时间反转镜聚焦和成像技术研究

论文摘要

海洋是目标信号传至接收点所经的声信道,如何克服传播介质不均匀及信道的多途特性对接收信号的影响,是声呐信号处理的关键之一。时间反转法是从光学中的相位共轭法演化而来的一种自适应聚焦方法,它具有不需要介质不均匀性的先验信息,自适应修正各种多途引起的畸变,实现自适应聚焦的独特优点。本文首先对研究的基本理论作简单的阐述,并且介绍了时间反转镜在医学、水声等领域的实际应用。然后全文就时间反转镜自适应聚焦和成像作如下研究：（1）分析了时间反转自适应聚焦原理,在典型的水文条件下进行了时间反转镜自适应聚焦的仿真研究并进行了相应的理论分析。仿真结果表明,在随机媒质中,时间反转镜利用水声信道的相干多途特性获得聚焦增益,聚焦效果明显优于均匀媒质。（2）研究了非均匀媒质中时间反转镜的聚焦性能问题。在虚拟水槽内进行了时间反转聚焦的仿真实验研究并进行了相应的理论分析。理论和仿真实验结果表明,在非均匀媒质中,由于利用水声信道的相干多途特性,时间反转镜的有效孔径增大,获得空间处理增益10dB以上；非均匀媒质聚焦效果明显优于均匀媒质。（3）提出一种时间反转算子特征值分解算法。对于可分辨的理想散射目标,该算法将时间反转算子特征值分解,每个非零特征值对应的特征向量为换能器阵列提供相应目标的聚焦相位信息,实现选择性检测和聚焦,这为时间反转镜区分多目标和选择聚焦提供了理论依据。（4）提出一种基于时间反转镜和Wigner-Hough变换的线性调频信号检测方法。在虚拟水槽内进行时频分析的仿真研究,将时间反转镜被动接收的信号进行时间反转再发射到同一媒质中,在信号源处将接收到的信号进行WHT时频分析,同时比较了WVD分布和WHT变换的LFM信号检测性能。仿真结果表明,对于多分量LFM信号,WVD在每个散射信号的低频和高频段产生交叉干扰项,影响对LFM信号的检测。时间反转镜结合WHT分析能够抑制多途效应,减少交叉项,提高双分量LFM信号的检测性能。（5）提出在随机媒质中采用时间反转镜超声成像的DOA-AT新算法。新算法通过对散射中接收信号的到达时间和响应矩阵频域奇异值进行分解,将时域内目标函数DOA估计与到达时间估计结合起来,使成像目标的纵坐标估计得到明显改善,对目标检测能力增强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 立题背景和意义
• 1.2 时间反转镜技术发展及现状
• 1.2.1 时间反转镜的起源
• 1.2.2 超声中的时间反转镜技术研究发展
• 1.2.3 水声中的时间反转镜技术研究
• 1.2.4 国内时间反转镜技术研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 时间反转镜自适应聚焦
• 2.1 时间反转镜技术的理论基础
• 2.1.1 多途补偿原理
• 2.1.2 时间反转镜聚焦基本原理
• 2.2 波动方程
• 2.2.1 波动方程的定解条件
• 2.2.2 波动方程的数值模型
• 2.2.3 抛物近似方法（PE）
• 2.2.4 多路径展开模型
• 2.2.5 快速声场模型（FFP）
• 2.3 均匀媒质中的自适应聚焦
• 2.4 随机媒质中的自适应聚焦
• 2.5 时间反转镜自适应聚焦仿真实验
• 2.6 本章小结
• 第3章 时间反转镜聚焦性能研究
• 3.1 时间反转聚焦声场估计
• 3.1.1 均匀媒质的时间反转
• 3.1.2 非均匀媒质的时间反转
• 3.2 时间反转聚焦仿真实验
• 3.2.1 均匀媒质时间反转聚焦仿真实验
• 3.2.2 非均匀媒质时间反转聚焦仿真实验
• 3.3 z轴空间处理增益
• 3.4 本章小结
• 第4章 时间反转算子特征值分解算法
• 4.1 脉冲回波型时反处理
• 4.2 迭代时反处理理论
• 4.2.1 传输矩阵
• 4.2.2 迭代时反过程
• 4.2.3 点散射源对应的时间反转算子
• 4.3 时间反转算子特征值分解算法
• 4.3.1 散射点目标理想可分辨情况
• 4.3.2 只有两个点散射目标的情况
• 4.3.3 时间反转算子特征值分解算法
• 4.4 仿真实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 时间反转镜结合时频分析检测双分量LFM信号
• 5.1 Wigner-Ville分布及其交叉项分析
• 5.2 Wigner-Hough变换
• 5.2.1 Hough简介
• 5.2.2 Wigner-Hough变换
• 5.3 仿真实验
• 5.3.1 时间反转镜结合WVD检测双分量LFM信号仿真实验
• 5.3.2 时间反转镜结合WHT检测双分量LFM信号仿真实验
• 5.4 本章小结
• 第6章 时间反转成像
• 6.1 阵列的响应矩阵以及阵列类型
• 6.2 成像策略
• 6.3 随机媒质成像
• 6.4 时间反转的统计稳定性
• 6.5 矩阵的奇异值分解（SVD）
• 6.5.1 矩阵奇异值分解的定义
• 6.5.2 矩阵奇异值分解的性质
• 6.6 随机媒质成像
• 6.6.1 点目标模型响应矩阵
• 6.6.2 响应矩阵的奇异值分解
• 6.6.3 统计稳定的DOA估计
• 6.6.4 成像和时间反转
• 6.6.5 使用奇异值分解对到达时间估计
• 6.6.6 DOA-AT成像算法
• 6.6.7 成像仿真实验
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢