一種基于時(shí)間反轉(zhuǎn)處理的淺海目標(biāo)監(jiān)測方法

曲少春, 王英民, 鄭 琨

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一種基于時(shí)間反轉(zhuǎn)處理的淺海目標(biāo)監(jiān)測方法

曲少春, 王英民, 鄭 琨

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

為了實(shí)現(xiàn)淺海環(huán)境中對入侵目標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測和判斷的目的, 基于時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù), 提出了一種利用時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡在淺海環(huán)境中產(chǎn)生一條警戒線的水下目標(biāo)監(jiān)測方法, 首次從理論上分析了入侵目標(biāo)強(qiáng)度、深度和與時(shí)反陣水平距離等因素對基于時(shí)反鏡的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)探測敏感度的影響。針對典型淺海聲信道, 通過計(jì)算機(jī)仿真和理論數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果表明, 采用時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)的淺海水下目標(biāo)監(jiān)測方法的性能優(yōu)于傳統(tǒng)淺海警戒方法, 該方法適用于探測小型目標(biāo)或目標(biāo)散射回波強(qiáng)度小的物體且不受淺海復(fù)雜聲道及多途效應(yīng)影響, 具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

淺海警戒; 時(shí)間反轉(zhuǎn)處理; 目標(biāo)監(jiān)測

0 引言

沿海安全警戒及淺海水下目標(biāo)監(jiān)測在國家海防等研究領(lǐng)域有著重要地位, 是水聲技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。在淺?；蚪逗Ｓ? 水聲信道多徑干擾強(qiáng)烈、信道響應(yīng)穩(wěn)定性差, 具有典型的時(shí)-空-頻域非平穩(wěn)特性, 使得自適應(yīng)均衡、波束形成、匹配場處理等許多信號處理方法的性能受到很大限制。時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡(time reversal mirror, TRM)技術(shù)具有空間聚焦和時(shí)間壓縮的性質(zhì), 其對多途干擾的有效抑制已得到理論和試驗(yàn)驗(yàn)證[1], 現(xiàn)已成功應(yīng)用于水聲通信和動目標(biāo)的寬帶檢測[2-4]等水聲領(lǐng)域, 以解決水聲中的多途干擾問題。目前, 在淺海警戒及水下目標(biāo)探測領(lǐng)域主要采用淺海警戒雷達(dá)、主動和被動聲吶來探測目標(biāo)。淺海警戒雷達(dá)接收的反射信號不僅包含有用信號, 也含有海雜波噪聲, 為了探測目標(biāo), 通常情況下需要設(shè)定足夠的檢測閥值以保證一定的虛警概率, 但當(dāng)檢測小型目標(biāo)或目標(biāo)散射的回波強(qiáng)度小于或等于海雜波的回波強(qiáng)度時(shí), 雷達(dá)檢測將變得特別困難[5]。

使用主動聲吶探測目標(biāo)主要依靠目標(biāo)回波, 由于海洋信道是非理想信道, 它會使聲束彎曲, 使得聲吶發(fā)出的信號不能在目標(biāo)處形成聚焦, 從而降低主動聲吶的工作性能[6]。使用被動聲吶進(jìn)行淺海目標(biāo)探測時(shí), 由于淺海的復(fù)雜性, 當(dāng)強(qiáng)度較小時(shí), 基陣收到的目標(biāo)信號十分微弱, 導(dǎo)致無法準(zhǔn)確探測。使用大孔徑基陣, 增大發(fā)射聲源級或?qū)l(fā)射基陣設(shè)計(jì)成具有足夠窄的指向性等方法可提高工作性能, 但在實(shí)際應(yīng)用中均有一定的局限性, 相對于TRM在實(shí)際應(yīng)用上也較復(fù)雜[7]。針對這些問題, 利用TRM在淺海環(huán)境中產(chǎn)生一條時(shí)反聲場警戒線的方法可達(dá)到對入侵目標(biāo)的即時(shí)預(yù)警, 該方法應(yīng)用簡單, 監(jiān)測能力強(qiáng), 敏感度高, 可探測到小型或散射回波強(qiáng)度小的目標(biāo), 且不受淺海多途效應(yīng)影響, 極大地提高了對淺海水下入侵目標(biāo)的探測能力, 達(dá)到對淺海的實(shí)時(shí)警戒。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 時(shí)反處理方法的理論基礎(chǔ)

時(shí)反空時(shí)聚焦是淺海水聲信道的重要特性, 波動方程解的時(shí)反不變性和收發(fā)互易性解釋了聲場具有時(shí)反聚焦特性, 以此特性為基礎(chǔ)的時(shí)反處理方法在復(fù)雜淺海環(huán)境下實(shí)現(xiàn)信號的空時(shí)自適應(yīng)聚焦, 該方法可避免由于傳播介質(zhì)的不均勻性引起的信號畸變及多途效應(yīng)的影響, 不需要環(huán)境的先驗(yàn)信息。時(shí)反處理的核心是TRM。TRM是1個(gè)由點(diǎn)源發(fā)射信號, 陣接收后再反轉(zhuǎn)發(fā)射的聲系統(tǒng), 其由1個(gè)發(fā)射點(diǎn)源(probe source, PS), 1個(gè)收發(fā)合置的陣列(source receiver array, SRA)和1個(gè)垂直接收陣列(vertical receive array, VRA)構(gòu)成, 是將SRA接收的信號時(shí)間反轉(zhuǎn)后重新發(fā)射, 使聲能在原聲源處聚焦。

根據(jù)時(shí)反的處理過程, 時(shí)反處理后形成的聲場可以表示為

將式(1)代入式(2)可得

根據(jù)簡正波模態(tài)函數(shù)的正交性, 式(3)化簡為

1.2 基于時(shí)反處理的淺海警戒方法實(shí)現(xiàn)過程

基于時(shí)反聚焦的淺海復(fù)雜環(huán)境預(yù)警是指,利用時(shí)間反轉(zhuǎn)發(fā)射和接收聚焦2個(gè)方面的特性來提高對淺海復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)測, 具體實(shí)施流程如下。

首先, 利用目標(biāo)位置附近的PS發(fā)射探測信號, SRA接收到該探測信號后將其時(shí)間反轉(zhuǎn)再發(fā)射回去, 時(shí)反信號被VRA接收, 由此產(chǎn)生的聲場會在探測聲源PS處實(shí)現(xiàn)空間的聚焦。這時(shí)若時(shí)反陣持續(xù)發(fā)射已存儲的時(shí)反信號, 就會在PS處持續(xù)實(shí)現(xiàn)聲場的聚焦, 即在時(shí)反接收陣與PS之間形成了一條持續(xù)的時(shí)反聲屏障(acoustic barrier)[9-10], 當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入時(shí)反警戒線時(shí), 其產(chǎn)生的散射信號會影響時(shí)反信號的后向傳播從而使得原時(shí)反聚焦點(diǎn)及附近位置的能量分布發(fā)生變化, 對時(shí)反的聚焦效果產(chǎn)生影響, 由此可以判斷是否有目標(biāo)入侵, 達(dá)到了監(jiān)測預(yù)警的目的。

淺海警戒方法實(shí)施基本步驟如圖1所示: 1) 首先由布放的PS發(fā)射信號, 經(jīng)水聲信道傳輸后, PS發(fā)射的信號由收發(fā)合置的SRA接收; 2) SRA對接收到的信號進(jìn)行時(shí)反處理后再通過SRA發(fā)射出去, 由此產(chǎn)生的聲場會在探測聲源PS處實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間的聚焦; SRA持續(xù)發(fā)射時(shí)反后的信號在PS處持續(xù)實(shí)現(xiàn)聲場聚焦, 從而產(chǎn)生PS到VRA之間的警戒線; 3) 加入應(yīng)答器作為聲屏障在SRA和PS之間發(fā)射干擾信號, 干擾信號和SRA發(fā)射的時(shí)反后向傳播信號疊加, 兩信號具有相同的頻率, 最終疊加的信號由VRA接收。

圖1 環(huán)境參數(shù)模型及基本步驟圖

2 仿真分析和計(jì)算

為了驗(yàn)證該方法的有效性, 本文建立了如圖1所示的水聲實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng), 并進(jìn)行了仿真分析。采用一列應(yīng)答器作為干擾聲源來模擬目標(biāo)入侵, 在默認(rèn)的淺海波導(dǎo)環(huán)境中將應(yīng)答器置于SRA和PS之間。

2.1 仿真條件和信噪比估計(jì)

在未使用時(shí)反警戒線的淺海環(huán)境下, 對有小目標(biāo)入侵時(shí)產(chǎn)生的聲場做初步計(jì)算。

采用一列應(yīng)答器作為干擾聲源來模擬該目標(biāo)體, 系統(tǒng)增益表達(dá)式為

將放大倍數(shù)為63代入式(7)時(shí), 應(yīng)答器的系統(tǒng)增益為56 dB。

沒有放置應(yīng)答器時(shí), 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[12]信噪比

式中:為聲源級;表示陣增益;為傳播損失;為噪聲級。

將應(yīng)答器置放在距離引導(dǎo)聲源PS 3 km的位置, 這時(shí)信噪比

由式(8)和式(9)可得

SNR1–SNR2=–6–(10)

遠(yuǎn)距離傳播

將式(6)代入式(5)中, 由此得到SNR1– SNR2=3 dB。

從計(jì)算結(jié)果可以看出, 當(dāng)有目標(biāo)侵入時(shí), 在復(fù)雜的淺海水聲環(huán)境中檢測出信噪比與背景信噪比的平局差值為3 dB的波動信號是非常困難的, 當(dāng)目標(biāo)更小時(shí), 其產(chǎn)生的散射場會更小, 對水聲環(huán)境的影響就會更小, 更難檢測出來。

2.2 仿真結(jié)果及分析

圖2為淺海穩(wěn)定聲場中, 只有PS發(fā)射信號, 沒有時(shí)反處理, 目標(biāo)入侵前后的2個(gè)聲場在垂直方向上和水平方向上的比較。通過仿真結(jié)果可以看到, 當(dāng)淺海復(fù)雜環(huán)境加入聲屏障時(shí), 也就是有小目標(biāo)入侵時(shí),與原淺海穩(wěn)定聲場比較其聲場強(qiáng)度變化并不明顯, 聲場場強(qiáng)分布也未受到顯著影響,在垂直方向和水平方向上,加入聲屏障的聲場強(qiáng)度與原穩(wěn)定聲場強(qiáng)度的平均差值低于5 dB,可以清晰看到, 當(dāng)有目標(biāo)侵入穩(wěn)定淺海聲場時(shí), 場強(qiáng)變化非常微弱, 在這種情況下, 對于復(fù)雜的淺海環(huán)境, 實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)小于5 dB的場強(qiáng)強(qiáng)度變化并由此判斷是否有目標(biāo)入侵是非常困難的[12]。

圖3為淺海穩(wěn)定聲場, 只有PS發(fā)射信號時(shí), SRA接收信號進(jìn)行時(shí)反處理并重新發(fā)射, 未加入聲屏障模擬有小目標(biāo)存在和加入聲屏障后的2個(gè)聲場在垂直方向上和水平方向上的比較。

圖2 未采用時(shí)反處理時(shí)目標(biāo)入侵前后聲場對比圖

圖3 采用時(shí)反處理時(shí)目標(biāo)入侵前后聲場對比圖

由圖3可知, 在穩(wěn)定的淺海區(qū)域, 采用基于時(shí)間反轉(zhuǎn)處理方法的目標(biāo)入侵監(jiān)測, 當(dāng)有目標(biāo)入侵時(shí), 其聲場強(qiáng)度比沒有目標(biāo)入侵時(shí)平均高了10~15 dB。對PS處的聚焦也產(chǎn)生明顯的影響, 由于在時(shí)反信號后向傳播的過程中, 應(yīng)答器發(fā)射的信號嚴(yán)重影響了SRA發(fā)射的已儲存時(shí)反信號, 2種同頻率但不同幅度、相位的信號在應(yīng)答器處進(jìn)行了疊加, VRA接收到信號的相位和幅度發(fā)生畸變, 原聚焦位置的聲線已經(jīng)趨于離散, 能量散布范圍很大, 聚焦效果減弱, 可以看到, 當(dāng)加入聲屏障后聚焦效果減弱, 當(dāng)有目標(biāo)入侵時(shí), TRM產(chǎn)生的聚焦比沒有入侵時(shí)在水平方向和深度方向上都有明顯的影響, 其在PS距離上某些深度形成了較強(qiáng)的旁瓣, 旁瓣數(shù)目也有所增加, 同時(shí)聚焦主瓣降低。引起較強(qiáng)旁瓣數(shù)目增加和出現(xiàn)深度變化以及聚焦主瓣強(qiáng)度降低的主要原因是加入聲屏障后對時(shí)反聲場后向傳播造成了嚴(yán)重影響, 其產(chǎn)生的聲場比原聚焦聲場平均低了10~15dB。因此, 在穩(wěn)定的淺海環(huán)境中, 采用基于時(shí)間反轉(zhuǎn)處理的海洋監(jiān)測方法, 可以依據(jù)目標(biāo)入侵時(shí)的干擾所造成的聲場明顯變化, 迅速判斷出目標(biāo)的入侵。

為了更好地研究時(shí)反處理方法在淺海目標(biāo)監(jiān)測上的應(yīng)用, 本文對比研究了干擾聲源的強(qiáng)度、位置對時(shí)反聚焦的影響。圖4給出了3種不同系統(tǒng)增益干擾聲源在相同位置處對時(shí)反聚焦的影響。圖4為3種不同系統(tǒng)增益干擾聲源產(chǎn)生的聲場和未加入應(yīng)答器時(shí)反聚焦產(chǎn)生的聲場在垂直方向上和水平方向上的對比。

由于在時(shí)反后向傳播過程中, 時(shí)反信號和應(yīng)答器產(chǎn)生的信號這2種同頻率但不同幅度、相位的信號進(jìn)行了疊加, VRA接收到的疊加信號的相位、幅度已經(jīng)發(fā)生畸變, 原聚焦位置的聚焦強(qiáng)度降低, 較強(qiáng)旁瓣數(shù)增多, 聚焦效果減弱, 隨著系統(tǒng)增益的增強(qiáng), 也就是物體的目標(biāo)強(qiáng)度越大, 時(shí)反聚焦效果減弱, 旁瓣增高, 此時(shí), 對時(shí)反聚焦產(chǎn)生了明顯的影響。這主要是由于在時(shí)反后向傳播過程中, 系統(tǒng)增益越高, 其模擬的物體目標(biāo)強(qiáng)度越大, 應(yīng)答器產(chǎn)生的干擾信號愈加嚴(yán)重影響原時(shí)反信號, 對時(shí)反聚焦的效果影響越大, 使得物體更加容易被探測到。

圖5給出了應(yīng)答器采用56 dB的系統(tǒng)增益, 其置放深度為75 m, 距離PS的水平距離分別為4 km, 3 km和2 km 3個(gè)不同位置對時(shí)反聚焦的影響。圖5為應(yīng)答器在3個(gè)水平距離不同的位置處產(chǎn)生的聲場和未加入應(yīng)答器時(shí)反聚焦產(chǎn)生的聲場在垂直方向上和水平方向上的對比。通過圖5可以得出, 隨著模擬入侵目標(biāo)應(yīng)答器的水平位置的變化, 時(shí)反聚焦的效果也發(fā)生了比較明顯的變化: 當(dāng)應(yīng)答器遠(yuǎn)離PS時(shí), 其與SRA的水平距離減小, 其對SRA發(fā)射的已儲存時(shí)反信號的影響越大, 時(shí)反信號和干擾信號的疊加部分更多, 從而對時(shí)反陣在PS處的聚焦產(chǎn)生的影響越大。從以上分析可知, 當(dāng)入侵目標(biāo)離PS水平距離越遠(yuǎn), 其越容易被時(shí)反陣形成的水下監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。

圖4 目標(biāo)增益不同時(shí)聲場對比圖

圖5 應(yīng)答器與發(fā)射點(diǎn)源(PS)水平距離不同時(shí)聲場對比圖

圖6對比了應(yīng)答器采用56 dB的系統(tǒng)增益, 距離PS的水平距離分別為4 km, 置放深度選擇75 m, 45 m和25 m 3個(gè)不同位置對時(shí)反聚焦的影響。圖6為應(yīng)答器在3個(gè)置放深度不同的位置處產(chǎn)生的聲場和未加入應(yīng)答器時(shí)反聚焦產(chǎn)生的聲場在垂直方向上和水平方向上的對比。

圖6 應(yīng)答器為不同置放深度時(shí)聲場對比圖

Figs. 6 Contrast among sound fields for different de- pths of responder

由圖6可以看出, 當(dāng)干擾源的置放深度發(fā)生變化時(shí), 其對時(shí)反聚焦效果的影響也在變化。干擾源置放在上層高聲速水域及靠近海底的區(qū)域時(shí), 其對時(shí)反聚焦效果的影響比較小。這時(shí), 由于干擾源位于上層高聲速水域中, 其激發(fā)的低階簡正波模態(tài)幅度值遠(yuǎn)小于最強(qiáng)的模態(tài), 這意味著這些低階簡正波模態(tài)對聲場是沒有貢獻(xiàn)的。雖然上層高聲速水域中的聲源可以與高階簡正波模態(tài)進(jìn)行強(qiáng)耦合, 但是與低階簡正波模態(tài)耦合很弱, 所以當(dāng)干擾聲源位于上層高聲速水域中時(shí), 其對時(shí)反聚焦效果的影響較差; 而位于海底附近的應(yīng)答器發(fā)射的信號受到海底反射和海底混響的影響, 信號損失比較大, 對SRA發(fā)射的時(shí)反信號產(chǎn)生的干擾比較小, 從而對時(shí)反聚焦效果影響也就比較小。當(dāng)干擾源位于下層低聲速水域中時(shí), 其可以很好地激發(fā)所有簡正波模態(tài), 所以其對聲場的貢獻(xiàn)比較大, 對時(shí)反聚焦的效果影響就比較大, 水下監(jiān)測系統(tǒng)的敏感度就比較高。

3 結(jié)束語

該文以淺海聲傳播模型為基礎(chǔ), 利用時(shí)反處理方法不需要環(huán)境先驗(yàn)知識的聚焦特性, 建立了基于時(shí)反鏡的水聲實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)模型, 用以實(shí)現(xiàn)對入侵淺海的小型目標(biāo)或散射回波強(qiáng)度小的目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測, 描述了該方法的具體實(shí)施步驟, 為了驗(yàn)證該文所提方法的有效性, 采用應(yīng)答器來模擬小目標(biāo)入侵, 通過數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了這種方法在復(fù)雜淺海環(huán)境中對目標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測的有效性。結(jié)果表明, 其對目標(biāo)的敏感度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)檢測方法。在此基礎(chǔ)上, 文章對比研究了入侵目標(biāo)強(qiáng)度、置放深度和與時(shí)反陣水平距離等因素對基于時(shí)反鏡的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)探測敏感度的影響, 并通過仿真和理論分析得到如下結(jié)論: 1) 物體的目標(biāo)強(qiáng)度越大, 其對時(shí)反聚焦產(chǎn)生的影響就越明顯, 越容易被即時(shí)發(fā)現(xiàn); 2) 入侵目標(biāo)距離PS的水平距離越遠(yuǎn), 其越容易被基于時(shí)反鏡的水下監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn); 3) 當(dāng)目標(biāo)位于下層低聲速水域時(shí), 其更容易被探測到。本文的研究對基于時(shí)反的沿海警戒方法的實(shí)際應(yīng)用具有重要參考價(jià)值。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

A Target Monitoring Method in Shallow Water Based on Time Reversal Processing

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

A method to generate a cordon based on the time reversal processing for real-time target monitoring and judgment in shallow water is proposed. The effects of target strength and depth, the horizontal distance between the target and the source received array, and other factors on the sensitivity of the monitoring system are analyzed theoretically. Numerical simulations and theoretical calculations for typical shallow water environment demonstrate that the proposed method is better than conventional alert method in shallow water. The proposed method is suitable for detecting small targets and the targets with small scattering echo intensity, and is not influenced by complex shallow water acoustic channel and multi-path effects.

shallow water alert; time reversal processing; target monitoring

TJ630.34; TN929.3

A

1673-1948(2014)06-0430-06

2014-09-16;

2014-10-06.

國家自然科學(xué)基金資助(51407142).

曲少春(1986-), 女, 在讀博士, 主要研究方向?yàn)樗滦盘柼幚砑夹g(shù).