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上册 主动声呐信号和系统分析基础1

第一章 绪论1

1.1 主动声呐的发展1

1.2 信息论与声呐5

1.2.1 主动声呐中的信息问题5

1.2.2 信息的数学量度6

1.2.3 信息率和香农信息定理8

1.2.4 声呐的信息处理8

1.2.5 检测中的信息处理10

1.3 主动声呐方程11

1.3.1 声源级12

1.3.2 传输损失13

1.3.3 噪声级13

1.3.4 目标强度15

1.3.5 混响级15

1.3.6 接收指向性指数16

1.3.7 检测阈17

1.4 主动声呐系统评价18

1.5 主动声呐与雷达的异同20

1.6 主动声呐信息检测方程22

1.7 主动声呐三要素27

第二章 声呐波形分析基础29

2.1 波形和谱表示29

2.2 实信号的复数表示33

2.2.1 实信号的复数形式33

2.2.2 希尔伯特变换和解析信号34

2.2.3 信号复包络35

2.2.4 信号瞬时频率和群延迟37

2.3 信号的离散表示37

2.3.1 信号的傅里叶级数展开37

2.3.2 抽样和抽样定理40

2.3.3 正交函数展开和伏尔什变换41

2.3.4 波形的信号空间概念44

2.4 波形参数45

2.4.1 波形的加伯尔微分变换关系46

2.4.2 波形参数47

2.5 相关和模糊度49

2.5.1 相关和相似50

2.5.2 相关函数51

2.5.3 模糊度函数定义53

2.5.4 模糊度函数的基本性质54

2.6 波形可分辨性及不确定性关系57

2.6.1 波形分辨的实质57

2.6.2 不确定性椭圆或分辨椭圆59

2.6.3 波形不确定性关系61

2.6.4 最小单元信号62

2.7 模糊度原理63

2.7.1 波形的固有分辨常数63

2.7.2 模糊度原理64

2.7.3 波形的信息“模糊”和“分辨”性能65

2.7.4 信号按模糊度函数分类65

2.8 波形的测量精度和误差椭圆66

2.9 运动点目标回波72

2.10 宽带模糊度函数77

2.10.1 宽带模糊度函数定义77

2.10.2 宽带模糊度函数性质78

2.10.3 宽带不确定性椭圆80

2.11 多普勒容限和多普勒不变波形82

2.11.1 窄带和宽带多普勒容限82

2.11.2 多普勒宽容信号83

2.12 大时间模糊度函数85

2.12.1 大时间模糊度函数的定义86

2.12.2 大时间模糊度函数的性质87

2.12.3 加速宽容信号88

第三章 匹配滤波器90

3.1 线性带通系统90

3.1.1 线性系统的系统函数和输出表达式90

3.1.2 带通系统的复数表示92

3.1.3 带通系统的等效低通形式93

3.1.4 离散时间系统94

3.1.5 Z变换96

3.2 匹配滤波器的定义和性质98

3.2.1 匹配滤波器的定义98

3.2.2 匹配滤波器的性质99

3.2.3 白噪声背景下匹配滤波器检测特性100

3.3 匹配滤波器在统计检测中的应用102

3.3.1 似然比检测102

3.3.2 最大后验概率检测104

3.4 带通滤波、脉冲压缩和互相关106

3.4.1 带通滤波器和匹配滤波器106

3.4.2 脉冲压缩和复杂信号的匹配滤波107

3.4.3 互相关器和匹配滤波器109

3.5 运动点目标回波的匹配滤波110

3.5.1 运动点目标回波信息及其匹配的一般考虑110

3.5.2 窄带和宽带参数匹配111

3.5.3 相位匹配和正交接收机113

3.5.4 窄带频移匹配和差额相关器116

3.6 数字匹配滤波器原理118

3.6.1 数字匹配滤波器118

3.6.2 频移信号的数字相关运算120

3.6.3 频域数字匹配滤波122

3.7 时间压缩相关器123

3.7.1 数字时间压缩原理123

3.7.2 时间压缩相关器126

3.7.3 实用时间压缩相关器127

3.8 基于FFT的匹配滤波器128

3.8.1 基2-FFT运算原理129

3.8.2 基于FFT的匹配滤波器原理130

3.8.3 浮点和定点FFT匹配滤波132

3.9 SAW和CCD横向匹配滤波器132

3.9.1 横向匹配滤波器原理132

3.9.2 SAW匹配滤波器的结构原理133

3.9.3 CCD横向匹配滤波器134

3.9.4 可编程SAW或CCD匹配滤波器135

3.10 基于Chirp-Z变换的匹配滤波器135

3.10.1 Chirp-Z变换原理136

3.10.2 Chirp变换频谱分析仪原理137

3.10.3 CZT频域匹配滤波器138

第四章 常用声呐波形140

4.1 单频脉冲信号140

4.1.1 方波包络单频（CWL）信号140

4.1.2 高斯包络单频（GCW）信号142

4.1.3 宽带和大时间模糊度函数143

4.1.4 多普勒容限和加速容限145

4.1.5 CWL匹配滤波145

4.2 线性调频信号146

4.2.1 矩形包络线性调频（LFM）信号147

4.2.2 LFM的模糊度函数149

4.2.3 目标运动对LFM信号的影响150

4.2.4 高斯包络LFM信号153

4.2.5 LFM信号的产生和匹配滤波154

4.3 编码调相信号154

4.3.1 编码调相（CMP）信号的形式154

4.3.2 CMP模糊度函数计算157

4.3.3 M序列生成及特性159

4.3.4 M码的宽带多普勒容限161

4.3.5 CMP信号的匹配滤波163

4.4 伪随机信号164

4.4.1 伪随机（PRN）信号的产生及其表示法164

4.4.2 PRN信号的模糊度函数165

4.4.3 运动目标回波情况167

4.4.4 PRN信号的匹配滤波168

4.5 双曲调频信号169

4.5.1 双曲调频（HFM）信号的波形特征169

4.5.2 HFM的模糊度特性172

4.5.3 HFM信号的宽带多普勒不变性173

4.5.4 其他非线性调频和正弦调频信号174

4.6 重复信号175

4.6.1 重复信号的复数形式175

4.6.2 重复信号模糊度特征177

4.6.3 重复信号PCW、PLFM和PSFM特例178

4.6.4 宽带多普勒容限和多普勒不变参差重复信号179

4.6.5 重复信号的匹配滤波181

4.7 脉间调制信号182

4.7.1 脉间调制重复信号的一般特征182

4.7.2 阶梯跳频（STF）信号184

4.7.3 时频跳变（HOP）信号187

4.7.4 脉间频移信号的匹配滤波190

4.8 复合信号191

4.8.1 简单的复合信号191

4.8.2 串发复合信号和戈莱互补码调相（GCP）信号192

4.8.3 同发复合信号和梳状（Comb）信号196

第五章 水声信号的分析方法199

5.1 水声信号的概率模型199

5.1.1 水声信号的现象逻辑模型200

5.1.2 水声信号的概率描述方法201

5.1.3 水声随机过程的类别202

5.2 随机过程的统计描述203

5.2.1 随机过程的概率分布函数204

5.2.2 随机过程的数字表征205

5.2.3 平稳过程常见的几种分布函数206

5.2.4 时间平均概率特性和遍历过程209

5.2.5 随机过程的复数形式210

5.3 随机过程的相关分析210

5.3.1 随机过程相关函数定义210

5.3.2 随机过程时间平均相关函数212

5.3.3 广义平稳（WSS）过程213

5.3.4 可平稳化的非平稳过程214

5.3.5 随机过程的模糊度函数216

5.4 随机信号的谱表示218

5.4.1 随机信号的短时谱和谱图218

5.4.2 时频能量分布函数220

5.4.3 时变功率谱和双频功率谱222

5.4.4 非平稳过程的演化谱223

5.4.5 带限随机信号224

5.5 非平稳过程的时频分布（WVD）225

5.5.1 时变过程的WVD225

5.5.2 WVD的性质227

5.5.3 WVD的矩-信号参数228

5.5.4 WVD与其他时频表示的关系229

5.5.5 广义WVD231

5.6 小波变换233

5.6.1 小波变换定义和特征233

5.6.2 小波变换的多分辨特性234

5.6.3 小波变换的性质236

5.6.4 离散时间小波变换237

5.6.5 小波变换和宽带模糊度函数238

5.7 随机信号的离散表示240

5.7.1 傅里叶级数展开240

5.7.2 时间抽样形式241

5.7.3 时频二维展开——加伯尔（Gabor）展开表示242

5.7.4 正交函数展开表示（卡亨南-洛维展开式）244

5.7.5 随机过程的矢量表示246

5.8 随机信号通过线性系统247

5.8.1 输出输入关系247

5.8.2 匹配滤波器情况248

5.8.3 几种特殊信号输入情况249

5.9 随机信号的状态变量和统计序列模型253

5.9.1 随机过程的成形滤波器产生法254

5.9.2 平稳过程的状态变量表示法255

5.9.3 随机过程状态空间表示的一般形式256

5.9.4 随机过程协方差状态矢量描述法258

5.9.5 几种常见过程的状态模型259

5.9.6 随机信号的数字统计序列模型260

5.10 水声时空信号262

5.10.1 声呐时空波形262

5.10.2 水声时空信号的抽样定理265

5.10.3 矢量过程的表示法266

5.10.4 矢量过程的统计描述267

5.10.5 矢量过程的正交展开形式268

第六章 线性时变系统分析270

6.1 信道与线性系统270

6.2 线性时变系统的系统函数272

6.2.1 系统函数的引入272

6.2.2 信道的几种系统函数定义273

6.2.3 信道复数等效低通系统函数275

6.2.4 几点说明276

6.3 线性时变系统的状态变量表示277

6.3.1 线性系统的状态方程277

6.3.2 单输入单输出系统情况279

6.3.3 状态方程的一般解和系统响应系数280

6.3.4 时不变系统情况281

6.3.5 以延迟τ为参量的系统状态空间描述282

6.4 平均系统函数和信道的相干性282

6.4.1 系统函数的系综平均282

6.4.2 信道的相干性284

6.4.3 信道的相干因子285

6.5 随机信道的二阶统计特性286

6.5.1 系统函数的二维相关函数286

6.5.2 相关函数维数可降低的几种信道287

6.5.3 随机信道相关函数的状态矢量表示289

6.5.4 准WSSUS信道290

6.5.5 信道时频平均相关函数291

6.6 信道的衰落效应和相干函数292

6.6.1 信道的衰落效应292

6.6.2 信道对波形的解相关294

6.6.3 信道的相干函数296

6.6.4 信道相干时间和相干带宽298

6.7 信道的模糊效应和散射函数299

6.7.1 信道的模糊效应299

6.7.2 信道输出-输入互模糊度函数300

6.7.3 信道散射函数性质和物理意义301

6.7.4 信道参数304

6.7.5 信道的扩展因子及信道的分类305

6.7.6 宽带信道或系统的散射函数306

6.8 信道输出相关和时频分布特性306

6.8.1 输出相关函数307

6.8.2 输出模糊度函数308

6.8.3 信道输出时频能量分布函数309

6.8.4 时变信道二维WVD及信道输出WVD310

6.9 时变信道的近似模型313

6.9.1 抽头延迟线模型313

6.9.2 正交函数展开的状态方程模型315

6.9.3 信道网格模型318

6.10 时变信道的特性测量319

6.10.1 信道可测性320

6.10.2 信道扩展宽度的测量320

6.10.3 响应函数的测量322

6.10.4 相干函数的测量323

6.10.5 散射函数测量325

6.11 时变空变信道326

6.11.1 时变空变信道的系统函数326

6.11.2 随机时空信道的相干函数和散射函数328

6.11.3 时空信道输出-输入关系330