水聲信號(hào)頻率對(duì)時(shí)間反轉(zhuǎn)探測(cè)性能的影響

王銘灝, 王海燕, 申曉紅, 張之琛

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水聲信號(hào)頻率對(duì)時(shí)間反轉(zhuǎn)探測(cè)性能的影響

王銘灝, 王海燕, 申曉紅, 張之琛

(西北工業(yè)大學(xué) 海洋聲學(xué)信息感知工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710072)

針對(duì)在復(fù)雜多途淺海環(huán)境下對(duì)弱目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)這一水聲探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn), 時(shí)間反轉(zhuǎn)(TR)技術(shù)擁有廣泛的應(yīng)用前景?；谇叭搜芯? 可知利用被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)(PTR)和陣列信號(hào)處理(ASP)技術(shù)相結(jié)合可以進(jìn)一步提高對(duì)弱目標(biāo)的檢測(cè)和定位的性能。但在復(fù)雜多途淺海環(huán)境下, 當(dāng)信號(hào)脈寬大于門限脈寬時(shí), TR聚焦的主峰和旁峰會(huì)產(chǎn)生混疊, 從而導(dǎo)致聚焦峰能量的改變。根據(jù)以上現(xiàn)象, 文章推導(dǎo)出了PTR信噪比處理增益與聲源信號(hào)頻率的關(guān)系, 并得到結(jié)論: 由于TR處理不能完全消除多徑效應(yīng)帶來的時(shí)延擴(kuò)展(鏡反射之外的聲線疊加), 對(duì)于同一PTR檢測(cè)系統(tǒng), 其檢測(cè)性能和定位性能不僅與估計(jì)信道適配程度有關(guān), 還與聲源信號(hào)的時(shí)域特性(信號(hào)頻率、脈寬)相關(guān)。這一研究結(jié)果對(duì)TR通信、TR檢測(cè), 尤其是信源或聲源為長(zhǎng)脈寬窄帶信號(hào)的工程應(yīng)用有一定參考價(jià)值。

水聲信號(hào); 弱目標(biāo); 時(shí)間反轉(zhuǎn); 被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn); 信噪比處理增益

0 引言

隨著聲吶技術(shù)的不斷發(fā)展, 對(duì)目標(biāo)的探測(cè)也從基于自由場(chǎng)發(fā)展為基于波導(dǎo)實(shí)際目標(biāo)的探測(cè)。匹配場(chǎng)處理(matched field processing, MFP)技術(shù)[1]就是基于波導(dǎo)實(shí)際目標(biāo)探測(cè)的典型, 隨后發(fā)展到模基匹配濾波技術(shù)(model-based matched filtering, MBMF)[2], 再到現(xiàn)在的時(shí)間反轉(zhuǎn)(time reversal, TR)技術(shù)。其中, TR技術(shù)正是利用了聲場(chǎng)的互易性和其良好的自適應(yīng)能力, 逐漸成為聲吶探測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。TR技術(shù)是匹配場(chǎng)發(fā)展的產(chǎn)物, 它有效地克服了MFP和MBMF技術(shù)在靜態(tài)波導(dǎo)的適配靈敏性, 從而有了良好的寬容性, 也正是利用了光學(xué)中的相位共軛聚焦原理, 實(shí)現(xiàn)了聲場(chǎng)的空時(shí)聚焦。

1965年, Parvulescu等[3]就對(duì)TR技術(shù)進(jìn)行了初步研究, 但是沒有建立聚焦模型。一直到1989年, Fink等[4]最終在超聲波領(lǐng)域取得了成功, 發(fā)現(xiàn)TR具有良好的空時(shí)聚焦特性, 隨即對(duì)TR做出了定義, 成為TR發(fā)展史上重要的一步。此后Fink等[5]于1992年提出了時(shí)間反轉(zhuǎn)腔(time reversal cavity, TRC)、迭代時(shí)間反轉(zhuǎn)處理(iterative time reversal processing, ITRP)技術(shù)(即脈沖回波型時(shí)間反轉(zhuǎn)處理), 為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)目標(biāo)聚焦提供了新的檢測(cè)手段。

而國(guó)內(nèi)研究中, 超聲領(lǐng)域的TR研究起步于汪承灝院士[6-7], 其團(tuán)隊(duì)在固體、流體和分層介質(zhì)等中的TR自適應(yīng)聚焦方面有著巨大貢獻(xiàn), 證明了TR在不需要介質(zhì)的先驗(yàn)信息情況下實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)聚焦。而水聲領(lǐng)域的TR研究則起步較晚, 其中哈爾濱工程大學(xué)的惠俊英團(tuán)隊(duì)[8-9]在2007年完成了TR的海上實(shí)驗(yàn), 并提出了垂直TR定位算法。西北工業(yè)大學(xué)楊益新教授[10]則提出了一種基于前向預(yù)測(cè)的PTR混響抑制方法。

TR技術(shù)分為兩大類: 主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)(active time reversal, ATR)和被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)(passive time reversal, PTR)。其中, ATR技術(shù)就是將水聽器接收的信號(hào)時(shí)反后通過原信道發(fā)射回去, 從而在聲源處形成一個(gè)聚焦峰, 且無須知道信號(hào)和信道的先驗(yàn)信息[11]。PTR是計(jì)算機(jī)海洋環(huán)境建模技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物, PTR相對(duì)于ATR來說, 在時(shí)反再發(fā)射的處理上有區(qū)別, PTR技術(shù)是在計(jì)算機(jī)里產(chǎn)生一個(gè)估計(jì)信道, 將接收到的信號(hào)時(shí)反后進(jìn)行一次虛擬重發(fā), 當(dāng)估計(jì)信道與真實(shí)海洋信道相匹配時(shí), 就會(huì)在聲源處產(chǎn)生一個(gè)聚焦峰, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和定位。

影響TR探測(cè)性能的因素有很多, 其中水聲信號(hào)頻率對(duì)TR探測(cè)的影響鮮有人研究。在特定脈寬條件下, 由于時(shí)反聚焦后旁峰的存在, 會(huì)產(chǎn)生類似于碼間串?dāng)_的現(xiàn)象, 旁峰會(huì)對(duì)主峰的能量產(chǎn)生影響, 而不同信號(hào)形式對(duì)主峰的影響大不相同, 其中頻率是重要的影響因素。所以不同頻率的信號(hào)經(jīng)過TR處理后, 其能量聚焦的效果也不盡相同。

文中從PTR入手, 在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上分析了PTR技術(shù)對(duì)檢測(cè)和定位性能的提升, 提出了不同頻率的信號(hào)對(duì)PTR性能的影響, 并推導(dǎo)了TR信噪比處理增益與信號(hào)頻率之間的關(guān)系, 研究結(jié)果可為以后的工程應(yīng)用提供一定的借鑒。

1 TR檢測(cè)和定位原理

1.1 單陣元的PTR原理

圖1是單陣元PTR原理圖, 其中, 聲信道Ⅰ為真實(shí)海洋信道, 聲信道Ⅱ?yàn)橛?jì)算機(jī)模擬的估計(jì)信道。

經(jīng)過聲信道Ⅱ后輸出信號(hào)為

由于

則聲信道Ⅰ和聲信道Ⅱ相匹配時(shí)

此時(shí)輸出達(dá)到最大。

1.2 均勻線列陣的PTR檢測(cè)和定位原理

式中: M表示本征聲線的個(gè)數(shù); 為每條本征聲線的幅度衰減系數(shù); 為每條本征聲線對(duì)應(yīng)的時(shí)延。

在強(qiáng)信噪比的條件下, 利用PTR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單水聽器的定位[13-14]。而基于陣列的多陣元PTR定位可以實(shí)現(xiàn)更低信噪比條件下的有效定位。

2 不同頻率信號(hào)對(duì)PTR信噪比處理增益的影響

水下目標(biāo)發(fā)出信號(hào)的特征多種多樣, 其中頻率特性尤為重要。由于多徑效應(yīng)的存在, 淺海多徑信道存在明顯的頻率選擇性衰落。某些頻率的信號(hào)經(jīng)過信道后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重衰落, 這對(duì)水中通信和目標(biāo)探測(cè)會(huì)產(chǎn)生較大影響。

在研究過程中發(fā)現(xiàn), 雖然TR聚焦技術(shù)正是利用多徑效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了本征聲線的自適應(yīng)疊加, 但是多徑效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)延擴(kuò)展以及鏡反射之外疊加的聲線, 會(huì)導(dǎo)致TR的性能具有頻率選擇性。

其幅頻響應(yīng)為

如圖4所示, 當(dāng)信號(hào)恰好處在衰落頻率點(diǎn)上, 由于頻率選擇性的影響, 信號(hào)經(jīng)過信道后會(huì)發(fā)生嚴(yán)重衰減, 從而影響檢測(cè)性能。

進(jìn)一步來說, 接收信號(hào)經(jīng)過TR處理后, 雖然實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)時(shí)延差的補(bǔ)償, 從而達(dá)到了同相疊加。但是TR處理并不能完全消除這種由多徑帶來的時(shí)延擴(kuò)展, 當(dāng)信號(hào)脈寬大于路徑之間的時(shí)延差時(shí), 就會(huì)產(chǎn)生聚焦主峰和旁峰的混疊, 此時(shí)水聲信號(hào)頻率會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)聚焦后主峰的能量。

由式(3)可得, 經(jīng)TR處理后, 信號(hào)部分為

將式(4)代入后可得

化簡(jiǎn)后得

式中: 等號(hào)右側(cè)的第1項(xiàng)是本征聲線的同相疊加, 是TR處理后的主峰; 第2項(xiàng)是本征聲線的兩兩疊加, 構(gòu)成了旁峰, 這是由于虛擬重發(fā)時(shí), 發(fā)射聲線未按照原路徑返回形成的, 即鏡反射之外的聲線。旁峰的位置與各條本征聲線的時(shí)延有關(guān)。

噪聲部分的輸出為

噪聲是不相關(guān)的, 為了方便計(jì)算, 設(shè)每條本征聲線的幅度衰減系數(shù)均為, 所以式(12)和式(13)可以變換為

輸出信噪比為

又由于輸入信噪比為

則信噪比處理增益為

此時(shí), TR處理可以提高信噪比。

為了方便分析, 繼續(xù)引用以上兩徑傳輸?shù)呐e例。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 利用Bellhop軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)信道的仿真

利用Bellhop軟件構(gòu)建信道Ⅰ, 假設(shè)海洋深度為200 m, 目標(biāo)聲源位于水下20 m, 接收機(jī)位于水下30 m, 海底平坦, 海水表面類型聲學(xué)半空間, 海洋環(huán)境聲速梯度圖和本征聲線圖如圖8所示。

可以得到這條信道的單位沖激響應(yīng)和信道幅頻響應(yīng)如圖9所示。

Fig.10Time-domain diagram of signals with TR process

圖10(a)中, 頻率為2043 Hz的CW信號(hào)經(jīng)TR處理后受到旁峰干擾, 且頻率恰好位于衰落點(diǎn), 主峰衰減嚴(yán)重; 而圖10(b)中頻率為2130 Hz的CW信號(hào), 經(jīng)TR處理后, 雖然主峰與旁峰產(chǎn)生混疊, 但是主峰能量并未受到削減。

3.2 分析比較不同頻率信號(hào)的PTR檢測(cè)性能

從檢測(cè)性能上進(jìn)行分析, 基于虛警概率為5%的奈曼皮爾遜準(zhǔn)則進(jìn)行檢測(cè), 當(dāng)檢測(cè)概率達(dá)到95%時(shí), 認(rèn)定目標(biāo)存在。

3.3 分析比較不同頻率信號(hào)的PTR定位性能

根據(jù)之前信道環(huán)境和預(yù)設(shè)條件, 從定位的性能上進(jìn)行分析, 接收機(jī)處的輸入信噪比為－5 dB, 接收機(jī)位于水下30 m, 坐標(biāo)為(0, 30), 聲源預(yù)設(shè)坐標(biāo)為(3 000, 20)。

圖 12表示頻率分別為 2 043 Hz和2 130 Hz時(shí)的CW信號(hào)定位結(jié)果?？梢钥闯? 圖12(a)中的能量峰值點(diǎn)位置不明確, 其他位置有散在峰值點(diǎn), 旁峰干擾大, 聲源位置的能量不明顯; 而圖12(b)中, 輸出信號(hào)能量峰值在(3000, 20)附近, 與預(yù)設(shè)位置相近, 聲源處能量聚焦明顯。所以, 在同樣的預(yù)設(shè)條件下, 頻率為2 130 Hz的CW信號(hào)定位精度更好。

4 結(jié)束語

PTR技術(shù)是一門新興的技術(shù), 它在多個(gè)領(lǐng)域均有著廣闊的應(yīng)用前景。尤其是陣列技術(shù)和TR相結(jié)合大大提高了對(duì)水下弱目標(biāo)的探測(cè)能力。文中從PTR出發(fā), 提出了當(dāng)信號(hào)時(shí)延滿足一定條件時(shí), TR處理性能與目標(biāo)信號(hào)的頻率有很大關(guān)系, 推導(dǎo)了信號(hào)頻率和輸出信噪比增益的關(guān)系, 并從檢測(cè)和定位兩個(gè)角度進(jìn)行了仿真驗(yàn)證, 得出結(jié)論: TR處理增益與信號(hào)的脈寬和頻率相關(guān), 當(dāng)脈寬大于門限值時(shí), 信號(hào)頻率是影響TR聚焦后主峰能量的重要因素。研究結(jié)果可為以后的工程實(shí)踐提供一定的借鑒。雖然一些文獻(xiàn)中提出可以利用TR加窗的方法抑制旁峰, 但是當(dāng)旁峰與主峰產(chǎn)生混疊時(shí), 窗函數(shù)的參數(shù)選擇會(huì)很困難, 處理效果較差。如何將旁峰成分從主峰中分離, 提高TR的處理增益, 還有待進(jìn)一步研究。

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Effect of Underwater Acoustic Signal Frequency on Performance of Time Reversal Detection

WANG Ming-hao, WANG Hai-yan, SHEN Xiao-hong, ZHANG Zhi-chen

(Key Laboratory of Ocean Acoustics and Sensing (Northwestern Polytechnical University), Ministry of Industry and Information Technology, Xi’an 710072, China)

How to detect weak targets in complex multi-path shallow sea environment has become a research hotspot in the field of underwater sound detection, in which the time reversal(TR) has broad applications. According to literature, the combination of passive time-reversal(PTR) and array signal processing(ASP) can improve the performance of the weak target detection and positioning. In complex multi-path shallow sea environment, the main peak and the side peak of TR focusing overlap when the signal pulse width is greater than the threshold. Therefore, the overlapping could have a great impact on the power of focusing peak. According to these phenomena, this paper derives the relationship between the processing gain of PTR signal-to-noise ratio and the signal frequency, and reaches a conclusion that since TR processing cannot completely avoid delay spread (overlapping of sound line beyond mirror reflection), as for the same PTR detection system, its performance of detection and positioning relates to both the matching of estimated signal channel and the features(frequency and pulse width) of sound source in time domain. This study may provide a reference for TR communication and TR detection, especially for the case where information source or sound source is the signal with large pulse-width and narrow band.

underwater acoustic signal; weak target; time reversal; passive time reversal; signal-to-noise ratio processing gain

TJ630.34; TN929.3; TB566

A

2096-3920(2018)05-0480-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.016

2018-07-27;

2018-09-11.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC1400200).

王銘灝(1995-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理、水聲通信組網(wǎng).

王銘灝,王海燕,申曉紅,等.水聲信號(hào)頻率對(duì)時(shí)間反轉(zhuǎn)探測(cè)性能的影響[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào),2018,26(5): 480-486.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)