本書以水聲微弱信號檢測系統(tǒng)為主線進行教學內容設計與編排，以水中弱小目標自主檢測為應用背景，突出系統(tǒng)的總體概念，從不同的角度揭示微弱信號檢測的機理并給出實現(xiàn)方法。教材內容共分5部分，12個章節(jié)，包含微弱信號檢測的基本概念及基礎理論、濾波理論、經(jīng)典檢測方法、其他檢測方法以及微弱信號檢測系統(tǒng)設計。本教材旨在令學生掌握微弱信號檢測技術及系統(tǒng)必備的基礎理論知識，體會和領悟系統(tǒng)的設計方法與設計原則，使學生初步具備解決實際問題能力。本書可作為兵器科學與技術、信息與通信工程、檢測技術與自動化裝置、機械電子工程、水聲工程等相關專業(yè)的研究生和高年級本科生的教材，也可供有關聲吶、雷達、通信、醫(yī)學、生命科學、故障診斷等領域專業(yè)工程技術人員自學參考。在本教材第一章概論中詳細給出了教材章節(jié)安排及教學建議，其中標注*的部分章節(jié)內容，涉及的知識面廣，限于篇幅寫得比較簡要，適合于研究生選用。
王海燕，西安工程大學校長，博士，博士，教授，博士生導師。
目錄
摘要 1
第一章 概論 1
1.1 微弱信號檢測基本概念及檢測系統(tǒng)的組成 1
1.2 微弱信號檢測的特點 2
1.3 教材章節(jié)安排及教學建議 3
第一章習題 4
第二章 統(tǒng)計檢測基本理論 5
2.1 似然比檢測基本理論 5
2.1.1 似然比函數(shù) 5
2.1.2 二元信號統(tǒng)計檢測的模型 6
2.1.3 貝葉斯準則 8
2.1.4 奈曼——皮爾遜準則 12
2.1.5 二元統(tǒng)計檢測的一般步驟 15
2.2 檢測性能討論 15
2.2.1 檢驗統(tǒng)計量 15
2.2.2 檢測性能與信噪比的關系 16
2.2.3 檢測性能與檢驗統(tǒng)計量、概率分布之間的關系 18
2.3蒙特卡洛性能評估 19
第二章習題 20
第三章 信號、干擾的模型及特征 23
3.1 觀測樣本模型 23
3.2 水聲信道的模型與特征 24
3.3 檢測中信號的模型與特征 26
3.3.1 常用主動檢測系統(tǒng)發(fā)射信號及特征 26
3.3.2 主動檢測中目標回波信號的模型與特征 29
3.3.3 被動檢測中艦船輻射聲信號的模型與特征 34
3.3.4 目標檢測中信號的特征 36
3.4 檢測中噪聲及干擾的模型與特征 36
3.4.1 海洋環(huán)境噪聲的特征 37
3.4.2 艦船、潛艇、魚雷的自噪聲 38
3.4.3 海洋中的混響特征 38
3.4.4 目標檢測中典型噪聲的模型 41
3.5 觀測樣本的表示方法及信噪比定義 48
3.5.1 解析信號 48
3.5.2 窄帶信號的復數(shù)表示 50
3.5.3 信號的數(shù)字表示 52
3.5.4 微弱信號檢測的信噪比及信噪比增益 57
3.6 微弱信號檢測的內容體系 58
第三章習題 59
第四章 微弱信號檢測的時域濾波 61
4.1匹配濾波器 61
4.1.1 最大輸出信噪比模型 61
4.1.2 白噪聲背景下的匹配濾波器 62
4.1.3 白噪聲背景下匹配濾波器的信噪比增益 63
4.1.4 色噪聲背景下的廣義匹配濾波器 63
4.1.5 匹配濾波器的檢測性能 65
4.1.6 匹配濾波器的適應性 68
4.1.7 兩種常用主動發(fā)射信號匹配濾波器輸出特性 69
4.2相關濾波器 71
4.2.1 自相關與互相關濾波器 71
4.2.2 相關濾波器及與匹配濾波器的關系 74
4.2.3 相關函數(shù)的估計方法 75
4.2.4 相關函數(shù)的算法實現(xiàn) 77
4.3 相干濾波器 78
4.3.1 相干濾波器 78
4.3.2 低通濾波與積分器之間的關系 80
4.4 梳狀濾波——時域同步平均 81
4.4.1. 白噪聲時域同步平均濾波的信噪比增益 81
4.4.2. 色噪聲時域同步平均濾波的信噪比增益 82
4.4.3. 時域同步平均濾波的頻域描述 83
4.4.4 時域同步平均與譜分析的區(qū)別 86
4.4.5. 信號周期T的估計 86
4.5 維納濾波與自適應濾波 87
4.5.1 最小均方誤差的維納濾波器 87
4.5.2 自適應濾波 89
4.5.3 LMS自適應濾波算法 91
4.5.4 單頻信號時域濾波——LMS算法應用1 92
第四章習題 94
第五章 微弱信號檢測的其他域濾波 95
5.1 頻域濾波——傅里葉變換 95
5.1.1 離散傅里葉變換(DFT) 96
5.1.2 線性調頻Z變換（CZT） 97
5.1.3離散傅里葉變換頻域濾波的信噪比增益 101
5.2 空域濾波——波束形成 102
5.2.1 波束形成基本原理 103
5.2.2 線列陣波束形成 105
5.2.3 環(huán)形陣與多波束 109
5.2.4 空域窄帶波束形成——LMS算法應用2 110
5.2.5 空域濾波的信噪比增益 111
5.3 信道濾波——時間反轉 114
5.3.1 時間反轉聚焦的基本概念 114
5.3.2 時間反轉的信噪比增益 117
第五章習題： 119
目錄
第六章 高斯背景中確定性信號的檢測 120
6.1 帶限高斯白噪聲中確知信號的檢測 120
6.1.1最佳接收機設計 120
6.1.2最佳接收機的檢測性能 122
6.2 高斯白噪聲中具有未知參量信號的廣義似然比檢測 125
6.2.1 廣義似然比方法原理 126
6.2.2 高斯白噪聲中未知到達時間信號的檢測 127
6.2.3 高斯白噪聲中幅度未知信號的檢測 128
6.2.4 高斯白噪聲中單頻信號的檢測 131
6.2.5 周期圖譜估計對單頻信號的檢測性能 137
6.3 艦船輻射噪聲的線譜檢測方法 141
6.3.1 隨機過程和隨機序列的功率譜 141
6.3.2 經(jīng)典功率譜估計方法 143
6.3.3 艦船輻射噪聲包絡譜的獲取 150
6.3.4 線譜檢測中譜峰的獲取方法 151
6.3.5干擾背景的平滑處理[1] 152
第六章習題 154
第七章 高斯背景中隨機信號的檢測 156
7.1高斯分布信號方差已知的檢測 156
7.1.1 帶限白譜信號的檢測 156
7.1.2 非白不相關信號的檢測 158
7.1.3 非白相關信號的檢測 160
7.2高斯分布信號方差未知的檢測 163
7.2.1 信號方差頻域估計的最佳接收機 163
7.2.2 帶限白譜的預選濾波器分析 165
7.2.3 非白譜的預選濾波器分析 166
7.2.4 積分器的信噪比增益 168
7.2.5 實用能量檢測器的檢測性能 171
第七章習題 173
第八章 時變高斯背景的恒虛警檢測 174
8.1 高斯分布時變背景中的恒虛警門限 174
8.1.1 高斯分布隨機過程的歸一化方法及點估計 175
8.1.2 方差已知時均值的置信區(qū)間估計 176
8.1.3 方差未知時均值的置信區(qū)間估計 177
8.1.4 Neyman-Pearson準則自動門限與上置信限的關系 178
8.2 慢時變背景中的時域自動門限形成技術 178
8.2.1 均勻加權平均與指數(shù)加權平均 178
8.2.2連續(xù)滑動平均與自動門限 179
8.3 混響背景中浮動門限恒虛警檢測及性能 181
8.3.1 混響自回歸（AR）模型 181
8.3.2 預白化匹配濾波 182
8.3.3 自適應浮動門限檢測 182
8.3.4 檢測性能分析 184
第八章習題 185
第九章 廣義匹配隨機共振檢測理論與方法 186
9.1 隨機共振基本理論 186
9.1.1 隨機共振的內涵與模型 186
9.1.2 雙穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng) 188
9.1.3 絕熱近似理論 190
9.1.4 線性響應理論 193
9.2 噪聲增強的隨機共振檢測理論：添加噪聲增強次優(yōu)檢測器“上界” 195
9.3 廣義匹配隨機共振檢測理論模型：多自由度的動態(tài)非線性濾波器 198
9.4 過阻尼雙穩(wěn)態(tài)匹配隨機共振的微弱信號增強檢測方法 200
9.4.1 雙穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)的數(shù)值求解 200
9.4.2 動態(tài)過阻尼雙穩(wěn)態(tài)匹配隨機共振的線譜增強檢測方法 202
9.4.3 基于峰值信噪比的匹配隨機共振甚低頻線譜優(yōu)化檢測方法 207
9.4.4 非高斯脈沖噪聲下的匹配隨機共振檢測性能分析 208
第九章習題 216
第十章 基于高階統(tǒng)計量的信號檢測 217
10.1 高階矩和高階累積量概念 217
10.1.1 單個隨機變量情況 217
10.1.2 多個隨機變量情況 218
10.1.3 平穩(wěn)隨機過程情況 218
10.2. 高斯隨機過程的高階矩和高階累積量 219
10.2.1 單個變量情況 219
10.2.2 高斯隨機過程情況 220
10.3. 高階矩譜和高階累積量譜 221
10.3.1 高階矩譜和高階累積量譜概念 221
10.3.2 雙譜的性質及估計方法 222
10.3.3 雙譜的估計方法 223
10.3.4 累積量譜的一維切片 224
10.3.5 1?譜的估計方法及對噪聲的抑制 225
10.4 基于高階累積量譜的信號檢測 226
10.4.1雙譜的信號檢測模型 227
10.4.2雙譜的信號檢測性能仿真 229
10.5 基于高階矩的信號檢測 231
10.5.1 三階矩的信號檢測模型 232
10.5.2 三階矩的檢測性能仿真 234
第十章習題 236
第十一章 預警（值更）輕量化檢測方法 237
11.1 時變背景帶限信號數(shù)字檢測 237
11.2 二項檢測方法 238
11.2.1 二項檢測方法原理 238
11.2.2 二項檢測雙門限的關系 239
11.3 過零檢測方法 241
11.3.1 過零檢測原理 241
11.3.2 時變背景的過零檢測方法 243
11.5 強隨機脈沖干擾的符合檢測方法 244
11.6 序列檢測 246
11.4 極性相關檢測方法 248
11.7 檢測系統(tǒng)的平均功耗與預警檢測可靠性的關系 248
第十一章習題 249
第十二章 水聲微弱信號檢測系統(tǒng)設計 250
12.1 聲納參數(shù)與聲納方程 250
12.1.1聲納參數(shù) 250
12.1.2主動聲納方程 254
12.1.3 被動聲納方程 254
12.1.4應用聲納方程的說明 254
12.2 水聲檢測系統(tǒng)總體設計與參數(shù)計算 255
12.2.1 兩種主動聲納方程的選擇 255
12.2.2 信號接收機的分類與構成 256
12.2.3 主動回聲檢測的聲源級計算 258
12.2.4 主動聲納的空化現(xiàn)象與近場效應 260
12.2.4 被動聲檢測的聲源譜級計算 261
12.2.5 海洋環(huán)境噪聲級與混響級的計算 263
12.2.6 回聲強度級的計算 266
12.2.7 接收機檢測閾和門限值 270
12.2.8 接收機靈敏度計算 272
12.3 水聲低噪聲接收機電路設計 272
12.3.1 放大器概述 272
12.3.2 放大器的噪聲指標與噪聲特性 273
12.3.3 放大器的有源器件選擇 275
12.3.4 常用的晶體管放大電路 277
12.3.5 負反饋運算放大器電路 279
12.3.6 接收機的阻抗匹配 280
12.3.7 低噪聲接收機的電源與接地 284
12.4 接收機的頻帶選擇與增益控制 285
12.4.1 水聲最佳工作頻率 285
12.4.2 接收機的通頻帶 288
12.4.3 接收機常用有源濾波器設計 289
12.4.4 兩類常用有源濾波器電路拓撲結構 294
12.4.5 接收機自動增益控制電路原理及指標 296
12.4.6 接收機自動增益控制電路的實現(xiàn)方式 298
12.4.7 典型水聲低功耗接收機的自動增益控制電路設計 301
附錄A 一些常用隨機變量的分布 306
A.1高斯分布 306
A.2 瑞利分布 307
A.3 廣義瑞利分布 308
A.4 和分布 308
A.5非中心化分布 311
A.6 穩(wěn)定分布 312
附錄B 檢測中常用隨機過程的特征 313
B.1 各態(tài)歷經(jīng)性的隨機過程的時間平均與統(tǒng)計平均 313
B.2 隨機過程的平穩(wěn)性 315
B.3 隨機過程的正交、不相關和統(tǒng)計獨立 315
B.4 隨機過程的功率譜密度 316
參考文獻 317
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