本书以水声微弱信号检测系统为主线进行教学内容设计与编排，以水中弱小目标自主检测为应用背景，突出系统的总体概念，从不同的角度揭示微弱信号检测的机理并给出实现方法。教材内容共分5部分，12个章节，包含微弱信号检测的基本概念及基础理论、滤波理论、经典检测方法、其他检测方法以及微弱信号检测系统设计。本教材旨在令学生掌握微弱信号检测技术及系统必备的基础理论知识，体会和领悟系统的设计方法与设计原则，使学生初步具备解决实际问题能力。本书可作为兵器科学与技术、信息与通信工程、检测技术与自动化装置、机械电子工程、水声工程等相关专业的研究生和高年级本科生的教材，也可供有关声呐、雷达、通信、医学、生命科学、故障诊断等领域专业工程技术人员自学参考。在本教材第一章概论中详细给出了教材章节安排及教学建议，其中标注*的部分章节内容，涉及的知识面广，限于篇幅写得比较简要，适合于研究生选用。

王海燕，西安工程大学校长，博士，博士，教授，博士生导师。

目录
摘要 1
第一章 概论 1
1.1 微弱信号检测基本概念及检测系统的组成 1
1.2 微弱信号检测的特点 2
1.3 教材章节安排及教学建议 3
第一章习题 4
第二章 统计检测基本理论 5
2.1 似然比检测基本理论 5
2.1.1 似然比函数 5
2.1.2 二元信号统计检测的模型 6
2.1.3 贝叶斯准则 8
2.1.4 奈曼——皮尔逊准则 12
2.1.5 二元统计检测的一般步骤 15
2.2 检测性能讨论 15
2.2.1 检验统计量 15
2.2.2 检测性能与信噪比的关系 16
2.2.3 检测性能与检验统计量、概率分布之间的关系 18
2.3蒙特卡洛性能评估 19
第二章习题 20
第三章 信号、干扰的模型及特征 23
3.1 观测样本模型 23
3.2 水声信道的模型与特征 24
3.3 检测中信号的模型与特征 26
3.3.1 常用主动检测系统发射信号及特征 26
3.3.2 主动检测中目标回波信号的模型与特征 29
3.3.3 被动检测中舰船辐射声信号的模型与特征 34
3.3.4 目标检测中信号的特征 36
3.4 检测中噪声及干扰的模型与特征 36
3.4.1 海洋环境噪声的特征 37
3.4.2 舰船、潜艇、鱼雷的自噪声 38
3.4.3 海洋中的混响特征 38
3.4.4 目标检测中典型噪声的模型 41
3.5 观测样本的表示方法及信噪比定义 48
3.5.1 解析信号 48
3.5.2 窄带信号的复数表示 50
3.5.3 信号的数字表示 52
3.5.4 微弱信号检测的信噪比及信噪比增益 57
3.6 微弱信号检测的内容体系 58
第三章习题 59
第四章 微弱信号检测的时域滤波 61
4.1匹配滤波器 61
4.1.1 最大输出信噪比模型 61
4.1.2 白噪声背景下的匹配滤波器 62
4.1.3 白噪声背景下匹配滤波器的信噪比增益 63
4.1.4 色噪声背景下的广义匹配滤波器 63
4.1.5 匹配滤波器的检测性能 65
4.1.6 匹配滤波器的适应性 68
4.1.7 两种常用主动发射信号匹配滤波器输出特性 69
4.2相关滤波器 71
4.2.1 自相关与互相关滤波器 71
4.2.2 相关滤波器及与匹配滤波器的关系 74
4.2.3 相关函数的估计方法 75
4.2.4 相关函数的算法实现 77
4.3 相干滤波器 78
4.3.1 相干滤波器 78
4.3.2 低通滤波与积分器之间的关系 80
4.4 梳状滤波——时域同步平均 81
4.4.1. 白噪声时域同步平均滤波的信噪比增益 81
4.4.2. 色噪声时域同步平均滤波的信噪比增益 82
4.4.3. 时域同步平均滤波的频域描述 83
4.4.4 时域同步平均与谱分析的区别 86
4.4.5. 信号周期T的估计 86
4.5 维纳滤波与自适应滤波 87
4.5.1 最小均方误差的维纳滤波器 87
4.5.2 自适应滤波 89
4.5.3 LMS自适应滤波算法 91
4.5.4 单频信号时域滤波——LMS算法应用1 92
第四章习题 94
第五章 微弱信号检测的其他域滤波 95
5.1 频域滤波——傅里叶变换 95
5.1.1 离散傅里叶变换(DFT) 96
5.1.2 线性调频Z变换（CZT） 97
5.1.3离散傅里叶变换频域滤波的信噪比增益 101
5.2 空域滤波——波束形成 102
5.2.1 波束形成基本原理 103
5.2.2 线列阵波束形成 105
5.2.3 环形阵与多波束 109
5.2.4 空域窄带波束形成——LMS算法应用2 110
5.2.5 空域滤波的信噪比增益 111
5.3 信道滤波——时间反转 114
5.3.1 时间反转聚焦的基本概念 114
5.3.2 时间反转的信噪比增益 117
第五章习题： 119
目录
第六章 高斯背景中确定性信号的检测 120
6.1 带限高斯白噪声中确知信号的检测 120
6.1.1最佳接收机设计 120
6.1.2最佳接收机的检测性能 122
6.2 高斯白噪声中具有未知参量信号的广义似然比检测 125
6.2.1 广义似然比方法原理 126
6.2.2 高斯白噪声中未知到达时间信号的检测 127
6.2.3 高斯白噪声中幅度未知信号的检测 128
6.2.4 高斯白噪声中单频信号的检测 131
6.2.5 周期图谱估计对单频信号的检测性能 137
6.3 舰船辐射噪声的线谱检测方法 141
6.3.1 随机过程和随机序列的功率谱 141
6.3.2 经典功率谱估计方法 143
6.3.3 舰船辐射噪声包络谱的获取 150
6.3.4 线谱检测中谱峰的获取方法 151
6.3.5干扰背景的平滑处理[1] 152
第六章习题 154
第七章 高斯背景中随机信号的检测 156
7.1高斯分布信号方差已知的检测 156
7.1.1 带限白谱信号的检测 156
7.1.2 非白不相关信号的检测 158
7.1.3 非白相关信号的检测 160
7.2高斯分布信号方差未知的检测 163
7.2.1 信号方差频域估计的最佳接收机 163
7.2.2 带限白谱的预选滤波器分析 165
7.2.3 非白谱的预选滤波器分析 166
7.2.4 积分器的信噪比增益 168
7.2.5 实用能量检测器的检测性能 171
第七章习题 173
第八章 时变高斯背景的恒虚警检测 174
8.1 高斯分布时变背景中的恒虚警门限 174
8.1.1 高斯分布随机过程的归一化方法及点估计 175
8.1.2 方差已知时均值的置信区间估计 176
8.1.3 方差未知时均值的置信区间估计 177
8.1.4 Neyman-Pearson准则自动门限与上置信限的关系 178
8.2 慢时变背景中的时域自动门限形成技术 178
8.2.1 均匀加权平均与指数加权平均 178
8.2.2连续滑动平均与自动门限 179
8.3 混响背景中浮动门限恒虚警检测及性能 181
8.3.1 混响自回归（AR）模型 181
8.3.2 预白化匹配滤波 182
8.3.3 自适应浮动门限检测 182
8.3.4 检测性能分析 184
第八章习题 185
第九章 广义匹配随机共振检测理论与方法 186
9.1 随机共振基本理论 186
9.1.1 随机共振的内涵与模型 186
9.1.2 双稳态随机共振系统 188
9.1.3 绝热近似理论 190
9.1.4 线性响应理论 193
9.2 噪声增强的随机共振检测理论：添加噪声增强次优检测器“上界” 195
9.3 广义匹配随机共振检测理论模型：多自由度的动态非线性滤波器 198
9.4 过阻尼双稳态匹配随机共振的微弱信号增强检测方法 200
9.4.1 双稳态随机共振系统的数值求解 200
9.4.2 动态过阻尼双稳态匹配随机共振的线谱增强检测方法 202
9.4.3 基于峰值信噪比的匹配随机共振甚低频线谱优化检测方法 207
9.4.4 非高斯脉冲噪声下的匹配随机共振检测性能分析 208
第九章习题 216
第十章 基于高阶统计量的信号检测 217
10.1 高阶矩和高阶累积量概念 217
10.1.1 单个随机变量情况 217
10.1.2 多个随机变量情况 218
10.1.3 平稳随机过程情况 218
10.2. 高斯随机过程的高阶矩和高阶累积量 219
10.2.1 单个变量情况 219
10.2.2 高斯随机过程情况 220
10.3. 高阶矩谱和高阶累积量谱 221
10.3.1 高阶矩谱和高阶累积量谱概念 221
10.3.2 双谱的性质及估计方法 222
10.3.3 双谱的估计方法 223
10.3.4 累积量谱的一维切片 224
10.3.5 1?谱的估计方法及对噪声的抑制 225
10.4 基于高阶累积量谱的信号检测 226
10.4.1双谱的信号检测模型 227
10.4.2双谱的信号检测性能仿真 229
10.5 基于高阶矩的信号检测 231
10.5.1 三阶矩的信号检测模型 232
10.5.2 三阶矩的检测性能仿真 234
第十章习题 236
第十一章 预警（值更）轻量化检测方法 237
11.1 时变背景带限信号数字检测 237
11.2 二项检测方法 238
11.2.1 二项检测方法原理 238
11.2.2 二项检测双门限的关系 239
11.3 过零检测方法 241
11.3.1 过零检测原理 241
11.3.2 时变背景的过零检测方法 243
11.5 强随机脉冲干扰的符合检测方法 244
11.6 序列检测 246
11.4 极性相关检测方法 248
11.7 检测系统的平均功耗与预警检测可靠性的关系 248
第十一章习题 249
第十二章 水声微弱信号检测系统设计 250
12.1 声纳参数与声纳方程 250
12.1.1声纳参数 250
12.1.2主动声纳方程 254
12.1.3 被动声纳方程 254
12.1.4应用声纳方程的说明 254
12.2 水声检测系统总体设计与参数计算 255
12.2.1 两种主动声纳方程的选择 255
12.2.2 信号接收机的分类与构成 256
12.2.3 主动回声检测的声源级计算 258
12.2.4 主动声纳的空化现象与近场效应 260
12.2.4 被动声检测的声源谱级计算 261
12.2.5 海洋环境噪声级与混响级的计算 263
12.2.6 回声强度级的计算 266
12.2.7 接收机检测阈和门限值 270
12.2.8 接收机灵敏度计算 272
12.3 水声低噪声接收机电路设计 272
12.3.1 放大器概述 272
12.3.2 放大器的噪声指标与噪声特性 273
12.3.3 放大器的有源器件选择 275
12.3.4 常用的晶体管放大电路 277
12.3.5 负反馈运算放大器电路 279
12.3.6 接收机的阻抗匹配 280
12.3.7 低噪声接收机的电源与接地 284
12.4 接收机的频带选择与增益控制 285
12.4.1 水声最佳工作频率 285
12.4.2 接收机的通频带 288
12.4.3 接收机常用有源滤波器设计 289
12.4.4 两类常用有源滤波器电路拓扑结构 294
12.4.5 接收机自动增益控制电路原理及指标 296
12.4.6 接收机自动增益控制电路的实现方式 298
12.4.7 典型水声低功耗接收机的自动增益控制电路设计 301
附录A 一些常用随机变量的分布 306
A.1高斯分布 306
A.2 瑞利分布 307
A.3 广义瑞利分布 308
A.4 和分布 308
A.5非中心化分布 311
A.6 稳定分布 312
附录B 检测中常用随机过程的特征 313
B.1 各态历经性的随机过程的时间平均与统计平均 313
B.2 随机过程的平稳性 315
B.3 随机过程的正交、不相关和统计独立 315
B.4 随机过程的功率谱密度 316
参考文献 317