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目录 1

第一章 绪论 1

第二章 信道、目标和背景环境 8

2.1 概述 8

2.2 水声信道的传输特性 10

2.2.1 稳定单途信道——自由空间的传播 10

2.2.2 稳定多途信道——海底、海面反射以及声速梯度引起折射产生的影响 10

2.2.3 随机时变信道——随机起伏海面、粗糙海底、不均匀介质产生的影响 12

2.2.4 随机时空变信道——广义散射函数 14

2.2.5 广义平稳非相关散射条件的应用限制 16

2.2.6 广义相干函数的直接估计方法 20

2.2.7 海洋信道特性的一些实际测量结果 24

2.3 目标特性 29

2.3.1 舰艇辐射噪声特性 29

2.3.2 舰艇目标的反射特性 35

2.4 环境干扰场特性 42

2.4.1 环境干扰噪声场 43

2.4.2 混响干扰场 53

第三章 经典被动声呐的信号检测 59

3.1.1 辐射噪声（目标）和干扰噪声在某些参数性能上的差异 60

3.1 一般结构——波束形成器（空间处理器）加时间处理器 60

3.1.2 被动声呐系统的一般框图及说明 61

3.1.3 积分器输出信噪比一般表达式的推导 63

3.2 单波束和-差定向能量接收机 70

3.3 分裂阵互相关处理，正交相关方位偏差指示器 80

3.4 数字多波束信号处理设备 95

第四章 主动声呐信号处理 104

4.1 概述 104

4.2 噪声背景中检测确知信号 106

4.2.1 白噪声背景中检测确知信号 107

4.2.2 极性相关器 111

4.2.3 非白高斯噪声背景中检测确知信号 113

4.3 在噪声背景中检测参数未知信号 116

4.3.1 频率已知初相未知信号的检测 116

4.3.2 频率与初相未知信号的检测 118

4.4 声呐信号波形分析理论 121

4.4.1 窄带模糊度函数 121

4.4.2 几种常用信号的模糊度函数 126

4.4.3 波形参数和测不准关系 133

4.4.4 分辨元尺寸的选择 137

4.4.5 高速运动目标的匹配 139

4.4.6 多卜勒不变信号 142

4.4.7 调频信号参数估计误差的消除方法 144

4.5 混响背景中检测确知信号 146

4.5.1 混响散射函数 146

4.5.2 普通匹配滤波器在混响背景中的工作性能 147

4.5.3 抗混响干扰最佳接收机 152

4.6 信号波形选择与信道匹配 154

4.6.1 匹配滤波器工作在随机时变信道中的性能 154

4.6.2 信道弥散对不同波形信号检测性能的影响 157

4.6.3 在信号时频弥散严重的环境中的信号波形选择 160

4.6.4 环境匹配处理 162

5.1 概述 168

第五章 声场的最佳时空处理和超指向性阵处理技术 168

5.2 声场的时空采样及其矢量、矩阵表示法 169

5.2.1 单频声场的等间隔空间采样 169

5.2.2 宽带信号场、有限观察时间和等间隔空间采样 170

5.2.3 声场时空采样的矢量表示 171

5.3 声场的贝叶斯时空处理 173

5.3.1 在相关高斯噪声场中检测已知信号 173

5.3.2 在相关高斯噪声场中检测方位已知、波形未知的高斯信号 175

5.3.3 在相关高斯干扰场中检测方位已如的非随机未知信号 178

5.4.1 最小均方误差（LMS）估计器 179

5.4 最佳波形估计器 179

5.4.2 无失真最小噪声估计器 182

5.4.3 无失真最小输出强度估计 183

5.4.4 非随机未知波形的最大似然估计器（ML） 184

5.4.5 最大输出信噪比准则 185

5.4.6 最佳波形估计器与最佳时空处理器的关系 186

5.5 声场最佳处理的时空因子分解 188

5.5.1 信号谱矢量S的分解 188

5.5.2 信号场互功率谱矩阵B的分解 189

5.5.3 干扰场互功率谱矩阵Q的分解 189

5.5.4 在相关高斯噪声场中检测高斯平面波信号的最佳时空分解处理 190

5.5.5 准则不变基阵信号处理器 192

5.6 最佳时空处理器与普通标准基阵处理器的性能对比 193

5.6.1 背景为均匀各向同性干扰场 193

5.6.2 背景为均匀各向同性白噪声加平面波干扰噪声场 196

5.6.3 水声学中常遇到的相关噪声场 198

5.7 畸变信道中的最佳时空处理 199

5.8 由水听器阵的时空处理计算声源位置及环境参数 204

5.9 超指向性基阵信号处理 207

5.9.1 最大熵法（自回归法） 209

5.9.2 最大熵法与最大似然法的关系 212

5.9.3 特征矢量分解法 215

5.9.4 ARMA模型 218

第六章 自适应波束形成器 223

6.1 概述 223

6.2 LMS自适应横向滤波器 225

6.2.1 逼近搜索法和LMS自适应线性相加器的 226

工作原理 226

6.2.2 LMS自适应线性相加器的性能 229

6.3 LMS横向滤波器自适应波束形成器 231

6.3.1 无约束算法 232

6.3.2 有约束算法 233

6.4 LMS自适应横向滤波器干扰抵消器 237

6.4.1 一般相关干扰场——辅助阵旁瓣抵消器 237

6.4.2 有限个点源干扰场——波束域单通道自适应干扰抵消器 241

6.5 级联预处理器 247

6.5.1 诺伦网络预处理器 248

6.5.2 格拉坶-施密特正交化预处理器 252

6.6 采样协方差阵的直接求逆（DMI）算法 253

6.7 自适应横向滤波器的递推算法 258

6.7.1 加权的最小二乘误差算法 258

6.7.2 卡尔曼滤波法自适应阵处理 260

6.8 格形滤波器自适应波束形成 263

6.8.1 自适应格形预测滤波器 264

6.8.2 格形自适应干扰抵消器 274

6.8.3 格形自适应波束形成器的约束型算法 280

6.8.4 由反射系数计算协方差逆矩阵来直接实现自适应波束形成器 283

6.9 小结 285

第七章 信号参数估计 287

7.1 概述 287

7.2 经典估计理论 289

7.2.1 贝叶斯估计理论 289

7.2.2 最大似然估计 291

7.2.3 估计量的性质和克拉莫-罗界限 292

7.2.4 伪贝叶斯估计 299

7.2.5 线性最小方差估计 302

7.2.6 最小二乘估计 304

7.2.7 通过对待测参数的函数进行估计来完成对参数的估计 306

7.3 时延估计 309

7.3.1 目标方位角测量——声呐测向系统 309

7.3.2 被动声呐的距离估计 331

7.3.3 主动声呐距离估计——到达时间估计 337

7.3.4 被动声呐中的时延估计 338

7.4.2 经典功率谱估计（即基于傅里叶谱分析的谱估计方法） 348

7.4 功率谱估计 348

7.4.1 概述 348

7.4.3 参量信号模型谱估计 355

7.4.4 皮萨年科谐波分解法 374

7.4.5 普朗尼谱估计法 378

7.4.6 最大似然谱估计 383

7.4.7 各种谱分析方法的性能比较 386

7.5 运动目标的参数估计——卡尔曼滤波法 386

7.5.1 卡尔曼滤波原理 387

7.5.2 推广的卡尔曼滤波法用于被动声呐浮标跟踪水下目标 391

7.5.3 主动声呐的卡尔曼滤波跟踪系统 401

7.6 在随机时空变信道中的目标参数估计 406

第八章 自动检测原理 413

8.1 概述 413

8.2 在平稳、概率分布已知的背景中的自动检测 416

8.2.1 似然比检测器 417

8.2.2 简化检测器 421

8.2.3 M进检测器的实现和减数据率技术 423

8.3 在非平稳（概率分布形式已知或可检验）背景中的自动检测——恒虚警处理 428

8.3.1 理想的恒虚警处理器 429

8.3.2 局部非平稳影响的克服方法 431

8.3.3 恒虚警率处理和最佳化 434

8.4 非平稳、概率分布未知也不能检验时的自动检测——非参量检测器 436

8.4.1 信号秩值处理器 436

8.4.2 量化秩值检测器 438

8.4.3 秩和滑动窗检测器 439

第九章 声呐目标识别 441

9.1 概述 441

9.2 图象识别技术简介 442

9.2.1 特征提取 443

9.2.2 分类 445

9.3 被动声呐的目标识别 456

9.3.1 特征选择及先验知识假设 457

9.3.2 声呐检测模拟 459

9.4 主动声呐的目标识别 465

9.4.1 窄带主动声呐的目标识别 466

9.4.2 宽带主动声呐的目标识别 476

第十章 声呐信号处理技术概述 490

10.1 声呐信号处理设备的主要任务 490

10.1.1 历史的回顾 490

10.1.2 现代声呐信号处理的主要任务 491

10.1.3 声呐信号处理设备的主要运算公式 492

10.2.1 模拟信号处理技术 495

10.2 声呐信号处理工艺技术 495

10.2.2 数字信号处理技术 500

10.2.3 模拟-数字混合处理技术 506

第十一章 实时信号处理方法 508

11.1 实时信号处理的概念 508

11.1.1 多路并行法 509

11.1.2 时间压缩法 509

11.1.3 FFT算法 510

11.1.4 横向滤波器法 510

11.2 时间压缩技术 511

11.1.5 求解线性方程组的快速算法 511

11.2.1 时间压缩器的工作原理 512

11.2.2 时间压缩器输出的谱结构 517

11.3 快速傅里叶变换 521

11.3.1 快速傅里叶变换的原理 521

11.3.2 FFT的硬件实现 529

11.3.3 FFT的动态范围和各部件字长选择 538

11.3.4 以FFT为基础完成的各种信号处理 541

11.3.5 数论变换 546

11.3.6 快速沃尔什变换 548

11.4.1 模拟横向滤波器的工作原理 553

11.4 横向滤波器实时信号处理技术 553

11.4.2 用横向滤波器综合任意网络的传输函数 554

11.4.3 用横向滤波器构成实时相关器 556

11.4.4 线性调频z变换（Chirp-z） 558

11.4.5 程控横向滤波器 567

11.5 求解线性方程组的快速算法 569

11.5.1 托普利兹型矩阵的递推法求逆矩阵 570

11.5.2 列文松递推法 573

11.5.3 格形滤波器 575

11.5.4 “分而治之”法求逆矩阵 576

11.5.5 非托普利兹矩阵情况 577

第十二章 波束形成器 580

12.1 概述 580

12.2 时域波束形成器 583

12.2.1 并行多通道运算结构 583

12.2.2 时间压缩式波束形成器 585

12.2.3 横向滤波器圆阵波束形成器 590

12.2.4 加法延迟线圆阵波束形成器 593

12.2.5 程控横向滤波器波束形成器 595

12.2.6 电子稳定平台的工作原理 595

12.2.7 数字内插波束形成器 597

12.2.8 量化精度对波束形成器的影响 604

12.3 频域波束形成器 605

12.3.1 均匀线阵二维FFT波束形成器 606

12.3.2 圆阵的频域波束形成 610

12.3.3 用数字FFT处理器来实现频域波束形成 611

12.3.4 Chirp-z变换波束形成器 614

12.4 自适应波束形成器 619

12.4.1 时域LMS算法自适应波束形成 619

12.4.2 频域自适应波束形成器 629

处理 635

12.4.3 直接计算最优权系数Hopt实现最佳时空 635

12.4.4 自适应波束形成器设备实例 645

第十三章 被动声呐信号处理设备 665

13.1 概述 665

13.2 宽带处理器 666

13.2.1 多波束全向搜索——多通道能量积累器 666

13.2.2 目标方位精测 671

13.3 窄带信号处理设备 673

13.3.1 ZOOM FFT 674

13.3.2 自适应线谱增强器 683

13.4.1 被动测距的几何原理及误差分析 693

13.4 被动测距声呐 693

13.4.2 跟踪相关器 698

13.4.3 跟踪法测距 701

13.4.4 二次相关法测距 702

13.4.5 频率分集后置积累法测距 703

13.4.6 相位谱法测距 704

13.5 被动声呐浮标信号处理设备 705

13.5.1 低频频率分析记录法（LOFAR） 705

13.5.2 自动线谱积累器（ALI） 709

13.5.3 宽带噪声包络调制分析（DEMON） 709

13.5.4 相关显示和分析记录（CODAR） 710

13.5.5 双曲线定位法（HYFIX） 711

13.5.6 指向性频率分析记录（DIFAR） 711

13.5.7 被动声呐浮标信号处理系统 711

第十四章 主动声呐信号处理设备 717

14.1 概述 717

14.2 复杂信号的匹配滤波器 717

14.2.1 时间压缩式交流极性相关器 718

14.2.2 时域数字式匹配滤波器 720

14.2.3 用横向滤波器构成的匹配滤波器 723

14.2.4 基于FFT的频域多通道匹配滤波器 726

14.3 单频长脉冲动目标检测器——单频长脉冲匹配滤波器 729

14.3.1 时间压缩式扫频滤波器 730

14.3.2 多通道FFT分析器 733

14.4 对阶梯调频信号的混合处理设备 734

第十五章 前置预处理动态范围压缩和归一化 740

15.1 概述 740

15.2 前置预处理 741

15.2.1 抗混淆滤波器 741

15.2.2 工作频带选择滤波 749

15.2.3 动态范围压缩和自动增益控制 751

15.3 后置动态范围压缩和归一化处理 755

16.1.1 历史的回顾 758

16.1 概述 758

第十六章 声呐显示控制器 758

16.1.2 声呐显示控制器的功能要求 759

16.2 声呐显示器的显示格式 761

16.2.1 被动声呐显示器 761

16.2.2 主动声呐显示器 763

16.3 声呐显示器的工作原理和结构 766

16.3.1 专用数字硬件构成的显示器 766

16.3.2 TV光栅扫描显示器 767

16.4 通用标准显示控制器 771

16.5 人-机对话和控制操作系统 773

16.5.1 工作方式选择和参数设置 774

16.5.2 坐标选择方法 777

16.5.3 话控输入和合成语言输出 778

16.6 故障诊断 781

16.6.1 故障诊断方法 781

16.6.2 修复及应急措施 782

第十七章 数字计算机在声呐中的应用 784

17.1 概述 784

17.2 声呐信号处理设备的输入数据率和吞吐量要求 785

17.2.1 输入数据率 785

17.2.2 系统的吞吐速率 786

17.3 计算机用于声呐后置数据处理 788

17.4 可编程通用信号处理机 791

17.5 单片信号处理器和组合式通用信号处理机 797

17.5.1 PPS-16（32）信号处理机 797

17.5.2 CMOS/SOS微型信号处理器（μSP） 800

17.5.3 ATMAC微处理机 802

17.5.4 VLSI单片数字信号处理器 804

17.6 阵列处理机 806

17.6.1 阵列处理机的结构原理 807

17.6.2 阵列处理机的结构特征 809

A.1 矩阵的分类 813

附录A 矩阵的各种形式及其性质 813

A.1.1 按矩阵元素的性质分类 814

A.1.2 按矩阵元素的结构分类 815

A.1.3 按矩阵元素（零元素和非零元素）的排列位置分类 819

A.1.4 按矩阵元素排列的对称性分类 821

A.1.5 在矩阵运算和线性变换过程中的某些矩 824

阵形式 824

A.2 矩阵乘积 829

A.2.1 矩阵乘积的定义 829

A.2.2 矩阵乘积运算的性质 831

A.2.3 矩阵乘积运算形式及其应用 834

A.3 逆矩阵 849

A.3.1 逆矩阵恒等式 850

A.3.2 逆矩阵预白化处理 854

附录B 信号处理中常用的方阵及其某些性质 858

B.1 方阵数值特征 858

B.1.1 迹 858

B.1.2 秩 859

B.1.3 特征值和特征矢量 862

B.2 正交矩阵及其性质 869

B.3 对称矩阵 876

B.4 U空间的内积和二次型 879

B.5 随机矢量和协方差矩阵 883

B.5.1 概率密度函数和狭义平稳随机过程 883

B.5.2 数字特征和广义平稳随机过程 884

B.5.3 协方差矩阵 885

B.5.4 归一化协方差矩阵 887

B.5.5 对协方差矩阵的几点说明 887

B.5.6 协方差矩阵的几个性质 889

B.5.7 运算 891

B.6 随机过程的傅里叶系数的相关性和频域中的协方差矩阵 894

B.6.1 问题的提出 894

B.6.2 同一过程的傅里叶系数之间的相关性… 900

B.6.3 同一过程的傅里叶系数的协方差矩阵… 902

B.6.4 时空域内随机矢量的协方差矩阵 905

B.6.5 不同随机过程的傅里叶系数的相关性… 907

B.6.6 不同随机过程的傅里叶系数的协方差矩 910

阵 910

B.6.7 空间域协方差矩阵 911

附录C 矢量和矩阵的微分 913

C.1 矢量函数和函数矩阵的微分 913

C.2 标量函数和矢量函数对矢量微分 919

C.3 复合矢量函数对矢量求导数 926