矢量垂直陣時反被動定位技術(shù)研究

李士剛， 劉　甡， 劉立偉

(1.海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍代室， 上海　201109；2.上海航天電子技術(shù)研究所， 上?！?01109；3.江蘇自動化研究所， 江蘇 連云港　222061)

水下目標(biāo)定位、跟蹤、識別是各國科研人員研究的重點[1]，利用聲吶基陣對低信噪比目標(biāo)進行探測時，為保證聲壓陣列探測性能，常規(guī)處理是增加陣元個數(shù)、改變陣元間距，這些處理方式增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，不利于系統(tǒng)工程應(yīng)用。如何在不增加基陣尺寸的前提下實現(xiàn)對安靜型目標(biāo)高精度定位，是水聲科研人員研究的重點。而矢量水聽器的出現(xiàn)，為改善這一問題提供可能性。

聲場是矢量場，包含聲壓場和質(zhì)點振速場，只有同時獲得聲場中聲壓和質(zhì)點振速信息，才能更加準確地描述聲場[2]。矢量水聽器可以同時獲得聲場聲壓和質(zhì)點振速信息[3]，由相同陣元個數(shù)組成的矢量陣相較于聲壓陣，能獲得幾倍的信息，可改善聲壓陣探測存在的左右舷模糊問題，提高基陣對水聲弱信號的檢測能力。由于矢量水聽器的性能優(yōu)勢，各國水聲學(xué)者加大對矢量水聽器及其陣列信號處理的研究力度，矢量水聽器及其陣列信號處理技術(shù)具有廣闊的發(fā)展空間。

時間反轉(zhuǎn)鏡定位技術(shù)是一種新興的目標(biāo)探測和定位技術(shù)，利用模擬信道和實際信道的匹配過程，實現(xiàn)多途聚焦和陣聚焦兩種聚焦效應(yīng)，在目標(biāo)水平距離和垂直深度上進行定位，結(jié)合探測系統(tǒng)對目標(biāo)的方位估計信息，實現(xiàn)在目標(biāo)聲源位置處的三維聚焦定位[4]。國內(nèi)外科研人員對時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)的理論分析和工程應(yīng)用方面做了很多研究，但將TRM技術(shù)應(yīng)用于目標(biāo)被動定位的研究處于剛剛起步階段。美國科學(xué)家Dowling首先提出將TRM應(yīng)用于水聲定位；Kuperman在地中海進行了海試，其研究團隊將時間反轉(zhuǎn)聚焦原理應(yīng)用到抗混響中，提出TRM混響置零方法；2004年以來，國外科研人員在TRM應(yīng)用于運動目標(biāo)定位、陣形結(jié)構(gòu)對TRM聚焦性能的影響等方面進行了相關(guān)理論研究和試驗，得到眾多高價值結(jié)論。受國外科學(xué)家對TRM相關(guān)研究的影響，國內(nèi)相關(guān)科研人員對TRM展開一系列研究。在中科院聲學(xué)所汪承灝院士帶領(lǐng)下，先后對各種聲傳播介質(zhì)中TRM自適應(yīng)聚焦和檢測做了理論分析和實驗研究。哈爾濱工程大學(xué)水聲學(xué)院惠俊英教授指導(dǎo)下，其團隊對單陣元聲壓時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)在被動水聲定位和水聲通信中的應(yīng)用進行了深入研究。杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所進行了垂直聲壓陣時反被動定位技術(shù)的海上相關(guān)試驗，驗證了聲壓陣時反被動定位技術(shù)的可行性。文獻[4]提出了兩種聲壓垂直陣時反被動定位方法；文獻[5]提出了一種三子水平陣時反被動定位方法；文獻[6]提出了一種水平變化波導(dǎo)中匹配場定位的被動時反實現(xiàn)方法；以往文獻中關(guān)于矢量垂直陣時反定位技術(shù)的研究較少。本文重點對矢量垂直陣時反被動定位技術(shù)進行探索研究，給出三種實現(xiàn)方法，具有較高的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。

1　聲壓、振速多途信道及建模

海洋信道數(shù)學(xué)建模是時間反轉(zhuǎn)鏡被動定位技術(shù)的基礎(chǔ)，時反被動定位技術(shù)在定位前，需首先研究海洋信道中聲傳播模型，仿真生成模擬信道，通過模擬信道與真實信道的匹配，實現(xiàn)對目標(biāo)的被動定位。

1.1　聲壓、振速多途信道

由于海面海底散射，海洋聲場會產(chǎn)生多途效應(yīng)。在聲源到水聽器之間，可以將聲場看作時空多途濾波器，到達接收點的聲信號是各種聲線的干涉疊加[7]。表征聲線的參數(shù)有聲線的幅度Ai、傳播時延τi以及聲線到達接收點的聲線掠射角αi。設(shè)接收點接收到的聲線有N條，得

(1)

式中，hp(τ)為聲壓信道沖激響應(yīng)，hv(τ)為振速信道沖激響應(yīng)，hvx(τ)為vx振速信道沖激響應(yīng)，hvy(τ)為振速vy信道沖激響應(yīng)，θ為聲源水平方位，αi為聲線掠射角。

在淺海聲場中，αi通常只有幾度，即cosαi≈1，可以認為hv(τ)和hp(τ)近似相等，得到矢量多途信道模型，如圖1所示。

圖1　矢量多途信道模型

接收點的聲壓分量和質(zhì)點振速分量分別為

(2)

1.2　BELLHOP聲場建模軟件

時反被動定位需要將接收信號時反經(jīng)過虛擬信道，進行對聲源的定位。虛擬信道主要是根據(jù)海洋環(huán)境參數(shù)，使用聲場建模軟件對信道進行估計得到。本文使用的聲場建模軟件是BELLHOP軟件，圖2為BELLHOP聲場建模輸入輸出示意圖。

圖2　BELLHOP輸入輸出示意圖

使用BELLHOP輸入的海洋環(huán)境參數(shù)主要有信道幾何結(jié)構(gòu)、聲速剖面、海底地形、界面反射損失等，計算得到多徑的數(shù)目、聲線幅度、延時及掠射角，求得聲源到接收點處的沖激響應(yīng)。當(dāng)掃描范圍較大時，導(dǎo)致環(huán)境文件增加，每次進行循環(huán)對環(huán)境文件進行訪問時，需較長的處理時間，所以應(yīng)考慮如何使環(huán)境文件盡量小一些。由于軟件整體設(shè)計是根據(jù)聲源個數(shù)、水聽器深度、水聽器水平掃描范圍等參數(shù)進行運算的，當(dāng)進行大范圍信道估計時，可以將聲源個數(shù)和水聽器深度置于外循環(huán)之中，減少信道估計時間。

BELLHOP聲場建模軟件默認只能得到聲壓信道，無法獲得振速信道信息。通過分析可知，聲壓信道和振速信道區(qū)別在于本征聲線到達接收點處的掠射角，建模過程中可以將掠射角信息提取出來，加到信道中，進而得到振速仿真信道。圖3給出了仿真的聲壓信道和振速信道，兩個信道聲線之間時延差是對應(yīng)相等的，而每一條聲線的幅度不同。海洋環(huán)境設(shè)置參數(shù)：海底深度200m，聲速梯度為等聲速分布，聲源為單個點聲源界面頻率為100 Hz，掠射角在(-40°,40°)范圍內(nèi)，射線數(shù)為41。

圖3　BELLHOP聲場信道仿真

圖4　單矢量TRM處理框圖

2　理論基礎(chǔ)及算法實現(xiàn)

2.1　單矢量水聽器時反被動定位

圖4給出的是單矢量TRM被動定位處理框圖，聲壓通道、振速vx通道和振速vy通道分別進行時間反轉(zhuǎn)鏡處理，得

(3)

當(dāng)虛擬仿真信道和真實海洋信道實現(xiàn)時空匹配時，此時時間反轉(zhuǎn)鏡輸出空間增益獲得最大值，信道不相關(guān)時，獲得的空間增益較低。考慮環(huán)境噪聲影響，利用聲壓信道和振速信道噪聲的不相關(guān)性，分別對聲壓信道與振速vx和振速vy時間反轉(zhuǎn)鏡輸出作相乘處理得到聲強流，對聲強流進行時間積分，得

(4)

根據(jù)矢量時間反轉(zhuǎn)鏡各個通道輸出噪聲和信號之間的相關(guān)性，時間反轉(zhuǎn)鏡和矢量信號處理相結(jié)合能夠獲得更高的空間濾波增益。得到兩個聲強流積分結(jié)果后，對其進行如下處理：

(5)

式中，Ep-vx表示聲壓和振速vx信道的聲強流積分，Ep-vy表示聲壓和振速vy信道的聲強流積分，EVTRM表示最終VTRM輸出。

經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對近距離目標(biāo)進行探測時，聲壓TRM和矢量TRM會在目標(biāo)位置出現(xiàn)比較明顯的峰值，但是處理后結(jié)果隨距離增大呈下降趨勢。文獻[8]中分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，并給出了改善方法。這主要是因為信道仿真過程中，傳播損失與距離密切相關(guān)，距離近的信道可能能量較大，距離遠的信道能量較小。當(dāng)對遠距離目標(biāo)進行探測時，傳播損失的影響更加明顯，所以在使用聲場建模軟件得到聲場虛擬信道后，將信道的能量進行歸一化處理，保證每一個信道的總能量都為1，減小信道傳播損失對時反處理結(jié)果的影響。公式如下：

(6)

式中，h(ri,hi,t)為位置(ri,hi)的信道估計。

2.2　聲壓垂直陣時反被動定位

考慮多個陣元TRM輸出求和平均作為聲壓陣的時反輸出，處理流程如圖5(a)所示。每個陣元作單聲壓時反處理后，對所有單陣元時反輸出進行求和運算，最后求能量作為聲壓陣時反處理輸出。該方法原理類似于波束形成技術(shù)，先利用每個陣元實現(xiàn)空間濾波，然后對陣元濾波輸出相加，實現(xiàn)陣列時空濾波。

圖5　聲壓陣TRM處理

方法1處理結(jié)果中包含各個陣元的噪聲分量，方法2考慮利用兩個聲壓水聽器之間的互相關(guān)輸出降低陣元噪聲分量影響，改善方法1的處理結(jié)果。方法2處理流程如圖5(b)所示，對每兩個陣元時反輸出進行互相關(guān)取峰值，利用陣元之間噪聲和信號的不相關(guān)性，可以降低噪聲分量對時反處理增益的影響，進而獲得更高的處理增益。

2.3　矢量垂直陣時反被動定位

在聲壓垂直陣TRM定位方法的基礎(chǔ)上，對矢量水聽器陣TRM定位方法進行研究。下面給出了矢量垂直陣時反被動定位技術(shù)的三種實現(xiàn)形式。方法1如圖6(a)所示，每個陣元進行單矢量時反處理后，對每個陣元時反處理結(jié)果進行陣列求和，作為最終的矢量陣時反輸出。方法2如圖6(b)所示，對矢量陣所有通道分為聲壓通道陣列、振速vx通道陣列以及振速vy通道陣列，對每個通道陣列進行聲壓陣時反方法1處理，最后對三個通道陣列時反處理結(jié)果進行通道求和，作為最終矢量陣時反輸出。方法3如圖6(c)所示，對矢量陣所有通道分為聲壓通道陣列、振速vx通道陣列以及振速vy通道陣列，對每個通道陣列進行聲壓陣時反方法2處理，最后對三個通道陣列時反處理結(jié)果進行通道求和，作為最終矢量陣時反輸出。

圖6　矢量陣TRM處理

3　仿真分析

本文針對矢量垂直陣TRM三種實現(xiàn)方法，分別進行仿真驗證，比較矢量垂直陣與聲壓垂直陣時反處理能力的不同，使用定位概率指標(biāo)進行定量分析；最后通過仿真分析信噪比、陣元個數(shù)、陣元間距等參數(shù)對矢量垂直陣時反處理性能的影響。

3.1　矢量陣TRM與聲壓陣TRM定位性能比較

仿真參數(shù)：目標(biāo)信號為2kHz-4kHz的寬帶信號，水平方位為30°，聲源位置(5000,20)；矢量垂直陣陣元個數(shù)4個，水平距離0m，垂直分布為16m∶2m∶22m，對目標(biāo)進行水平深度二維掃描，水平掃描范圍(3000∶100∶7000)，垂直掃描范圍(10∶2∶30)；時間反轉(zhuǎn)鏡處理數(shù)據(jù)長度1s；信噪比為(-39dB∶2dB∶-15dB)變化，聲壓垂直陣仿真參數(shù)與矢量垂直陣相同，分別對矢量垂直陣TRM與聲壓垂直陣TRM進行計算機仿真。

圖7　矢量陣TRM與信噪比關(guān)系

從結(jié)果圖7中可以看出，矢量垂直陣時反處理三種方法比聲壓垂直陣時反處理定位性能更好，當(dāng)檢測概率為0.8時，垂直矢量陣較聲壓垂直陣檢測閾提高了大約1dB-3dB。在高信噪比下，矢量垂直陣TRM方法3的定位性能要優(yōu)于另外兩種矢量陣方法；在低信噪比下，矢量垂直陣方法2相對性能更優(yōu)，但三種方法定位概率都較低。

3.2　矢量陣TRM方法3與陣元個數(shù)關(guān)系

仿真參數(shù)：矢量垂直陣陣元間距固定為2m，分別對2元、4元、6元、8元陣列進行仿真，垂直分布分別為：18∶2∶20、16∶2∶22、14∶2∶24以及12∶2∶36，信噪比為(-39dB∶2dB∶-15dB)變化。對矢量陣TRM方法3進行研究，其他參數(shù)如仿真1,結(jié)果如圖8所示。

圖8　矢量陣TRM方法3與陣元個數(shù)關(guān)系

仿真結(jié)論：隨陣元個數(shù)增加，矢量陣定位概率依次增高，當(dāng)陣元個數(shù)大于2時，定位概率有明顯提高。當(dāng)檢測概率為0.8時，2陣元較其他陣元數(shù)檢測閾降低至少7dB；當(dāng)陣元個數(shù)大于2時，矢量陣方法3定位性能隨陣元個數(shù)增加提高幅度不大。考慮陣元尺寸和定位性能，矢量陣陣型設(shè)計時可優(yōu)先選擇4陣元。

3.3　矢量陣TRM方法3與陣元間距關(guān)系

仿真參數(shù)：矢量垂直陣陣元個數(shù)4個，分別對垂直深度間距2m、4m、6m以及8m進行仿真，垂直分布分別為：16∶2∶22、12∶4∶24、8∶6∶26以及4∶8∶28，信噪比為(-39dB∶2dB∶-15dB)變化。對矢量陣TRM方法3進行研究，其他參數(shù)如仿真1，結(jié)果如圖9所示。

圖9　矢量陣TRM方法3與陣元間距關(guān)系

仿真結(jié)論：間距為2m時，矢量陣定位概率相較于其他間距矢量陣更高。當(dāng)檢測概率為0.8時，間距2較其他間距檢測閾提高至少3dB。當(dāng)陣元間距大于2m時，垂直陣定位性能隨陣元間隔改變而變化不大?？紤]陣元尺寸和定位性能，矢量陣陣型設(shè)計時可優(yōu)先選擇2m陣元間隔。

4　結(jié)束語

在保證系統(tǒng)探測性能的前提下，如何減小基陣尺寸提高系統(tǒng)的機動性，一直是水聲科研人員的研究目標(biāo)。矢量水聽器較聲壓水聽器能夠得到更加全面聲場信息，基于矢量垂直陣的時反被動定位技術(shù)具有深遠的研究價值。為了改善聲壓垂直陣時反定位性能，盡可能優(yōu)化水聽器陣型結(jié)構(gòu)，本文研究了矢量垂直陣時反被動定位技術(shù)，提出了三種矢量陣時反處理方法。通過計算機仿真，驗證矢量陣時反處理方法定位性能要優(yōu)于聲壓陣；通過分析陣元個數(shù)、陣元間距對矢量垂直陣被動定位性能的影響，給出一種在矢量陣陣型設(shè)計時優(yōu)先選擇的陣型結(jié)構(gòu)：4陣元間隔2m，在保證矢量陣定位性能的前提下，可減小陣列尺寸，具有較大的工程應(yīng)用價值。

參考文獻:

[1]李守軍, 包更生, 吳水根. 水聲定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報, 2005, 24(1):130-135.

[2]惠俊英, 惠娟. 矢量聲信號處理基礎(chǔ)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 2009.

[3]孫貴青, 李啟虎. 聲矢量傳感器研究進展[J]. 聲學(xué)學(xué)報, 2004(6):481-490.

[4]馬敬廣, 單忠偉, 殷敬偉, 等. 多元陣時間反轉(zhuǎn)鏡被動定位技術(shù)研究[J]. 應(yīng)用聲學(xué), 2007, 26(5): 282-286.

[5]陳羽,倪明,張振慧.基于三子陣的組合水平時反陣被動定位性能研究[J]. 聲學(xué)技術(shù),2011,30(5):391-394.

[6]張同偉,楊坤德.一種水平變化波導(dǎo)中匹配場定位的虛擬時反實現(xiàn)方法[J]. 物理學(xué)報, 2014,63(21):194-201.

[7]王大宇. 矢量傳感器在水聲通信中的應(yīng)用研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué), 2010.

[8]鮑習(xí)中. 垂直陣時反被動定位及噪聲抑制技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué), 2009.