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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 FFT674

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