阵和布阵问题 392

8.3　M元线阵最大似然测向系统的次最佳实现 395

8.3.1　M元线阵分裂波束微分相关系统 395

8.3.2　M元线阵比幅单脉冲测向系统 407

8.3.3　M元线阵比相单脉冲测向系统 411

8.3.4　其他方面的次最佳实现 414

8.4　测向系统的一种常用显示方式的分析 415

8.5　测向模糊问题 419

9.1.1　结构 430

测距系统 430

9.1 已知目标方位条件下的M元线阵最大似然 430

第九章　被动声呐联合测向测距系统 430

9.1.2　性能 432

9.1.3　等效三元均匀线阵和布阵问题 433

9.2　M元线阵方位与距离联合有效估计系统 438

9.2.1　结构 438

9.2.2 性能 441

9.2.3　等效结构、定位不确定椭圆和最佳布阵问题 445

9.3　可独立调节时延的M元线阵方位与距离联合有效 450

估计系统 450

9.3.1　Gauss-Markov估计 451

9.3.2　？＝H？的联合有效性质 454

9.3.3　可独立调节时延的M元线阵方位与距离联合 461

有效估计系统的结构 461

次最佳实现 462

9.4　可独立调节时延的M元线阵定位系统的 462

9.4.1　三子阵次最佳定位系统的结构 466

9.4.2　三子阵次最佳定位系统的测向与测距精度 471

9.4.3　三子阵次最佳定位系统（方法2）与三子阵纯几何定位系统（方法3）的比较 475

9.5　任意M元平面阵定位系统 477

9.5.1　几何参数向量A的Fisher信息阵 479

9.5.2　距离方差CR下限的计算 481

9.5.3　方位方差CR下限的计算 485

9.5.4　联合测向与测距系统的性能计算 488

第十章　功率谱估计及其在线谱检测与跟踪中的应用 491

10.1　概述 491

10.2　谱估计的傅里叶方法 497

10.2.1　模拟工作方式的滤波器组法 499

10.2.2　修正周期图的统计性质 505

10.2.3　分段周期图平均法 512

10.2.4　平滑周期图法 516

10.2.5　傅里叶谱估计法在被动声呐中的应用简评 522

10.3　谱估计的时间序列参数模型方法 528

10.3.1　时间序列的参数模型与谱估计问题 528

10.3.2　AR（自回归）谱估计的获得 536

10.3.3 自适应线谱增强器（ALE）的稳态性能分析 543

10.3.4 自适应线谱增强器（ALE）的瞬态性能分析 554

10.4　线谱检测 560

10.4.1　在高斯噪声中检测线谱的多元阵广义似然比系统 560

10.4.2　周期图谱估计器的线谱检测性能 567

10.4.3　分段周期图平均谱估计器的线谱检测性能 571

10.4.4　ALE权向量周期图谱估计器的线谱检测性能 573

10.4.5　ALE输出周期图平均谱估计器的线谱检测性能 577

10.4.6　四种谱估计器的线谱检测性能比较 582

10.5　线谱跟踪 584

10.5.1　线谱频率的测量精度 585

10.5.2　线谱分辨力 589

10.5.3　ZOOM FFT 595

10.5.4　ALE对白噪声中线性调频信号的跟踪能力 601

附录A　信号分析、随机过程与矩阵的有关预备知识 616

A.1 限时限带函数的傅里叶展开与周期函数的帕塞瓦公式 616

A.2　随机过程及其傅里叶级数展开 619

A.2.1　随机过程的数字特征及其性质 619

A.2.2　单个零均值实值随机过程的傅里叶级数展开及傅里叶系数的相关性 621

A.2.3 多个零均值实值随机过程的傅里叶系数 624

之间的相关性 624

A.3.1　定义与符号 626

A.3　矩阵（主要是赫米特阵）的若干性质 626

A.3.2　赫米特阵的性质 628

A.3.3　矩阵的数学期望 638

A.3.4　一个有用的矩阵求逆公式 639

附录B 高斯过程的若干性质 641

B.1　定义和性质 641

B.2　单个零均值实值高斯过程的傅里叶系数的复高斯密度函数 643

B.3　多个零均值实值高斯过程的傅里叶系数的复高斯密度函数 645

B.4　高斯过程通过非线性电路 651

B.4.1　普莱斯定理 652

B.4.2　高斯过程通过理想限幅器 655

B.4.3　高斯过程通过全波线性检波器 657

B.4.4　高斯过程通过平方检波器 659

B.4.5　高斯过程通过模拟相乘器 659

B.4.6　高斯过程通过混合相乘器 660

B.4.7　高斯过程通过极性相乘器 662

附录C　被动声呐信号与背景噪声的时空统计特性 665

C.1　深海自然噪声场的远场模型 666

C.2　噪声场时空相关函数计算方法总述 667

C.3　典型噪声场双边谱单频时空相关系数的计算 673

C.3.1　各向同性噪声场 675

C.3.2 均匀分布海面噪声场 675

C.3.3　科克斯模型 678

C.4　典型噪声场时空相关系数的计算 680

C.4.1　单边谱单频 680

C.4.2 限带白谱 682

C.4.3 限带1/｜w｜v谱 684

C.5　平面波信号场时空相关系数的计算 685

附录D 时间序列的傅里叶变换（FT）和离散傅里叶 689

变换（DFT） 689