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2022年 第44卷 第6期
2022, 44(6): 1-2.
摘要:
2022, 44(6): 1879-1886.
doi: 10.11999/JEIT211343
摘要:
水声信道均衡中基于信道估计的均衡方法理论上具有更优的均衡性能，但较高的计算复杂度限制了算法的实际应用。针对这一问题，该文首先基于Kalman滤波和Turbo均衡提出一种迭代Kalman均衡器，实现了基于软符号的迭代信道估计与迭代Kalman均衡，且复杂度较常规方法降低约1个数量级。其次，针对单一均衡算法和单一方向Turbo均衡器存在的误差传递现象，设计了基于迭代Kalman均衡器与改进成比例归一化LMS (IPNLMS)自适应均衡器相结合的混合双向Turbo均衡器，提高了自适应均衡器的收敛速度和均衡性能，并通过双向均衡结构带来的增益改善了符号估计误差传递的现象。理论分析与仿真实验验证了该文算法的有效性。
水声信道均衡中基于信道估计的均衡方法理论上具有更优的均衡性能，但较高的计算复杂度限制了算法的实际应用。针对这一问题，该文首先基于Kalman滤波和Turbo均衡提出一种迭代Kalman均衡器，实现了基于软符号的迭代信道估计与迭代Kalman均衡，且复杂度较常规方法降低约1个数量级。其次，针对单一均衡算法和单一方向Turbo均衡器存在的误差传递现象，设计了基于迭代Kalman均衡器与改进成比例归一化LMS (IPNLMS)自适应均衡器相结合的混合双向Turbo均衡器，提高了自适应均衡器的收敛速度和均衡性能，并通过双向均衡结构带来的增益改善了符号估计误差传递的现象。理论分析与仿真实验验证了该文算法的有效性。
2022, 44(6): 1887-1896.
doi: 10.11999/JEIT211284
摘要:
传统基于高斯统计特性的波达角(DOA)估计方法在高斯背景噪声中可以获得较好的估计性能，然而受脉冲噪声影响的浅海环境噪声不再服从高斯分布，若直接利用传统波达角估计方法会引入较大误差。为提升非高斯噪声环境下的波达角估计性能，该文提出一种浅海非高斯噪声下的基于变分贝叶斯推断的波达角估计方法。首先利用信号与脉冲噪声的稀疏性构建多测量向量稀疏信号恢复(SSR)模型；其次，考虑信号的共稀疏特性与脉冲噪声的独立稀疏性，构建层次化贝叶斯估计框架；然后利用变分贝叶斯推断估计信号与噪声的后验概率估计。稀疏信号模型中考虑离网格误差，利用根稀疏贝叶斯估计实现离网格误差修正，解决离网格误差引起的基失配问题；最后通过迭代更新获得较为精确的波达角估计，同时消除脉冲噪声的影响。仿真结果表明：所提方法在非高斯噪声环境下具有较好的波达角估计性能，同时对于脉冲噪声具有较强的抗干扰特性。
传统基于高斯统计特性的波达角(DOA)估计方法在高斯背景噪声中可以获得较好的估计性能，然而受脉冲噪声影响的浅海环境噪声不再服从高斯分布，若直接利用传统波达角估计方法会引入较大误差。为提升非高斯噪声环境下的波达角估计性能，该文提出一种浅海非高斯噪声下的基于变分贝叶斯推断的波达角估计方法。首先利用信号与脉冲噪声的稀疏性构建多测量向量稀疏信号恢复(SSR)模型；其次，考虑信号的共稀疏特性与脉冲噪声的独立稀疏性，构建层次化贝叶斯估计框架；然后利用变分贝叶斯推断估计信号与噪声的后验概率估计。稀疏信号模型中考虑离网格误差，利用根稀疏贝叶斯估计实现离网格误差修正，解决离网格误差引起的基失配问题；最后通过迭代更新获得较为精确的波达角估计，同时消除脉冲噪声的影响。仿真结果表明：所提方法在非高斯噪声环境下具有较好的波达角估计性能，同时对于脉冲噪声具有较强的抗干扰特性。
2022, 44(6): 1897-1905.
doi: 10.11999/JEIT211333
摘要:
海洋内孤立波的存在会引起海水混合，温盐结构改变，从而导致声速在时间和空间上的不均匀分布，而在匹配场定位中则表现为声速失配，定位不准确。该文提出一种内孤立波下稳健的降阶自适应匹配场定位方法(RR-AMFP)。在传统自适应匹配场定位算法的基础上，融合了主分量抑制波束形成方法，通过特征分解对拷贝协方差矩阵进行降阶，抑制噪声空间，同时采用抑制系数和权重因子来计算匹配过程中的权向量，监测失配的拷贝向量。因此该算法可以在内孤立波环境下保持更好的稳健性，而且阶数的降低也缩短了计算时间。仿真结果表明：该算法可以实现单个内孤立波下的准确定位，但大振幅的内孤立波波列仍然会造成较大的定位误差。在南海开展了内孤立波环境下的声源定位实验，估计距离误差为3.7%，深度误差为1.6%，验证了该算法在实际海洋内孤立波环境下的有效性。
海洋内孤立波的存在会引起海水混合，温盐结构改变，从而导致声速在时间和空间上的不均匀分布，而在匹配场定位中则表现为声速失配，定位不准确。该文提出一种内孤立波下稳健的降阶自适应匹配场定位方法(RR-AMFP)。在传统自适应匹配场定位算法的基础上，融合了主分量抑制波束形成方法，通过特征分解对拷贝协方差矩阵进行降阶，抑制噪声空间，同时采用抑制系数和权重因子来计算匹配过程中的权向量，监测失配的拷贝向量。因此该算法可以在内孤立波环境下保持更好的稳健性，而且阶数的降低也缩短了计算时间。仿真结果表明：该算法可以实现单个内孤立波下的准确定位，但大振幅的内孤立波波列仍然会造成较大的定位误差。在南海开展了内孤立波环境下的声源定位实验，估计距离误差为3.7%，深度误差为1.6%，验证了该算法在实际海洋内孤立波环境下的有效性。
2022, 44(6): 1906-1918.
doi: 10.11999/JEIT211371
摘要:
针对水中声源深度分辨问题，该文提出一种基于干涉条纹斜率分布的声源深度分辨方法。该方法利用存在负跃层的浅海波导中水面和水下声源简正波激发能力的差异，建立了辐射噪声干涉条纹分布随声源深度变化的模型，分析了水面和水下声源激发的辐射噪声干涉条纹斜率分布差异性的物理机理。利用图像处理算法，将该差异表征为辐射噪声干涉图像Radon变换矩阵列方差向量的峰值个数，并据此进行水面和水下目标辨别。仿真和海试数据验证结果证明，该文提出的方法可应用于存在负跃层的浅海波导中，能有效分辨水面和水下目标，且与传统方法相比，不需要声源距离与海洋声学环境参数的先验信息。
针对水中声源深度分辨问题，该文提出一种基于干涉条纹斜率分布的声源深度分辨方法。该方法利用存在负跃层的浅海波导中水面和水下声源简正波激发能力的差异，建立了辐射噪声干涉条纹分布随声源深度变化的模型，分析了水面和水下声源激发的辐射噪声干涉条纹斜率分布差异性的物理机理。利用图像处理算法，将该差异表征为辐射噪声干涉图像Radon变换矩阵列方差向量的峰值个数，并据此进行水面和水下目标辨别。仿真和海试数据验证结果证明，该文提出的方法可应用于存在负跃层的浅海波导中，能有效分辨水面和水下目标，且与传统方法相比，不需要声源距离与海洋声学环境参数的先验信息。
2022, 44(6): 1919-1926.
doi: 10.11999/JEIT211359
摘要:
利用水下自主航行器(AUVs)协同编队可以在未知水域中实现对目标的定位。针对AUV导航误差导致定位精度降低问题，该文提出一种基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的多AUV编队融合观测协同目标定位算法。AUV编队由一个装备有高精度惯性导航系统(INS)的领航AUV以及多个装配有低精度INS的跟随AUV组成。从跟随AUV中选取参考AUV和待测AUV，通过设置定位周期和观测间隔来分别对其进行不同的观测。参考AUV作为中转，接收来自高精度AUV位置参数后，向待测AUV传递自身位置参数，利用扩展卡尔曼滤波器完成对AUV集群的协同位置修正。仿真结果表明，该方法AUV集群自身定位精度高且误差随时间积累小，对领航AUV数量需求少，能够实现水下目标低功耗、远距离定位。
利用水下自主航行器(AUVs)协同编队可以在未知水域中实现对目标的定位。针对AUV导航误差导致定位精度降低问题，该文提出一种基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的多AUV编队融合观测协同目标定位算法。AUV编队由一个装备有高精度惯性导航系统(INS)的领航AUV以及多个装配有低精度INS的跟随AUV组成。从跟随AUV中选取参考AUV和待测AUV，通过设置定位周期和观测间隔来分别对其进行不同的观测。参考AUV作为中转，接收来自高精度AUV位置参数后，向待测AUV传递自身位置参数，利用扩展卡尔曼滤波器完成对AUV集群的协同位置修正。仿真结果表明，该方法AUV集群自身定位精度高且误差随时间积累小，对领航AUV数量需求少，能够实现水下目标低功耗、远距离定位。
2022, 44(6): 1927-1936.
doi: 10.11999/JEIT211432
摘要:
水声传感器网络(UASNs)节点由于洋流等因素长时间作用会出现位置偏移，故需要修正其位置信息。在水声传感器网络节点定位中将自主式水下潜器(AUV)作为移动锚点辅助定位可有效降低定位成本，但在AUV辅助定位过程中AUV的能量利用率仍有待提升。为了进一步提高AUV的能量利用率，该文提出一种面向水声传感网的AUV辅助定位动态路径规划方法。该方法中将节点位置修正过程看成节点位置信息熵减少的过程。在AUV动态路径规划时根据定位过程的节点位置信息和预计AUV能耗，规划AUV下一步移动目标位置。使用贪婪算法选取使信息增益期望和移动消耗能量比值最大的位置作为AUV下一步移动目标位置。仿真结果表明，该算法能够在保证节点定位精度的基础上有效提高AUV能量利用率。
水声传感器网络(UASNs)节点由于洋流等因素长时间作用会出现位置偏移，故需要修正其位置信息。在水声传感器网络节点定位中将自主式水下潜器(AUV)作为移动锚点辅助定位可有效降低定位成本，但在AUV辅助定位过程中AUV的能量利用率仍有待提升。为了进一步提高AUV的能量利用率，该文提出一种面向水声传感网的AUV辅助定位动态路径规划方法。该方法中将节点位置修正过程看成节点位置信息熵减少的过程。在AUV动态路径规划时根据定位过程的节点位置信息和预计AUV能耗，规划AUV下一步移动目标位置。使用贪婪算法选取使信息增益期望和移动消耗能量比值最大的位置作为AUV下一步移动目标位置。仿真结果表明，该算法能够在保证节点定位精度的基础上有效提高AUV能量利用率。
2022, 44(6): 1937-1946.
doi: 10.11999/JEIT211447
摘要:
将映射序列扩频(MSSS)方法用于并行组合扩频(PCSS)水声(UWA)通信，有效降低通信信号峰均比，进而提高通信性能。但当使用Gold码作为扩频码时，由于Gold码的循环移位相加特性，导致映射信号在接收端解相关时会出现伪峰，严重降低通信系统的性能。为了减小伪峰对通信性能的影响，该文提出基于相关峰相位差法的并行组合扩频(PDCP-PCSS)和交织并行组合扩频(IPCSS)两种方法。PDCP-PCSS方法在接收端加入相关峰相位差法对伪峰进行识别和剔除，有效降低了伪峰对通信性能的影响。IPCSS方法将交织技术与并行组合扩频相结合，避免了伪峰的生成。通过仿真和海上试验验证，这两种方法相比于传统的并行组合扩频水声通信(CPCSS)方法具有更好的通信性能，PDCP-PCSS方法的通信性能最优，但适用范围仅限于3个Gold码的组合，而IPCSS方法的适用范围更广。
将映射序列扩频(MSSS)方法用于并行组合扩频(PCSS)水声(UWA)通信，有效降低通信信号峰均比，进而提高通信性能。但当使用Gold码作为扩频码时，由于Gold码的循环移位相加特性，导致映射信号在接收端解相关时会出现伪峰，严重降低通信系统的性能。为了减小伪峰对通信性能的影响，该文提出基于相关峰相位差法的并行组合扩频(PDCP-PCSS)和交织并行组合扩频(IPCSS)两种方法。PDCP-PCSS方法在接收端加入相关峰相位差法对伪峰进行识别和剔除，有效降低了伪峰对通信性能的影响。IPCSS方法将交织技术与并行组合扩频相结合，避免了伪峰的生成。通过仿真和海上试验验证，这两种方法相比于传统的并行组合扩频水声通信(CPCSS)方法具有更好的通信性能，PDCP-PCSS方法的通信性能最优，但适用范围仅限于3个Gold码的组合，而IPCSS方法的适用范围更广。
2022, 44(6): 1947-1955.
doi: 10.11999/JEIT211407
摘要:
卷积层平移等变性与线性谱不适配，卷积网络对高维特征的长距离依赖建模能力不足。该文提出一种双对数谱特征用于船舶辐射噪声分类。双对数谱通过重新排列对数谱频点，保证高频端分辨率的同时，规避使用太深的卷积网络。利用双对数谱各行表征同一目标的先验知识，构建卷积网络和目标函数。DeepShip数据集上的试验结果表明，特征维数相同情况下，提出的算法分类正确率比以线性谱为输入的卷积网络提高2.4%以上。
卷积层平移等变性与线性谱不适配，卷积网络对高维特征的长距离依赖建模能力不足。该文提出一种双对数谱特征用于船舶辐射噪声分类。双对数谱通过重新排列对数谱频点，保证高频端分辨率的同时，规避使用太深的卷积网络。利用双对数谱各行表征同一目标的先验知识，构建卷积网络和目标函数。DeepShip数据集上的试验结果表明，特征维数相同情况下，提出的算法分类正确率比以线性谱为输入的卷积网络提高2.4%以上。
2022, 44(6): 1956-1965.
doi: 10.11999/JEIT211374
摘要:
针对传统隐马尔可夫模型(HMM)方法提取时变线谱与多线谱的能力较弱以及动态规划过程计算量过大的问题，该文提出一种基于动态参数的1维隐马尔可夫模型(1D-HMM)的方法用于水声信号低频分析与记录(LOFAR)图中的线谱轨迹提取。该方法将时变频率状态建模为1阶马尔可夫过程，利用Viterbi算法循环提取多条线谱轨迹。在动态规划的迭代过程中，通过实时计算序列的1阶导数动态调整HMM中的状态转移概率矩阵，提升了对线谱轨迹的提取能力和多线谱的分辨能力；设计了一种基于动态滑动窗口的功率谱累积方法估计线谱的生灭，剔除虚假的线谱轨迹并判断线谱轨迹提取的结束。同时，该方法在实现过程中设计了对LOFAR图数据的块处理策略，大大减少了计算量。仿真和实际数据的处理结果表明，该方法在低信噪比条件下能够有效地检测和跟踪复杂时变频谱的频率状态，并有较好运行效率，为声呐设备的弱信号检测提供了良好的技术支持。
针对传统隐马尔可夫模型(HMM)方法提取时变线谱与多线谱的能力较弱以及动态规划过程计算量过大的问题，该文提出一种基于动态参数的1维隐马尔可夫模型(1D-HMM)的方法用于水声信号低频分析与记录(LOFAR)图中的线谱轨迹提取。该方法将时变频率状态建模为1阶马尔可夫过程，利用Viterbi算法循环提取多条线谱轨迹。在动态规划的迭代过程中，通过实时计算序列的1阶导数动态调整HMM中的状态转移概率矩阵，提升了对线谱轨迹的提取能力和多线谱的分辨能力；设计了一种基于动态滑动窗口的功率谱累积方法估计线谱的生灭，剔除虚假的线谱轨迹并判断线谱轨迹提取的结束。同时，该方法在实现过程中设计了对LOFAR图数据的块处理策略，大大减少了计算量。仿真和实际数据的处理结果表明，该方法在低信噪比条件下能够有效地检测和跟踪复杂时变频谱的频率状态，并有较好运行效率，为声呐设备的弱信号检测提供了良好的技术支持。
2022, 44(6): 1966-1973.
doi: 10.11999/JEIT220048
摘要:
该文针对水下物联网(IoUT)数据传输问题设计了一种混合地理路由协议。海洋环境的复杂性严重地限制了IoUT水下物联网节点间的数据传输性能，因此需要一个高效的路由协议以对抗复杂的信道环境。无状态几何路由(G-STAR)是一种采用贪婪转发模式的地理路由协议，在大多数3维物联网情景中能够找到合适的数据传输路径，然而水下环境中存在诸多不利因素制约了G-STAR的性能。对此，该文提出一个混合G-STAR(Hybrid G-STAR, H-G-STAR)协议，在保有G-STAR优势的基础上对协议在水下环境中的适应性进行了针对性设计。通过增加基于信道监听的无协作转发策略，在节点数量足够时自发地选择信道状况最佳的路径进行路由，由此避开贪婪转发在水下环境中可能遭遇的极端劣化信道。仿真结果显示H-G-STAR协议相较于基准G-STAR协议有着更好的路由性能，并且在物理层能够取得更低的误比特率(BER)，在水下节点的网络拓扑中更为适用。
该文针对水下物联网(IoUT)数据传输问题设计了一种混合地理路由协议。海洋环境的复杂性严重地限制了IoUT水下物联网节点间的数据传输性能，因此需要一个高效的路由协议以对抗复杂的信道环境。无状态几何路由(G-STAR)是一种采用贪婪转发模式的地理路由协议，在大多数3维物联网情景中能够找到合适的数据传输路径，然而水下环境中存在诸多不利因素制约了G-STAR的性能。对此，该文提出一个混合G-STAR(Hybrid G-STAR, H-G-STAR)协议，在保有G-STAR优势的基础上对协议在水下环境中的适应性进行了针对性设计。通过增加基于信道监听的无协作转发策略，在节点数量足够时自发地选择信道状况最佳的路径进行路由，由此避开贪婪转发在水下环境中可能遭遇的极端劣化信道。仿真结果显示H-G-STAR协议相较于基准G-STAR协议有着更好的路由性能，并且在物理层能够取得更低的误比特率(BER)，在水下节点的网络拓扑中更为适用。
2022, 44(6): 1974-1983.
doi: 10.11999/JEIT211077
摘要:
基于机器学习的舰船目标识别近年来已成为水声信号处理领域的一个重要研究方向，但水声目标信号的获取困难，样本量不足和不均衡的问题很容易导致目标分类模型的识别效果不佳。该文提出一种基于条件卷积生成对抗网络的船舶噪声数据分类方法，该方法利用生成对抗学习理论，生成相比于传统数据增强算法非线性特征更强，特征差异更丰富的伪DEMON调制谱数据来缓解训练样本量不足的问题。之后将传统生成对抗网络中的全连层输出替换成更善于解决小样本问题集成分类器，从而降低分类器对于数据量的依赖程度，进一步提高分类模型性能。最终由基于真实样本的实验结果表明，相比于传统数据增强算法和卷积生成对抗网络，该文方法能够更有效提高在样本不足条件下的模型的分类性能。
基于机器学习的舰船目标识别近年来已成为水声信号处理领域的一个重要研究方向，但水声目标信号的获取困难，样本量不足和不均衡的问题很容易导致目标分类模型的识别效果不佳。该文提出一种基于条件卷积生成对抗网络的船舶噪声数据分类方法，该方法利用生成对抗学习理论，生成相比于传统数据增强算法非线性特征更强，特征差异更丰富的伪DEMON调制谱数据来缓解训练样本量不足的问题。之后将传统生成对抗网络中的全连层输出替换成更善于解决小样本问题集成分类器，从而降低分类器对于数据量的依赖程度，进一步提高分类模型性能。最终由基于真实样本的实验结果表明，相比于传统数据增强算法和卷积生成对抗网络，该文方法能够更有效提高在样本不足条件下的模型的分类性能。
2022, 44(6): 1984-1990.
doi: 10.11999/JEIT210949
摘要:
索引调制滤波器组多载波(FBMC-IM)水声通信系统在进行信号检测时，需要先根据均衡后子载波上承载的恢复数据判断出活跃子载波的位置。针对传统检测方法估计索引信息时计算复杂度高且准确度较低的问题，该文结合双向长短时记忆网络(BLSTM)对时序信号进行特征提取的优势，将深度学习理论引入水声信号处理的概念，提出一种基于多层BLSTM的水声通信信号索引检测方法。该方法将传统索引检测问题转化为数据驱动的多元分类问题，在提高估计性能的同时降低了计算复杂度。基于湖试测得的水声信道数据仿真验证了该方法的优越性和鲁棒性，可以作为索引调制机制下的一种通用检测手段。
索引调制滤波器组多载波(FBMC-IM)水声通信系统在进行信号检测时，需要先根据均衡后子载波上承载的恢复数据判断出活跃子载波的位置。针对传统检测方法估计索引信息时计算复杂度高且准确度较低的问题，该文结合双向长短时记忆网络(BLSTM)对时序信号进行特征提取的优势，将深度学习理论引入水声信号处理的概念，提出一种基于多层BLSTM的水声通信信号索引检测方法。该方法将传统索引检测问题转化为数据驱动的多元分类问题，在提高估计性能的同时降低了计算复杂度。基于湖试测得的水声信道数据仿真验证了该方法的优越性和鲁棒性，可以作为索引调制机制下的一种通用检测手段。
2022, 44(6): 1991-1998.
doi: 10.11999/JEIT211445
摘要:
北极水域信道特殊，匹配场处理作为一类可结合环境信息进行信号处理的目标定位方法，在模型匹配时可以准确估计出声源位置，但存在环境变化复杂且信息了解少的问题，导致模型很难完全匹配，从而出现位置估计不准确的问题。该文提出建立一种改进的压缩匹配场模型，并基于相位归一化原理对稀疏模型进行优化，利用归一化阵元域信息进行匹配，以消除声源频谱的影响，提高压缩匹配场的定位准确度。仿真结果表明，改进后方法比改进前方法的定位准确率更高；试验数据处理表明，单快拍下改进后方法比改进前方法在目标位置估计上误差更小，比常规匹配场方法的分辨率更高。
北极水域信道特殊，匹配场处理作为一类可结合环境信息进行信号处理的目标定位方法，在模型匹配时可以准确估计出声源位置，但存在环境变化复杂且信息了解少的问题，导致模型很难完全匹配，从而出现位置估计不准确的问题。该文提出建立一种改进的压缩匹配场模型，并基于相位归一化原理对稀疏模型进行优化，利用归一化阵元域信息进行匹配，以消除声源频谱的影响，提高压缩匹配场的定位准确度。仿真结果表明，改进后方法比改进前方法的定位准确率更高；试验数据处理表明，单快拍下改进后方法比改进前方法在目标位置估计上误差更小，比常规匹配场方法的分辨率更高。
2022, 44(6): 1999-2005.
doi: 10.11999/JEIT211128
摘要:
针对现有自适应交互式多模型算法(AIMM)在水下目标跟踪过程中模型切换和跟踪精度上的不足，该文结合无迹卡尔曼滤波(UKF)算法，提出一种改进的AIMM-UKF算法。该算法在自适应修正马尔可夫转移概率矩阵的基础上，利用判定窗对其进行二次修正，实现匹配模型概率的快速增大和对非匹配模型的抑制。仿真结果表明，改进算法相比原有自适应算法，能更加充分地利用后验信息，拥有更好的模型切换速度，跟踪精度提升约24%。
针对现有自适应交互式多模型算法(AIMM)在水下目标跟踪过程中模型切换和跟踪精度上的不足，该文结合无迹卡尔曼滤波(UKF)算法，提出一种改进的AIMM-UKF算法。该算法在自适应修正马尔可夫转移概率矩阵的基础上，利用判定窗对其进行二次修正，实现匹配模型概率的快速增大和对非匹配模型的抑制。仿真结果表明，改进算法相比原有自适应算法，能更加充分地利用后验信息，拥有更好的模型切换速度，跟踪精度提升约24%。
2022, 44(6): 2006-2013.
doi: 10.11999/JEIT211398
摘要:
由于海洋干扰严重，水声通信十分困难。扩频通信技术具有良好的抗干扰性能，能够保证在复杂的海洋环境中进行可靠的通信，常被用于水声通信中。水声信道是典型的相干多径信道。沿不同路径到达的信号具有不同的传播时延和到达角，因此接收信号具有时空特性。即接收信号具有时延扩展和角度扩展。多径信号的相干叠加导致接收信号中存在严重的符号间干扰。为了充分利用水声信号的时空聚类特性，该文设计了一个空时处理器，分别对沿每条路径到达的信号进行滤波。结合时空簇的多样性，可以有效提高通信系统的可靠性。提出了一种基于空时聚类处理的水声扩频通信方案。并在仿真和实验中对该通信方案进行了比较和分析，以验证其性能优势。
由于海洋干扰严重，水声通信十分困难。扩频通信技术具有良好的抗干扰性能，能够保证在复杂的海洋环境中进行可靠的通信，常被用于水声通信中。水声信道是典型的相干多径信道。沿不同路径到达的信号具有不同的传播时延和到达角，因此接收信号具有时空特性。即接收信号具有时延扩展和角度扩展。多径信号的相干叠加导致接收信号中存在严重的符号间干扰。为了充分利用水声信号的时空聚类特性，该文设计了一个空时处理器，分别对沿每条路径到达的信号进行滤波。结合时空簇的多样性，可以有效提高通信系统的可靠性。提出了一种基于空时聚类处理的水声扩频通信方案。并在仿真和实验中对该通信方案进行了比较和分析，以验证其性能优势。
2022, 44(6): 2014-2023.
doi: 10.11999/JEIT211274
摘要:
水下无线通信主要依靠水声通信的方式进行信息传输。但水声链路本身具有高时延和高误码率等不足，为水下应用提供低时延的通信服务是一项具有挑战性的工作。声电协同网(CRAN)旨在充分利用水面无线电链路弥补水声网络(UAN)的性能局限，提升网络的整体性能。其中，CRAN中的路由协议需要构建声、电混合路径，是声电协同网络研究中的关键问题。该文首先在网络模拟器3(NS-3)中设计并实现了声电浮标节点与CRAN协议栈，搭建了CRAN的仿真平台。随后探讨了以无线自组网按需平面距离向量路由协议(AODV)为代表的被动式路由在CRAN中的应用。该文发现，AODV协议使用的距离向量准则在CRAN中能够更多地选择高速的无线电链路进行数据转发，有效地降低了网络传输时延。最后，通过仿真对AODV与其他协议的性能进行了对比、分析。结果表明，CRAN在投递率、传输时延、网络吞吐量、能效和路由响应速度方面对比水声通信网有较大提升。同时，以AODV为代表的被动路由协议，相比于以优化链路状态路由协议(OLSR)为代表的主动路由协议更适用于CRAN。
水下无线通信主要依靠水声通信的方式进行信息传输。但水声链路本身具有高时延和高误码率等不足，为水下应用提供低时延的通信服务是一项具有挑战性的工作。声电协同网(CRAN)旨在充分利用水面无线电链路弥补水声网络(UAN)的性能局限，提升网络的整体性能。其中，CRAN中的路由协议需要构建声、电混合路径，是声电协同网络研究中的关键问题。该文首先在网络模拟器3(NS-3)中设计并实现了声电浮标节点与CRAN协议栈，搭建了CRAN的仿真平台。随后探讨了以无线自组网按需平面距离向量路由协议(AODV)为代表的被动式路由在CRAN中的应用。该文发现，AODV协议使用的距离向量准则在CRAN中能够更多地选择高速的无线电链路进行数据转发，有效地降低了网络传输时延。最后，通过仿真对AODV与其他协议的性能进行了对比、分析。结果表明，CRAN在投递率、传输时延、网络吞吐量、能效和路由响应速度方面对比水声通信网有较大提升。同时，以AODV为代表的被动路由协议，相比于以优化链路状态路由协议(OLSR)为代表的主动路由协议更适用于CRAN。
2022, 44(6): 2024-2034.
doi: 10.11999/JEIT211311
摘要:
针对水下移动平台(AUVs)直接序列扩频(DSSS)水声通信过程中大多普勒时变带来的频偏及载波相位跳变问题，该文提出一种组合差分扩频通信方法。该方法设计一种2维组合差分(TCD)扩频帧结构，接收端通过对重复码时域加窗相关实现时变多普勒粗估计；接收端提出一种频率压缩-能量接收器(FC-ED)，通过采用能量检测接收器提高接收端处理多普勒容限，使用频率压缩法多频点压缩处理进一步提高系统鲁棒性，实现扩频码识别映射解码；最后提出一种组合差分算法，实现2维组合扩频间的极性差分解码，在能量接收映射解码基础上引入极性调制，进一步提高频谱利用率。经理论及仿真试验分析，该方法具备一定的抗时变多普勒能力，在恒加速度相对运动–8 dB信噪比条件下误码率小于10–2。
针对水下移动平台(AUVs)直接序列扩频(DSSS)水声通信过程中大多普勒时变带来的频偏及载波相位跳变问题，该文提出一种组合差分扩频通信方法。该方法设计一种2维组合差分(TCD)扩频帧结构，接收端通过对重复码时域加窗相关实现时变多普勒粗估计；接收端提出一种频率压缩-能量接收器(FC-ED)，通过采用能量检测接收器提高接收端处理多普勒容限，使用频率压缩法多频点压缩处理进一步提高系统鲁棒性，实现扩频码识别映射解码；最后提出一种组合差分算法，实现2维组合扩频间的极性差分解码，在能量接收映射解码基础上引入极性调制，进一步提高频谱利用率。经理论及仿真试验分析，该方法具备一定的抗时变多普勒能力，在恒加速度相对运动–8 dB信噪比条件下误码率小于10–2。
2022, 44(6): 2035-2044.
doi: 10.11999/JEIT210348
摘要:
针对正交频分复用(OFDM)水声移动通信易受时变多普勒频移影响的缺点，该文提出一种基于数据样本方差的多普勒频移估计方法。利用前序符号的信道估计值恢复当前符号的有效数据序列及其频域分集副本，计算分集副本与数据序列的比值并搜索该比值序列在不同多普勒补偿因子下的方差，选取方差最小时对应的补偿因子作为多普勒频移估计值，利用稀疏贝叶斯学习和判决反馈信道估计算法获得修正后的信道频域响应并传递给后序符号，实现对多普勒频移的实时跟踪。数值仿真验证了该方法的可行性和优越性，海上试验证明，该方法实现了基于无人水下航行器的OFDM水声移动通信，能够对时变多普勒频移进行有效估计。
针对正交频分复用(OFDM)水声移动通信易受时变多普勒频移影响的缺点，该文提出一种基于数据样本方差的多普勒频移估计方法。利用前序符号的信道估计值恢复当前符号的有效数据序列及其频域分集副本，计算分集副本与数据序列的比值并搜索该比值序列在不同多普勒补偿因子下的方差，选取方差最小时对应的补偿因子作为多普勒频移估计值，利用稀疏贝叶斯学习和判决反馈信道估计算法获得修正后的信道频域响应并传递给后序符号，实现对多普勒频移的实时跟踪。数值仿真验证了该方法的可行性和优越性，海上试验证明，该方法实现了基于无人水下航行器的OFDM水声移动通信，能够对时变多普勒频移进行有效估计。
2022, 44(6): 2045-2053.
doi: 10.11999/JEIT211322
摘要:
针对水下隐蔽声通信的需求，该文提出一种基于频移键控的仿海豚哨声水声通信方法，通过模拟海豚哨声以降低通信信号被发现的概率，从而实现水下隐蔽声通信。该方法将信息调制生成的基带信号以一定比例与海豚哨声信号时频谱轮廓曲线相加获得合成哨声时频谱，再生成合成哨声作为仿生通信信号。接收端提取接收到的合成哨声与本地生成的存在固定频差的海豚哨声相干相乘，经过低通滤波获得频移键控信号进行信息解调，实现仿生通信。通过时频相关系数和Mel倒谱距离分析了通信信号仿生效果。仿真与海试试验验证了该方法的可行性，当码元宽度为0.1s时可在2km距离上实现有效通信，且时频相关系数不低于0.99。该方法调制解调原理简单，系统资源消耗更少，更易于工程实现，为仿生水声通信算法的实际应用提供技术支撑。
针对水下隐蔽声通信的需求，该文提出一种基于频移键控的仿海豚哨声水声通信方法，通过模拟海豚哨声以降低通信信号被发现的概率，从而实现水下隐蔽声通信。该方法将信息调制生成的基带信号以一定比例与海豚哨声信号时频谱轮廓曲线相加获得合成哨声时频谱，再生成合成哨声作为仿生通信信号。接收端提取接收到的合成哨声与本地生成的存在固定频差的海豚哨声相干相乘，经过低通滤波获得频移键控信号进行信息解调，实现仿生通信。通过时频相关系数和Mel倒谱距离分析了通信信号仿生效果。仿真与海试试验验证了该方法的可行性，当码元宽度为0.1s时可在2km距离上实现有效通信，且时频相关系数不低于0.99。该方法调制解调原理简单，系统资源消耗更少，更易于工程实现，为仿生水声通信算法的实际应用提供技术支撑。
2022, 44(6): 2054-2060.
doi: 10.11999/JEIT211363
摘要:
节点位置的实时变化以及水下长传输时延等特性影响了移动水声异步网络(MUAANs)的时间同步与自定位精度。针对上述问题，该文研究并提出一种自定位和时间同步联合的单向动态预测算法。该算法通过建立时间同步与自定位联合的状态与观测模型，同时预测不同时刻下移动节点的位置信息与时钟差异，实现网络的联合位置跟踪与动态时间同步。与此同时，由于该算法仅采用节点间的单向信息传输即可实现自定位与时间同步，有效解决了由水下长传输时延导致的移动节点间双向信息交互时延差异的问题，提高了网络的自定位与时间同步精度和效率。仿真结果表明，该文所提算法可以高精度地联合预测移动水声异步网络的自定位与时间同步结果，且有效增强了网络的时间同步与自定位时间效率。
节点位置的实时变化以及水下长传输时延等特性影响了移动水声异步网络(MUAANs)的时间同步与自定位精度。针对上述问题，该文研究并提出一种自定位和时间同步联合的单向动态预测算法。该算法通过建立时间同步与自定位联合的状态与观测模型，同时预测不同时刻下移动节点的位置信息与时钟差异，实现网络的联合位置跟踪与动态时间同步。与此同时，由于该算法仅采用节点间的单向信息传输即可实现自定位与时间同步，有效解决了由水下长传输时延导致的移动节点间双向信息交互时延差异的问题，提高了网络的自定位与时间同步精度和效率。仿真结果表明，该文所提算法可以高精度地联合预测移动水声异步网络的自定位与时间同步结果，且有效增强了网络的时间同步与自定位时间效率。
2022, 44(6): 2061-2070.
doi: 10.11999/JEIT211418
摘要:
水下声源被动测距基于接收数据中声源辐射的声压信号，通过特定方法在空域中搜索声源位置参数，是一个参数估计问题。对于参数估计问题，机器学习方法通常将其转化为分类问题，相比于传统匹配场处理(MFP)具有更准确的估计能力，并且无需先验的声场环境信息。但当训练数据和测试数据的概率密度函数服从不同的分布或者训练数据严重不足时，传统机器学习方法下的分类器预测效果通常较差。因此，该文提出基于联合分布适配(JDA)的水下声源测距算法，该算法使用JDA寻找恰当的变换矩阵进行数据映射，从而减小不同数据域间分布差异，实现源域到目标域的迁移。对经过JDA后数据进行实验的结果表明，JDA可以有效降低在不同时间和不同方位的水声场中获取航迹数据之间的差异，使得基于源域训练的分类器对目标域预测结果的均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)降低了超过30%，从而实现对声源更准确的距离估计。
水下声源被动测距基于接收数据中声源辐射的声压信号，通过特定方法在空域中搜索声源位置参数，是一个参数估计问题。对于参数估计问题，机器学习方法通常将其转化为分类问题，相比于传统匹配场处理(MFP)具有更准确的估计能力，并且无需先验的声场环境信息。但当训练数据和测试数据的概率密度函数服从不同的分布或者训练数据严重不足时，传统机器学习方法下的分类器预测效果通常较差。因此，该文提出基于联合分布适配(JDA)的水下声源测距算法，该算法使用JDA寻找恰当的变换矩阵进行数据映射，从而减小不同数据域间分布差异，实现源域到目标域的迁移。对经过JDA后数据进行实验的结果表明，JDA可以有效降低在不同时间和不同方位的水声场中获取航迹数据之间的差异，使得基于源域训练的分类器对目标域预测结果的均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)降低了超过30%，从而实现对声源更准确的距离估计。
2022, 44(6): 2071-2079.
doi: 10.11999/JEIT220017
摘要:
基于极小极大凹惩罚函数约束的压缩感知波束形成，相对于传统l1范数的压缩波束形成来说，可以增强信号的稀疏性，获得更精确的波达方向估计。然而，该算法在强噪声背景下，方位估计结果不稳定。针对这个问题，该文提出一种基于极小极大凹惩罚函数约束的多快拍压缩感知波束形成(MCP-MCSBF)算法。通过多个快拍的联合处理，提供更好的抗噪性能和更精准的波达方向估计结果。仿真结果表明与其他多快拍波达方向估计算法相比，该文算法提供了更优的精确性和更高的角度分辨率，湖试结果则进一步验证了所提算法的有效性。
基于极小极大凹惩罚函数约束的压缩感知波束形成，相对于传统l1范数的压缩波束形成来说，可以增强信号的稀疏性，获得更精确的波达方向估计。然而，该算法在强噪声背景下，方位估计结果不稳定。针对这个问题，该文提出一种基于极小极大凹惩罚函数约束的多快拍压缩感知波束形成(MCP-MCSBF)算法。通过多个快拍的联合处理，提供更好的抗噪性能和更精准的波达方向估计结果。仿真结果表明与其他多快拍波达方向估计算法相比，该文算法提供了更优的精确性和更高的角度分辨率，湖试结果则进一步验证了所提算法的有效性。
2022, 44(6): 2080-2092.
doi: 10.11999/JEIT210376
摘要:
联想记忆是一种描述生物学习和遗忘过程的重要机制，对构建神经形态计算系统和模拟类脑功能有重要的意义，设计并实现联想记忆电路成为人工神经网络领域内的研究热点。巴甫洛夫条件反射实验作为联想记忆的经典案例之一，其硬件电路的实现方案仍然存在电路设计复杂、功能不完善以及过程描述不清晰等问题。基于此，该文融合经典的条件反射理论和纳米科学技术，提出一种基于忆阻的全功能巴甫洛夫联想记忆电路。首先，基于水热合成法和磁控溅射法制备了Ag/TiOx nanobelt/Ti结构的忆阻器，通过电化学工作站、四探针测试台和透射电子显微镜联合完成相应的性能测试；接着，利用测试得到的电化学数据，构建了Ag/TiOx nanobelt/Ti忆阻器的数学模型和SPICE电路模型，并通过客观评价验证模型的精确度；进一步，基于提出的Ag/TiOx nanobelt/Ti忆阻器模型，设计了一种全功能巴甫洛夫联想记忆电路，通过电路描述和功能分析，论述了该电路能够正确模拟巴甫洛夫实验中2类学习过程和3类遗忘过程；最后，通过一系列计算机仿真和分析，验证了所提方案的正确性和有效性。
联想记忆是一种描述生物学习和遗忘过程的重要机制，对构建神经形态计算系统和模拟类脑功能有重要的意义，设计并实现联想记忆电路成为人工神经网络领域内的研究热点。巴甫洛夫条件反射实验作为联想记忆的经典案例之一，其硬件电路的实现方案仍然存在电路设计复杂、功能不完善以及过程描述不清晰等问题。基于此，该文融合经典的条件反射理论和纳米科学技术，提出一种基于忆阻的全功能巴甫洛夫联想记忆电路。首先，基于水热合成法和磁控溅射法制备了Ag/TiOx nanobelt/Ti结构的忆阻器，通过电化学工作站、四探针测试台和透射电子显微镜联合完成相应的性能测试；接着，利用测试得到的电化学数据，构建了Ag/TiOx nanobelt/Ti忆阻器的数学模型和SPICE电路模型，并通过客观评价验证模型的精确度；进一步，基于提出的Ag/TiOx nanobelt/Ti忆阻器模型，设计了一种全功能巴甫洛夫联想记忆电路，通过电路描述和功能分析，论述了该电路能够正确模拟巴甫洛夫实验中2类学习过程和3类遗忘过程；最后，通过一系列计算机仿真和分析，验证了所提方案的正确性和有效性。
2022, 44(6): 2093-2100.
doi: 10.11999/JEIT210328
摘要:
作为密码安全性的根源，在各类密码体制和系统中，真随机数起着不可替代的重要作用。现实中，真随机数往往基于随机物理过程实现，从而使其可能遭受环境引入或攻击者恶意施加的影响，造成随机数生成质量的下降，进而对密码应用安全性产生威胁。该文以当前广泛应用的基于振荡环的真随机数发生器(RO-TRNG)为对象，对故障注入场景下，熵源和熵抽取部分受到的影响及由此造成的安全性变异进行了深入分析和研究，并基于捕获偏置度提出了能够充分反映故障扰动场景下RO-TRNG安全特性的度量模型。实验表明，该度量模型能够很好地反映在遭受故障扰动时，RO-TRNG在抖动方差累积和节拍延迟链上升沿捕获概率偏置等方面受到的影响，并对RO-TRNG在高危复杂环境下的安全性实施客观分析。
作为密码安全性的根源，在各类密码体制和系统中，真随机数起着不可替代的重要作用。现实中，真随机数往往基于随机物理过程实现，从而使其可能遭受环境引入或攻击者恶意施加的影响，造成随机数生成质量的下降，进而对密码应用安全性产生威胁。该文以当前广泛应用的基于振荡环的真随机数发生器(RO-TRNG)为对象，对故障注入场景下，熵源和熵抽取部分受到的影响及由此造成的安全性变异进行了深入分析和研究，并基于捕获偏置度提出了能够充分反映故障扰动场景下RO-TRNG安全特性的度量模型。实验表明，该度量模型能够很好地反映在遭受故障扰动时，RO-TRNG在抖动方差累积和节拍延迟链上升沿捕获概率偏置等方面受到的影响，并对RO-TRNG在高危复杂环境下的安全性实施客观分析。
2022, 44(6): 2101-2109.
doi: 10.11999/JEIT210307
摘要:
紧磁滞回线是评测物理器件或数学模型是否为忆阻的关键依据，其对称特性也是忆阻的重要特征之一。该文提出一种有源非对称忆阻二极管桥模拟器，它通过改变二极管桥中并联二极管的数量可实现紧磁滞回线非对称度的控制。首先，验证了该非对称忆阻模拟器的指纹特征，并着重探讨了激励频率和对称度控制参数对紧磁滞回线非对称度的影响。进一步地，将该非对称忆阻模拟器耦合到Sallen-Key高通滤波器，构建了一种无感忆阻蔡氏电路；建立了相应的无量纲系统，并揭示了系统吸引子的非对称演化现象。结合平衡点稳定性分析、分岔分析和多吸引子状态初值空间分布，阐明了吸引子非对称演化的产生机理。结果表明，受非对称忆阻的影响，无感忆阻蔡氏电路的两个不稳定鞍焦点失去平衡，导致了非对称共存分岔、多稳定模态等行为的产生。最后，由硬件电路实验验证了理论分析与数值仿真的正确性。
紧磁滞回线是评测物理器件或数学模型是否为忆阻的关键依据，其对称特性也是忆阻的重要特征之一。该文提出一种有源非对称忆阻二极管桥模拟器，它通过改变二极管桥中并联二极管的数量可实现紧磁滞回线非对称度的控制。首先，验证了该非对称忆阻模拟器的指纹特征，并着重探讨了激励频率和对称度控制参数对紧磁滞回线非对称度的影响。进一步地，将该非对称忆阻模拟器耦合到Sallen-Key高通滤波器，构建了一种无感忆阻蔡氏电路；建立了相应的无量纲系统，并揭示了系统吸引子的非对称演化现象。结合平衡点稳定性分析、分岔分析和多吸引子状态初值空间分布，阐明了吸引子非对称演化的产生机理。结果表明，受非对称忆阻的影响，无感忆阻蔡氏电路的两个不稳定鞍焦点失去平衡，导致了非对称共存分岔、多稳定模态等行为的产生。最后，由硬件电路实验验证了理论分析与数值仿真的正确性。
2022, 44(6): 2110-2118.
doi: 10.11999/JEIT210216
摘要:
DNA分子逻辑电路的设计是DNA计算领域的重要研究方向。该文针对当前双轨分子逻辑电路复杂度高、响应时间慢的问题，提出一种基于域编码策略的DNA逻辑电路设计的新方法。该文设计了“多输入1输出”逻辑运算模块，构建了扇出门和放大器，并利用所构建的电路模块搭建了4位平方根分子逻辑电路，与经典的双轨策略下的4位平方根电路相比，反应物的数量由双轨的130种降低为61种，系统响应时间缩减为双轨的1/24，大大简化了电路的复杂度，提高了系统的响应速度，进一步验证了域编码策略在分子逻辑电路设计中的有效性。为了深度解析基于域编码策略的大规模复杂分子逻辑电路的设计思想，该文构造了“余三码四位减法器”，为设计大规模功能性DNA逻辑电路提供了更多的解决方案。
DNA分子逻辑电路的设计是DNA计算领域的重要研究方向。该文针对当前双轨分子逻辑电路复杂度高、响应时间慢的问题，提出一种基于域编码策略的DNA逻辑电路设计的新方法。该文设计了“多输入1输出”逻辑运算模块，构建了扇出门和放大器，并利用所构建的电路模块搭建了4位平方根分子逻辑电路，与经典的双轨策略下的4位平方根电路相比，反应物的数量由双轨的130种降低为61种，系统响应时间缩减为双轨的1/24，大大简化了电路的复杂度，提高了系统的响应速度，进一步验证了域编码策略在分子逻辑电路设计中的有效性。为了深度解析基于域编码策略的大规模复杂分子逻辑电路的设计思想，该文构造了“余三码四位减法器”，为设计大规模功能性DNA逻辑电路提供了更多的解决方案。
2022, 44(6): 2119-2126.
doi: 10.11999/JEIT210382
摘要:
在高分辨体制下海杂波与海面小目标具有复杂的特性，特别是对于雷达散射截面积较小的海面漂浮目标，传统的检测方法性能不佳。为了突破临界信杂比情况下的检测性能，可以提取雷达回波的一种或者多种特征，从而进行特征检测，该方法是实现临界信杂比情况下有效检测的重要途经。目前，在3维及以下的特征空间中可以使用凸包学习算法计算判决区域并有效地控制虚警概率，但是在3维以上的特征空间中凸包学习算法计算复杂度提高，难以进行检测。针对这个问题，该文提出一种基于标签传播算法的海面小目标检测方法，它突破了凸包学习算法的维数限制和决策域必须为凸集的形状限制，能够在高维特征空间进行检测并有效地控制虚警。经过实测数据集验证，基于标签传播算法的海面小目标检测方法在0.512 s和1.024 s的观测时间内分别获得了88.4%和92.0%的检测概率，相比于基于K近邻(KNN)的检测器有了3.3%和2.8%的检测概率提升。
在高分辨体制下海杂波与海面小目标具有复杂的特性，特别是对于雷达散射截面积较小的海面漂浮目标，传统的检测方法性能不佳。为了突破临界信杂比情况下的检测性能，可以提取雷达回波的一种或者多种特征，从而进行特征检测，该方法是实现临界信杂比情况下有效检测的重要途经。目前，在3维及以下的特征空间中可以使用凸包学习算法计算判决区域并有效地控制虚警概率，但是在3维以上的特征空间中凸包学习算法计算复杂度提高，难以进行检测。针对这个问题，该文提出一种基于标签传播算法的海面小目标检测方法，它突破了凸包学习算法的维数限制和决策域必须为凸集的形状限制，能够在高维特征空间进行检测并有效地控制虚警。经过实测数据集验证，基于标签传播算法的海面小目标检测方法在0.512 s和1.024 s的观测时间内分别获得了88.4%和92.0%的检测概率，相比于基于K近邻(KNN)的检测器有了3.3%和2.8%的检测概率提升。
2022, 44(6): 2127-2134.
doi: 10.11999/JEIT210335
摘要:
合成孔径成像雷达(SAR)具有数据量大、采样率高等特点，针对传统压缩感知(CS)的SAR成像存在精度低及抗噪性能差的问题，该文提出一种基于迭代近端投影(IPP)的2维欠采样合成孔径雷达成像重建方法。即通过对雷达回波构建为距离频域-方位多普勒域的2维稀疏表示模型，在此基础上将成像问题转化为距离向和方位向压缩感知稀疏重构问题，利用迭代近端投影算法的函数优化模型来表示合成孔径雷达成像中的稀疏表示，最后采用平滑削边绝对偏离(SCAD)罚函数获得近端算子以求解该模型并进行成像。仿真与实测数据处理结果表明，所提方法成像效果更好。
合成孔径成像雷达(SAR)具有数据量大、采样率高等特点，针对传统压缩感知(CS)的SAR成像存在精度低及抗噪性能差的问题，该文提出一种基于迭代近端投影(IPP)的2维欠采样合成孔径雷达成像重建方法。即通过对雷达回波构建为距离频域-方位多普勒域的2维稀疏表示模型，在此基础上将成像问题转化为距离向和方位向压缩感知稀疏重构问题，利用迭代近端投影算法的函数优化模型来表示合成孔径雷达成像中的稀疏表示，最后采用平滑削边绝对偏离(SCAD)罚函数获得近端算子以求解该模型并进行成像。仿真与实测数据处理结果表明，所提方法成像效果更好。
2022, 44(6): 2135-2142.
doi: 10.11999/JEIT210354
摘要:
重跟踪是提取高度计回波信号精确参数估计的重要步骤，现有的合成孔径雷达(SAR)高度计重跟踪估计器主要基于最小二乘法。该方法未考虑高度计各距离单元的统计特性不同对参数估计精度的影响，同时现有的加权最小二乘重跟踪估计器使用半解析模型，计算效率低，不利于应用于业务化。对此，该文利用合成孔径高度计解析化的合成孔径高度计研究与应用(SAMOSA)回波模型设计了新的加权方法，通过加权处理使高度计各距离单元的统计特性达到一致，进而提高了重跟踪估计器的测距和有效波高估计精度。该文利用Sentinel-3A卫星数据进行了验证，验证结果也表明了测距和有效波高这两个参数的估计精度均有提高：在2 m有效波高下，测距精度提高9%，有效波高精度提高了11%；在4 m有效波高下，测距精度提高13%，有效波高精度提高了20%。
重跟踪是提取高度计回波信号精确参数估计的重要步骤，现有的合成孔径雷达(SAR)高度计重跟踪估计器主要基于最小二乘法。该方法未考虑高度计各距离单元的统计特性不同对参数估计精度的影响，同时现有的加权最小二乘重跟踪估计器使用半解析模型，计算效率低，不利于应用于业务化。对此，该文利用合成孔径高度计解析化的合成孔径高度计研究与应用(SAMOSA)回波模型设计了新的加权方法，通过加权处理使高度计各距离单元的统计特性达到一致，进而提高了重跟踪估计器的测距和有效波高估计精度。该文利用Sentinel-3A卫星数据进行了验证，验证结果也表明了测距和有效波高这两个参数的估计精度均有提高：在2 m有效波高下，测距精度提高9%，有效波高精度提高了11%；在4 m有效波高下，测距精度提高13%，有效波高精度提高了20%。
2022, 44(6): 2143-2150.
doi: 10.11999/JEIT210397
摘要:
针对现有适用于单天线接收机的干扰抑制技术难以为周期调频(PFM)干扰和卫星导航信号提供足够分离度，导致消除干扰成分时卫星导航信号损伤较大的问题，该文提出一种基于周期截断数据矩阵奇异值分解的干扰抑制方法。利用调频干扰信号的周期性把分散在较大带宽的能量集中到重排数据中几个甚至单个频点；进而采用奇异值分解(SVD)将干扰与期望信号映射进不同的投影子空间以消除干扰成分。仿真结果表明该方法可以降低在剔除干扰时卫星导航信号损失，提升卫星导航接收机对抗宽带周期调频干扰的能力。
针对现有适用于单天线接收机的干扰抑制技术难以为周期调频(PFM)干扰和卫星导航信号提供足够分离度，导致消除干扰成分时卫星导航信号损伤较大的问题，该文提出一种基于周期截断数据矩阵奇异值分解的干扰抑制方法。利用调频干扰信号的周期性把分散在较大带宽的能量集中到重排数据中几个甚至单个频点；进而采用奇异值分解(SVD)将干扰与期望信号映射进不同的投影子空间以消除干扰成分。仿真结果表明该方法可以降低在剔除干扰时卫星导航信号损失，提升卫星导航接收机对抗宽带周期调频干扰的能力。
2022, 44(6): 2151-2157.
doi: 10.11999/JEIT210274
摘要:
旋转永磁体天线作为一种新型低频磁天线，克服了传统低频线圈体积大、功耗高、效率低的缺点，主要应用于近场低频磁通信中。该文利用FEKO分析了天线近区磁场随方向的变化规律，探究了近场范围内无限大地面对天线近区磁场分布的影响，结果表明：天线在其径向辐射强度最大，在其轴向辐射强度最小。并且在较近的通信距离范围内，地面对磁场信号的影响较小。分析了转动惯量和磁矩之间的关系，对永磁体结构参数进行了优化，研制了两款样机，并对优化前后的旋转永磁体天线功耗进行测试，实验结果表明：在质量大30 g的情况下，优化后的永磁体天线比优化前的天线平均功耗低5.5 W左右。利用直接天线调制方式磁场的2FSK调制，通过非相干解调恢复码元信息，测试结果表明：复杂电磁环境下，优化后的永磁体天线可以在20 m范围内实现码元速率为3.5 bps的超低频通信。
旋转永磁体天线作为一种新型低频磁天线，克服了传统低频线圈体积大、功耗高、效率低的缺点，主要应用于近场低频磁通信中。该文利用FEKO分析了天线近区磁场随方向的变化规律，探究了近场范围内无限大地面对天线近区磁场分布的影响，结果表明：天线在其径向辐射强度最大，在其轴向辐射强度最小。并且在较近的通信距离范围内，地面对磁场信号的影响较小。分析了转动惯量和磁矩之间的关系，对永磁体结构参数进行了优化，研制了两款样机，并对优化前后的旋转永磁体天线功耗进行测试，实验结果表明：在质量大30 g的情况下，优化后的永磁体天线比优化前的天线平均功耗低5.5 W左右。利用直接天线调制方式磁场的2FSK调制，通过非相干解调恢复码元信息，测试结果表明：复杂电磁环境下，优化后的永磁体天线可以在20 m范围内实现码元速率为3.5 bps的超低频通信。
2022, 44(6): 2158-2165.
doi: 10.11999/JEIT210349
摘要:
在中大规模无人机干扰资源调度中，针对现有模型约束条件简单、调度算法适用规模较小的问题，该文提出了带最少任务数约束的资源调度模型，以最大化干扰效益和最小化成本为目标，用层次分析法对效益与成本指标赋权，并设计了一种用精英集加快收敛的改进并行遗传算法。在中等规模和500:500(干扰资源数:目标数)的更大规模仿真实验中，所提算法与遗传算法、非支配排序遗传算法II、修复遗传算法、基于岛屿模型的并行遗传算法和自适应模拟退火遗传禁忌搜索算法的性能相比，能在更短的时长内达到较优的目标函数值。
在中大规模无人机干扰资源调度中，针对现有模型约束条件简单、调度算法适用规模较小的问题，该文提出了带最少任务数约束的资源调度模型，以最大化干扰效益和最小化成本为目标，用层次分析法对效益与成本指标赋权，并设计了一种用精英集加快收敛的改进并行遗传算法。在中等规模和500:500(干扰资源数:目标数)的更大规模仿真实验中，所提算法与遗传算法、非支配排序遗传算法II、修复遗传算法、基于岛屿模型的并行遗传算法和自适应模拟退火遗传禁忌搜索算法的性能相比，能在更短的时长内达到较优的目标函数值。
2022, 44(6): 2166-2174.
doi: 10.11999/JEIT210386
摘要:
针对低照度图像增强算法在实现细节增强的同时对噪声抑制考虑的不足问题，该文提出一种基于深度卷积神经网络的无参考低照度图像增强方法。首先，基于Retinex理论从输入的低照度图像中提取照射分量和反射分量，并分别对二者进行优化，随后将优化后的照射分量和反射分量相乘得到增强后的图像；同时，将3D块匹配(BM3D)的去噪效果融合进反射分量的优化过程中；最后，采用无参考图像训练的方式，并配合改进后的趋势一致性损失对网络参数进行更新。实验结果表明，该文算法相较于现有的主流算法，可有效地提升低照度图像的对比度和亮度，同时保持图像的自然性。
针对低照度图像增强算法在实现细节增强的同时对噪声抑制考虑的不足问题，该文提出一种基于深度卷积神经网络的无参考低照度图像增强方法。首先，基于Retinex理论从输入的低照度图像中提取照射分量和反射分量，并分别对二者进行优化，随后将优化后的照射分量和反射分量相乘得到增强后的图像；同时，将3D块匹配(BM3D)的去噪效果融合进反射分量的优化过程中；最后，采用无参考图像训练的方式，并配合改进后的趋势一致性损失对网络参数进行更新。实验结果表明，该文算法相较于现有的主流算法，可有效地提升低照度图像的对比度和亮度，同时保持图像的自然性。
2022, 44(6): 2175-2183.
doi: 10.11999/JEIT210344
摘要:
针对无锚框目标检测算法CenterNet中，目标特征利用程度不高、检测结果不够准确的问题，该文提出一种双分支特征融合的改进算法。在算法中，一个分支包含了特征金字塔增强模块和特征融合模块，以对主干网络输出的多层特征进行融合处理。同时，为利用更多的高级语义信息，在另一个分支中仅对主干网络的最后一层特征进行上采样。其次，对主干网络添加了基于频率的通道注意力机制，以增强特征提取能力。最后，采用拼接和卷积操作对两个分支的特征进行融合。实验结果表明，在公开数据集PASCAL VOC上的检测精度为82.3%，比CenterNet算法提高了3.6%，在KITTI数据集上精度领先其6%，检测速度均满足实时性要求。该文提出的双分支特征融合方法将不同层的特征进行处理，更好地利用浅层特征中的空间信息和深层特征中的语义信息，提升了算法的检测性能。
针对无锚框目标检测算法CenterNet中，目标特征利用程度不高、检测结果不够准确的问题，该文提出一种双分支特征融合的改进算法。在算法中，一个分支包含了特征金字塔增强模块和特征融合模块，以对主干网络输出的多层特征进行融合处理。同时，为利用更多的高级语义信息，在另一个分支中仅对主干网络的最后一层特征进行上采样。其次，对主干网络添加了基于频率的通道注意力机制，以增强特征提取能力。最后，采用拼接和卷积操作对两个分支的特征进行融合。实验结果表明，在公开数据集PASCAL VOC上的检测精度为82.3%，比CenterNet算法提高了3.6%，在KITTI数据集上精度领先其6%，检测速度均满足实时性要求。该文提出的双分支特征融合方法将不同层的特征进行处理，更好地利用浅层特征中的空间信息和深层特征中的语义信息，提升了算法的检测性能。
2022, 44(6): 2184-2194.
doi: 10.11999/JEIT210321
摘要:
现有的大多数知识表示学习模型孤立地看待每个知识三元组，未能发现和利用实体周围邻域特征信息，并且将树状层级结构的知识图谱嵌入到欧式空间，会带来嵌入式向量高度失真的问题。为解决上述问题，该文提出了一种基于双曲图注意力网络的知识图谱链路预测方法(HyGAT-LP)。首先将知识图谱嵌入到负常数曲率的双曲空间中，从而更契合知识图谱的树状层级结构；然后在所给实体领域内基于实体和关系两种层面的注意力机制聚合邻域特征信息，将实体嵌入到低维的双曲空间；最后利用得分函数计算每个三元组的得分值，并以此作为判定该三元组成立的依据完成知识图谱上的链路预测任务。实验结果表明，与基准模型相比，所提方法可显著提高知识图谱链路预测性能。
现有的大多数知识表示学习模型孤立地看待每个知识三元组，未能发现和利用实体周围邻域特征信息，并且将树状层级结构的知识图谱嵌入到欧式空间，会带来嵌入式向量高度失真的问题。为解决上述问题，该文提出了一种基于双曲图注意力网络的知识图谱链路预测方法(HyGAT-LP)。首先将知识图谱嵌入到负常数曲率的双曲空间中，从而更契合知识图谱的树状层级结构；然后在所给实体领域内基于实体和关系两种层面的注意力机制聚合邻域特征信息，将实体嵌入到低维的双曲空间；最后利用得分函数计算每个三元组的得分值，并以此作为判定该三元组成立的依据完成知识图谱上的链路预测任务。实验结果表明，与基准模型相比，所提方法可显著提高知识图谱链路预测性能。
2022, 44(6): 2195-2206.
doi: 10.11999/JEIT210322
摘要:
种群规模是决定算法性能最重要的参数，其大小会引发算法过早收敛或效率低下等问题。该文提出一种基于欧氏距离的种群规模动态控制方法(EDPS)，通过引入欧氏距离建立核心圆域，利用核心圆域反馈的信息动态控制种群规模，提出基于核心圆域的增加/删除个体数目的方法。将该方法运用到粒子群算法、遗传算法和差分进化算法中，对收敛性进行分析，在测试函数上对其性能进行测试，实验结果表明了所提新策略的有效性。
种群规模是决定算法性能最重要的参数，其大小会引发算法过早收敛或效率低下等问题。该文提出一种基于欧氏距离的种群规模动态控制方法(EDPS)，通过引入欧氏距离建立核心圆域，利用核心圆域反馈的信息动态控制种群规模，提出基于核心圆域的增加/删除个体数目的方法。将该方法运用到粒子群算法、遗传算法和差分进化算法中，对收敛性进行分析，在测试函数上对其性能进行测试，实验结果表明了所提新策略的有效性。
2022, 44(6): 2207-2215.
doi: 10.11999/JEIT210333
摘要:
高光谱图像的低空间分辨率特性往往导致全局纹理提取技术难以获取地物要素的精准纹理信息，同时，单一尺度的局部纹理提取技术难以达到有效识别地物的目的。基于此，该文设计了一种多尺度超像素纹理保持与融合(MSuTPF)的高光谱图像分类方法，主要架构如下：首先，利用2D Gabor滤波器对高光谱图像进行多方向与尺度的全局纹理提取，并通过融合各尺度的纹理特征，增强纹理结构表征能力；其次，融合纹理与光谱主成分特征以形成光谱-纹理联合判别特征；再次，采用形状自适应的超分割方法，作用至光谱-纹理联合特征进行局部纹理信息保持与融合，尤其是，为克服超像素邻域像元的隐性不相关问题，该文定义了基于密度最近邻相似性评价准则，使超像素纹理进一步趋于一致性；最后，将各更新的光谱-纹理联合特征输入像素级分类器获取其对应的类标签，并采用多数表决的决策融合机制取得最终分类结果。Indian Pines和Pavia University真实数据集的实验表明，该方法在小样本条件下的分类精度优于基准分类器(SVM)、深度学习方法(GFDN)以及最新的空-谱分类方法(S3-PCA)等8个对比方法，充分证明了该文所提方法的实用性和有效性。
高光谱图像的低空间分辨率特性往往导致全局纹理提取技术难以获取地物要素的精准纹理信息，同时，单一尺度的局部纹理提取技术难以达到有效识别地物的目的。基于此，该文设计了一种多尺度超像素纹理保持与融合(MSuTPF)的高光谱图像分类方法，主要架构如下：首先，利用2D Gabor滤波器对高光谱图像进行多方向与尺度的全局纹理提取，并通过融合各尺度的纹理特征，增强纹理结构表征能力；其次，融合纹理与光谱主成分特征以形成光谱-纹理联合判别特征；再次，采用形状自适应的超分割方法，作用至光谱-纹理联合特征进行局部纹理信息保持与融合，尤其是，为克服超像素邻域像元的隐性不相关问题，该文定义了基于密度最近邻相似性评价准则，使超像素纹理进一步趋于一致性；最后，将各更新的光谱-纹理联合特征输入像素级分类器获取其对应的类标签，并采用多数表决的决策融合机制取得最终分类结果。Indian Pines和Pavia University真实数据集的实验表明，该方法在小样本条件下的分类精度优于基准分类器(SVM)、深度学习方法(GFDN)以及最新的空-谱分类方法(S3-PCA)等8个对比方法，充分证明了该文所提方法的实用性和有效性。
2022, 44(6): 2216-2229.
doi: 10.11999/JEIT210161
摘要:
雷达辐射源个体识别通过提取个体特征来辨识雷达个体，是电子对抗领域的热点研究方向。近年来随着深度学习的飞速发展及其在各领域的成功应用，基于深度学习的雷达辐射源个体识别成为焦点。虽然研究多年，成果丰富，但目前尚缺少关于该方向全面、细致的综述。基于此，该文从雷达辐射源个体特征机理分析、基于手工特征的识别方法、基于深度学习的识别方法以及数据集构建4个方面着手，对雷达辐射源个体识别开展系统的综述工作，并对当前现状和未来方向进行总结与展望，旨在推动雷达辐射源个体识别理论和方法研究的新发展。
雷达辐射源个体识别通过提取个体特征来辨识雷达个体，是电子对抗领域的热点研究方向。近年来随着深度学习的飞速发展及其在各领域的成功应用，基于深度学习的雷达辐射源个体识别成为焦点。虽然研究多年，成果丰富，但目前尚缺少关于该方向全面、细致的综述。基于此，该文从雷达辐射源个体特征机理分析、基于手工特征的识别方法、基于深度学习的识别方法以及数据集构建4个方面着手，对雷达辐射源个体识别开展系统的综述工作，并对当前现状和未来方向进行总结与展望，旨在推动雷达辐射源个体识别理论和方法研究的新发展。
2022, 44(6): 2230-2244.
doi: 10.11999/JEIT210330
摘要:
SRAM型现场可编程门阵列(FPGA)在空间辐射环境中容易受到单粒子效应的影响，从而发生软错误，三模冗余技术(TMR)是目前使用最广泛的缓解FPGA软错误的电路加固技术。该文首先介绍了三模冗余技术研究现状，然后总结了三模冗余工具常用的细粒度TMR技术、系统分级技术、配置刷新技术、状态同步技术4项关键技术及其实现原理。随着FPGA的高层次综合技术愈发成熟，基于高层次综合的三模冗余工具逐渐成为新的研究分支，该文分类介绍了当前主流的基于寄存器传输级的三模冗余工具，基于重要软核资源的三模冗余工具，以及新兴的基于高层次综合的三模冗余工具，最后对FPGA三模冗余工具的未来发展趋势进行了总结与展望。
SRAM型现场可编程门阵列(FPGA)在空间辐射环境中容易受到单粒子效应的影响，从而发生软错误，三模冗余技术(TMR)是目前使用最广泛的缓解FPGA软错误的电路加固技术。该文首先介绍了三模冗余技术研究现状，然后总结了三模冗余工具常用的细粒度TMR技术、系统分级技术、配置刷新技术、状态同步技术4项关键技术及其实现原理。随着FPGA的高层次综合技术愈发成熟，基于高层次综合的三模冗余工具逐渐成为新的研究分支，该文分类介绍了当前主流的基于寄存器传输级的三模冗余工具，基于重要软核资源的三模冗余工具，以及新兴的基于高层次综合的三模冗余工具，最后对FPGA三模冗余工具的未来发展趋势进行了总结与展望。
