模式匹配法水下目標(biāo)定位仿真研究?

羅新禹，郝慶水，曹建梅，韓慶邦，李　建

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院常州213022；2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場聲信息國家重點實驗室，北京100190；3.山東迪生電氣有限公司，濟南250100；4.國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院信息中心，濟南250100）

模式匹配法水下目標(biāo)定位仿真研究?

羅新禹1，2，郝慶水3，曹建梅4，韓慶邦1，李建1，2

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院常州213022；2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場聲信息國家重點實驗室，北京100190；3.山東迪生電氣有限公司，濟南250100；4.國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院信息中心，濟南250100）

匹配場處理是一種水聲學(xué)和物理學(xué)相結(jié)合的信號處理技術(shù)，其在水下目標(biāo)定位方面的高精度特點使得該方法受到廣泛關(guān)注。匹配模處理是工作在模態(tài)空間的匹配處理方法。介紹了匹配模處理的基本原理，并通過仿真實現(xiàn)匹配模處理方法。通過對同一目標(biāo)聲源的定位，得到匹配模處理方法的性能優(yōu)于匹配場處理方法。

水聲學(xué)；信號處理；水下定位；匹配場處理；匹配模處理

1　引　言

傳統(tǒng)的波束形成技術(shù)不適用于淺海環(huán)境，因為該技術(shù)沒有考慮多途徑傳播以及海洋聲場的復(fù)雜性。匹配場處理技術(shù)相對于傳統(tǒng)的波束形成技術(shù)有著獨特的優(yōu)勢。

自從Bucker［1］提出用匹配場處理方法對水下聲源進行定位以來，匹配場定位方法便被廣泛研究［2－5］。Fizell和Walves［6］首次運用MFP方法進行水下聲源遠距離被動定位。實驗結(jié)果的誤差優(yōu)于常規(guī)的被動聲吶測距。匹配場處理可以看成廣義波束形成方法。匹配場定位的基本原理是通過比較拷貝場信號與實際接收信號之間的相關(guān)程度確定聲源位置（深度、距離）的方法。由于匹配場處理方法使用了聲壓場的全部數(shù)據(jù)，其對環(huán)境失配很敏感。

匹配模處理方法［7－8］可以很好的克服環(huán)境失配對定位的影響。匹配模處理方法采用淺海波導(dǎo)中模態(tài)傳播特性，從陣列接收到的數(shù)據(jù)推斷模態(tài)幅度［9］，并將測量的模態(tài)幅度和計算的模態(tài)幅度進行匹配。相對于匹配場處理方法，匹配模處理方法只使用聲場中需要定位聲源位置的數(shù)據(jù)（匹配場處理方法使用了全部聲場數(shù)據(jù)），這樣就可以減小環(huán)境失配對定位的影響。

文章分為四個部分，第一部分介紹聲場模型的建立，本文使用簡正波模型；第二部分介紹匹配場處理方法和匹配模處理方法的處理器；第三部分為兩種處理方法的實驗仿真；第四部分得出結(jié)論，并對未來研究做出展望。

2　簡正波聲場計算

假設(shè)海面和海底構(gòu)成一個平行的平面層，層內(nèi)介質(zhì)均勻且邊界是絕對邊界。如果層的厚度是H，橫軸r為距離，縱軸z為深度，這樣的邊界就可簡化為在無窮遠處行為可忽略。進一步假定，在層中所傳播的簡諧波對時間的關(guān)系為e－jwt，并且不考慮聲源的激發(fā)狀態(tài)，而只考慮層中波的一般行為，此時聲源的奇性條件也可不予考慮。

用p表示聲場，即p=p（x，y）e－jwt，則有波動方程：

在假設(shè)條件下，將上面的波動方程改寫為：

運用物理方程有關(guān)求解方法，對分層介質(zhì)在圓柱坐標(biāo)系下可求得下列簡正波聲壓場：

為了得到特征值kj與特征函數(shù)ψj（z），解深度方程：

利用數(shù)值分析求解，將二階三點微分公式

帶入上式，可得到下式：

其中，μ=k2h2，ψ=［ψ1，ψ2，ψ3，...，ψN］T

一旦聲場的特征函數(shù)ψj（z）計算出來，就可以算出聲壓場的分布。

后面在進行匹配場及匹配模處理仿真時，將分別使用上述p（r，z）、kj、ψj（z）等簡正波聲場計算輸出結(jié)果。

3　處理器

3.1匹配場處理器

常規(guī)的線性匹配處理器是目前適用最廣泛的匹配場處理器。這種處理器直接將實測數(shù)據(jù)與拷貝場數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算，它的輸出定位模糊表面取相關(guān)幅度的平方。

線性處理器的輸出由下式給出：a是歸一化接受信號向量，R是垂直線列陣接受數(shù)據(jù)的采樣協(xié)方差矩陣。

3.2匹配模處理器

匹配模處理器可以表示為：

ai是由接收陣得到的聲場數(shù)據(jù)推斷出來的模態(tài)幅度，si是第i個拷貝模態(tài)幅度。模態(tài)幅度ai和位于深度zi的聲源的聲壓場有如下關(guān)系：

對于位于距離rs和zs深度的單聲源：

ki是i個模態(tài)的水平波數(shù)，ψ（zs）是第i個模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)下正交實數(shù)模深度函數(shù)，αi如下：

在r=rs處，由式（3）可以得出拷貝模態(tài)幅度為：

實際上，圓柱型傳播移除了距離和深度上的顯示。為了不丟失大概，αi必須從式（10）中刪掉。可以得到處理器：

4　實驗仿真

匹配場處理大致可分三個步驟：

首先，使用水平水聽器陣列或者垂直水聽器陣列對聲場信息進行數(shù)據(jù)采集，它一般是涵蓋了信道特征和聲源特征的聲壓場。

其次，選擇已知的環(huán)境參數(shù)，如聲速分布、海底地形等作為傳播模型的輸入?yún)?shù)進行聲場建模，選定感興趣的掃描區(qū)域并劃分網(wǎng)格，對落在網(wǎng)格點上的假定聲源進行聲場計算，得到接收陣位置處的拷貝聲壓場。

最后，利用匹配場處理算法對實際測得的聲場與建模獲得的聲場作相關(guān)處理，得到輸出模糊度平面，無失配情況下，在真實目標(biāo)位置處出現(xiàn)相關(guān)峰值，以此估計聲源的距離和深度。

4.1匹配場處理方法仿真實驗

采用如圖1所示水下環(huán)境模型進行定位仿真，假設(shè)水深100m，聲速1500m／s，下表層聲速1600m／s，沉積層密度1.3g／cm3。采用8元垂直接收水聽器陣列均勻分布在20～90m水深范圍。

圖1　水聲環(huán)境

假設(shè)水下目標(biāo)聲源頻率300Hz，距離37km，深度70m。聲場搜索范圍為：水平方向從30km到40km，垂直方向0m到100m，將聲場劃分為101* 1001網(wǎng)格，水平搜索步距0.01km，垂直搜索步距1m。由此得出模糊度平面如圖2所示。從圖中可辨別出聲源位置為距離37km，深度70m，但干擾比較多。

圖2　MFP水下目標(biāo)定位

4.2匹配模仿真實驗

匹配模處理方法的步驟和匹配場處理的方法步驟大致相同。匹配場處理器對聲壓進行相關(guān)處理得出模糊度平面，匹配模處理器對由聲壓分解出來的模態(tài)進行相關(guān)處理。兩種定位方法處理的數(shù)據(jù)不同但原理相似。

采用圖1所示的仿真環(huán)境。當(dāng)頻率為300Hz和500Hz時，簡正波模式如圖3。由圖可見簡正波的階數(shù)由10階增加到16階。簡正波的最大階數(shù)由下式給出：

所以在海深H和聲速一定的情況下，頻率ω越高簡正波的階數(shù)就越多，相應(yīng)的計算量越大，考慮到計算機的計算能力，所以簡正波模型更適用與低頻情況。

圖3　頻率300Hz和500Hz模式分布圖

當(dāng)聲源頻率為500Hz時，第1、3、6、9階簡正波模態(tài)隨深度分布如圖4。仿真沒有發(fā)生環(huán)境失配，匹配模處理將所有模態(tài)用于數(shù)據(jù)處理。

假設(shè)水下目標(biāo)聲源頻率500Hz，距離37km，深度70m。網(wǎng)格劃分和搜索范圍與匹配場處理相同。得出模糊度平面如圖5所示。從圖中可清晰的辨別出目標(biāo)位置。

圖4　頻率300Hz時第1、3、6、9階模態(tài)

圖5　MMP水下目標(biāo)定位

5　結(jié)束語

分別實現(xiàn)了匹配場處理和匹配模處理的水下定位方法。通過兩種匹配方法即匹配場處理和匹配模處理對同一目標(biāo)聲源的定位，對比圖2和圖4，可以得出結(jié)論：匹配模處理方法對目標(biāo)的識別優(yōu)于匹配場處理。但是需要指出，由于尚存在模型失配問題亟待解決，匹配場以及匹配模方式在水聲定位領(lǐng)域的實際應(yīng)用還有很長的路需要走。

［1］H.P.Bucker.Use of caculated sound fields and matched field detection to locate sound sources in shallow water［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1976，59（2）：368－373.

［2］D F Gingras.Robust broadband matched－field processing：performance in shallow water［J］.IEEE Journal of Oceanic EnGineering，1993，18（3）：253－264.

［3］R K Brienzo，W S Hodgkiss.Broadband matched－field processing［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1993，94（5）：2821－2831.

［4］J A Fawecett，M L Yeremy，N R Chapman.Matchedfield source localization in a range－dependent environment［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1996，99（1）：272－282.

［5］C W Bogart，T C Yang.Source localization with horizontal arrays in shallow water：spatial sampling and effective aperture［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1994，99（3）：1677－1686.

［6］R G Fizell，S C Walecs.Source localization in range and depth estimation using ambiquity function methodes［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1987，82（2）：606－613.

［7］E C Shang.Source depth estimation in waveguides［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1985，77（4）：1413－1418.

［8］T C Yang.A method of range and depth estimation by modal decopasition［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1987，82（5）：1736－1745.

［9］P Hursky，W S Hodgkiss，W A Kuperman.Extacting modal structure from vertical array ambient noise data in shallow water［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1995，98： 2971.

Study on Simulation of Matched－mode Processing for Underwater Locating

Luo Xinyu1，2，Hao Qingshui3，Cao Jianmei4，Han Qingbang1，Li Jian1，2
（1.School of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China；2.State Key Laboratory of Acoustics，Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；3.Disheng Electric Co.Ltd.，Jinan 250100，China；4.Information Center，State Grid Technical Institute，Jinan 250100，China）

Matched－field processing，combining with underwater acoustics and physics，is a signal processing technology and is popular as the characteristics of high precision underwater target localization.Matching－mode processing is a matched processing working in mode space.Its basic principle is introduced in this paper and the method is implemented by simulation.By locating the same target sound source，the performance of matched－mode processing is better than that of matched－field processing.

Underwater acoustics；Signal processing；Underwater location；Matched－field processing；Matching－mode processing

10.3969／j.issn.1002－2279.2016.01.017

TB56

A

1002－2279（2016）01－0068－04

?國家海洋局南海維權(quán)技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室2013年度開放基金（1306）；聲場聲信息國家重點實驗室2015年度開放課題（SKLA201504）；河海大學(xué)中央高?；痦椖浚?011B11014，2013B18514）；國家自然科學(xué)基金（11274091，61302124，11274092），淮安河海研究生院開放基金

羅新禹（1990－），男，安徽省滁州市人，碩士研究生，主研方向：通信與信息系統(tǒng)。

2015－04－27