穩(wěn)健聲線擾動(dòng)特征用于淺海小目標(biāo)定位?

劉帥京 許 楓 楊 娟

(1 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 海洋聲學(xué)技術(shù)中心 北京 100190)(2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引言

港口淺海區(qū)域的水下監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)港口的安全防護(hù)具有重要的意義。北約水下研究中心(NATO Undersea Research Centre,NURC)提出了將垂直發(fā)射陣和垂直接收陣組成的聲學(xué)絆網(wǎng)用于水下入侵目標(biāo)的探測(cè)[1]。前向散射信號(hào)的強(qiáng)度比其他方向的信號(hào)強(qiáng)度更強(qiáng)更穩(wěn)健，應(yīng)用前向散射信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受其他方向影響小等優(yōu)點(diǎn)，然而前向散射信號(hào)受到強(qiáng)直達(dá)波的干擾造成前向散射信號(hào)的檢測(cè)十分困難[2?3]。在近距離的小目標(biāo)探測(cè)問題中，信道起伏變化引起的聲場擾動(dòng)可能會(huì)淹沒前向散射信號(hào)引起的擾動(dòng)，因此需要研究穩(wěn)健的目標(biāo)探測(cè)和定位算法，以適用于動(dòng)態(tài)的海洋環(huán)境。

當(dāng)目標(biāo)位于發(fā)射和接收的連接線附近時(shí)，目標(biāo)的前向散射信號(hào)與直達(dá)波信號(hào)產(chǎn)生“遮蔽效應(yīng)”，造成接收信號(hào)的能量減小，引起一些特定路徑的聲線發(fā)生擾動(dòng)，應(yīng)用這一特性，可采用擾動(dòng)聲線類的方法實(shí)現(xiàn)淺海的目標(biāo)定位。Folegot等[1]提出將目標(biāo)引起的擾動(dòng)聲線進(jìn)行幾何交匯實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，并通過處理BARRIER-04的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了算法的有效性。Marandet等[4]開展了應(yīng)用超聲波的等比縮放實(shí)驗(yàn)?zāi)M了淺海環(huán)境，并利用擾動(dòng)聲場的波動(dòng)理論將目標(biāo)定位問題轉(zhuǎn)化為聲場波阻抗的反演問題。Yildiz等[5]應(yīng)用多基地系統(tǒng)，采用基于數(shù)據(jù)的擾動(dòng)聲壓敏感核方法實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)定位。

唐浩等開展了湖上實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用20～28 kHz的線性調(diào)頻信號(hào)將擾動(dòng)聲線類算法用于自然環(huán)境中的小目標(biāo)定位，用小尺寸的充水鐵球代替目標(biāo)，利用聲壓敏感核的空間分布與聲線傳播路徑保持一致的特性實(shí)現(xiàn)了基于擾動(dòng)聲壓敏感核的目標(biāo)定位，并對(duì)陣列、海底起伏等因素進(jìn)行了分析[6?7]。

以上的研究和實(shí)驗(yàn)都是在較為平穩(wěn)的環(huán)境下進(jìn)行的，平穩(wěn)環(huán)境中可以假設(shè)目標(biāo)引起的聲場擾動(dòng)遠(yuǎn)大于信道自身變化引起的聲場擾動(dòng)，然而在海洋環(huán)境中，高頻條件下的信道起伏對(duì)聲場的影響較大，接收信號(hào)的到達(dá)結(jié)構(gòu)因信道變化存在不穩(wěn)定性，從而會(huì)影響擾動(dòng)聲線類目標(biāo)定位算法的性能。為此，本文開展了港口淺海環(huán)境的蛙人穿越實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采用了中心頻率為22.5 kHz、帶寬為15 kHz的線性調(diào)頻信號(hào)。從實(shí)驗(yàn)中的聲場擾動(dòng)情況可知，雖然動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境中的接收信號(hào)存在不同程度的起伏，但是仍然有一部分傳播聲線對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)受信道變化的影響較小，因此提出了基于穩(wěn)健聲線擾動(dòng)特征的目標(biāo)定位方法，該方法利用蛙人穿越發(fā)射陣和接收陣組成的垂直平面時(shí)引起的穩(wěn)健聲線擾動(dòng)特征，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信道變化條件下的小目標(biāo)定位。

1 基于穩(wěn)健聲線擾動(dòng)的目標(biāo)定位方法

1.1 目標(biāo)引起聲場擾動(dòng)的波動(dòng)理論

令G(ω;rr,rs)表示聲源rs到接收點(diǎn)rr之間的格林函數(shù)，ω為信號(hào)的角頻率，在各向同性的介質(zhì)中，格林函數(shù)滿足亥姆霍茲方程，即

當(dāng)介質(zhì)中的傳播速度c和密度ρ發(fā)生局部擾動(dòng)變?yōu)閏+δc和ρ+δρ時(shí)，擾動(dòng)后的格林函數(shù)G+δG滿足

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的推導(dǎo)，在一階Born近似的條件下，位于r′處的小目標(biāo)引起的擾動(dòng)格林函數(shù)為

其中，φs表示向量rr?rs和向量r′?rs之間的夾角，φr表示向量rs?rr和向量r′?rr之間的夾角，散射角φs和φr的示意圖如圖1所示。

圖1 目標(biāo)散射角度的示意圖Fig.1 The illustration of the scatter angles

從式(3)可以看出，目標(biāo)引起聲場擾動(dòng)的本質(zhì)是目標(biāo)所在位置的聲速和密度發(fā)生了變化。

1.2 水聲信道中的擾動(dòng)聲壓變化

在遠(yuǎn)場條件下，目標(biāo)的散射特性可以用形態(tài)函數(shù)f∞來表示，設(shè)入射場為p0，那么散射信號(hào)ps(r)可以表示為

其中，k是波數(shù)，r表示接收點(diǎn)到散射體的距離。對(duì)于小的球體目標(biāo)，即當(dāng)ka?1時(shí)(a是球體目標(biāo)的半徑)，形態(tài)函數(shù)f∞具有如下的形式：

在一階Born近似的假設(shè)條件下，式(6)可以表示為

其中，j1(x)表示一階球形貝塞爾函數(shù)。

設(shè)聲場中發(fā)射信號(hào)的頻譜為S(ω)，應(yīng)用逆傅里葉變換可以得到接收聲壓場p0(t;rr,rs)和擾動(dòng)聲壓場δp(t;rr,rs,r′)的表達(dá)式分別為

那么接收聲場的相對(duì)聲壓變化表示為[8]

對(duì)于淺海中的多途信道，不同路徑的傳播信號(hào)可以看作是聲源關(guān)于反射界面的虛源對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)，經(jīng)界面反射后的聲線對(duì)應(yīng)的相對(duì)聲壓變化分布可以通過虛源與接收點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)聲線關(guān)于界面折疊得到[4]。應(yīng)用式(10)的表達(dá)式，在水深為10 m、收發(fā)距離為50 m的聲場中對(duì)相對(duì)聲壓變化的分布進(jìn)行仿真，設(shè)聲速沿深度均勻分布，聲速值為1500 m/s，聲源位于水下5 m，接收水聽器位于水下5.5 m，設(shè)發(fā)射信號(hào)是中心頻率為22.5 kHz、帶寬為15 kHz、時(shí)間寬度為10 ms的線性調(diào)頻信號(hào)。圖2給出了一次水底反射路徑的相對(duì)聲壓變化分布圖，水平距離和垂直距離上的步長分別設(shè)為0.05 m和0.025 m，小目標(biāo)球的參數(shù)設(shè)為半徑為0.2 m的鐵質(zhì)實(shí)心球，圖中每個(gè)點(diǎn)的值表示的是目標(biāo)位于該點(diǎn)時(shí)一次水底反射波的相對(duì)幅值變化，該圖的數(shù)值分布表明了擾動(dòng)聲壓敏感核的空間分布形狀與聲線路徑保持一致，當(dāng)目標(biāo)位于傳播聲線附近的第一菲涅耳區(qū)內(nèi)時(shí)，接收信號(hào)的相對(duì)聲壓變化為負(fù)值。

圖2 一次水底反射路徑的擾動(dòng)聲壓敏感核空間分布Fig.2 The spatial distribution of pressure kernel for eigenray of the once bottom bounce

1.3 基于穩(wěn)健聲線擾動(dòng)特征定位方法的處理流程

本文采用的探測(cè)系統(tǒng)由發(fā)射垂直陣和接收垂直陣構(gòu)成，如圖3所示，圖中的SA和RA分別表示發(fā)射陣列和接收陣列，T表示目標(biāo)，多組發(fā)射和接收之間的本征聲線構(gòu)成了用于目標(biāo)探測(cè)的聲學(xué)絆網(wǎng)。當(dāng)目標(biāo)位于某一條傳播聲線上時(shí)，目標(biāo)引起的遮蔽效應(yīng)會(huì)造成該聲線的到達(dá)波信號(hào)出現(xiàn)“陰影”，對(duì)應(yīng)了聲壓敏感核在第一菲涅耳區(qū)內(nèi)的負(fù)值，對(duì)于沒有照射到目標(biāo)上的聲線，接收信號(hào)的擾動(dòng)非常微弱，可忽略不計(jì)，因此可以通過對(duì)發(fā)生明顯擾動(dòng)的聲線(或未發(fā)生擾動(dòng)的聲線)進(jìn)行幾何交匯實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。

圖3 探測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.3 The illustration of the detection system

實(shí)際的海洋環(huán)境中，高頻條件下的接收信號(hào)擾動(dòng)受信道自身起伏的影響較大，但在一定的條件下，某些路徑的擾動(dòng)受信道的影響較小，將這些受信道影響較小的聲線稱為穩(wěn)健聲線，本文提出的基于穩(wěn)健聲線擾動(dòng)特征的定位方法就是通過篩選這些穩(wěn)健聲線中的擾動(dòng)聲線進(jìn)行目標(biāo)定位的，圖4給出了該定位方法的處理流程圖，實(shí)現(xiàn)過程如下：

圖4 擾動(dòng)聲線定位方法的處理流程圖Fig.4 The scheme of the localization method based on perturbed eigenrays

(1)穩(wěn)健聲線提?。河^測(cè)無目標(biāo)時(shí)的背景聲場，根據(jù)不同傳播路徑到達(dá)波的傳播時(shí)延和信號(hào)幅值的擾動(dòng)情況提取接收信號(hào)到達(dá)結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定成分，穩(wěn)定到達(dá)結(jié)構(gòu)中的所有到達(dá)聲線作為穩(wěn)健聲線，構(gòu)成待篩選聲線的集合Q，設(shè)集合中聲線元素的個(gè)數(shù)為M；

(2)確定篩選閾值：以無目標(biāo)條件下的背景聲場中到達(dá)信號(hào)幅度的平均值作為參考幅度，設(shè)集合Q中第m條聲線的參考幅度為Am，幅度擾動(dòng)量為δAm，那么該聲線的相對(duì)幅值變化為δAm/Am，通過觀測(cè)相對(duì)幅值變化的分布和擾動(dòng)情況確定閾值Thm；

(3)篩選擾動(dòng)聲線：依次觀測(cè)集合Q中聲線的相對(duì)幅值變化，如果相對(duì)幅度變化大于設(shè)定的閾值Thm，則將第m條聲線加入擾動(dòng)聲線集合Q中；

2 湖試實(shí)驗(yàn)和性能分析

直接對(duì)淺海聲場中的目標(biāo)前向散射信號(hào)進(jìn)行建模較為困難，本節(jié)先對(duì)文獻(xiàn)[6]中的湖試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析穩(wěn)健聲線集大小對(duì)探測(cè)區(qū)域和定位結(jié)果的影響。

2.1 湖試實(shí)驗(yàn)介紹

湖試實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和圖3基本相同，圖5給出了發(fā)射陣和接收陣的布局圖，發(fā)射陣由5個(gè)發(fā)射換能器組成，接收陣由16個(gè)接收陣元組成，發(fā)射陣和接收陣均為剛性連接。發(fā)射陣元的深度分別為9.9 m、10.3 m、10.7 m、14.1 m和18.1 m，接收陣元?jiǎng)t均勻分布在水下4.2～16.2 m，水深約為24 m，收發(fā)距離約為71 m，水底地形未知。圖6是聲傳播速度隨深度的分布情況，水深小于5 m時(shí)，聲速近似均勻分布，聲速值約為1452 m/s，在水深大于5 m時(shí)，聲速呈負(fù)梯度下降。

圖5 湖試實(shí)驗(yàn)陣元布放示意圖Fig.5 The illustration of the positions of sources and receivers in lake experiment

圖6 湖試實(shí)驗(yàn)環(huán)境的聲速分布曲線Fig.6 The curve of sound speed pro file in lake experiment

實(shí)驗(yàn)中采用半徑為0.2 m的充水鐵球作為目標(biāo)球，通過繩子連接目標(biāo)球和水面浮子，目標(biāo)球和浮子之間的繩長即目標(biāo)位于水下的深度，應(yīng)用GPS對(duì)水面浮子進(jìn)行定位，從而間接確定目標(biāo)的位置。保持水面浮子位置不變，那么在平穩(wěn)環(huán)境的條件下，可以假設(shè)目標(biāo)的位置保持不變。各個(gè)發(fā)射陣元單獨(dú)反射信號(hào)，發(fā)射信號(hào)的周期為0.5 s，然后分別記錄不同發(fā)射陣元對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)矩陣。實(shí)驗(yàn)中采用的發(fā)射信號(hào)為中心頻率為24 kHz、帶寬為8 kHz、時(shí)間長度為10 ms的線性調(diào)頻信號(hào)，接收信號(hào)的采樣頻率為120 kHz。在圖3所示的探測(cè)系統(tǒng)中，以發(fā)射垂直陣所在直線與水面的交點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，設(shè)水平指向接收陣的方向?yàn)閤軸方向，垂直指向海底的方向?yàn)閦軸方向。

兩個(gè)垂直陣的陣元分別從上至下進(jìn)行編號(hào)。圖7給出了第1號(hào)發(fā)射陣元對(duì)應(yīng)的陣列接收信號(hào)經(jīng)匹配濾波后的輸出結(jié)果，圖中的數(shù)據(jù)是采用時(shí)間長度為35 ms的時(shí)間窗截取出的信號(hào)部分，橫坐標(biāo)的時(shí)間表示相對(duì)到達(dá)時(shí)間，從圖7中可以看出不同深度的接收信號(hào)具有不同的信號(hào)到達(dá)結(jié)構(gòu)，且根據(jù)這些到達(dá)結(jié)構(gòu)可清晰地分辨出不同傳播路徑的到達(dá)波信號(hào)。

圖7 第1號(hào)發(fā)射陣元對(duì)應(yīng)的接收陣列信號(hào)結(jié)構(gòu)Fig.7 The received structure of the 1stsource element

以第4號(hào)接收陣元的接收信號(hào)為例分析接收信號(hào)的到達(dá)結(jié)構(gòu)，如圖8所示，從圖中可以看出，接收信號(hào)中主要存在5條主要的到達(dá)波，分別對(duì)應(yīng)直達(dá)路徑、一次水底反射路徑、一次水面反射路徑、水面-水底反射路徑和水底-水面反射路徑，這些路徑的到達(dá)信號(hào)已用數(shù)字#1～#5標(biāo)出，同時(shí)可以從圖中觀察到，除這5條主要途徑之外還存在一些散射信號(hào)干擾了真實(shí)的到達(dá)信號(hào)，如圖8中用“*”標(biāo)出的到達(dá)波，這與未知的海底環(huán)境以及水下可能存在的其他反射源有關(guān)。

圖8 第1號(hào)發(fā)射陣元、第4個(gè)接收通道的接收信號(hào)結(jié)構(gòu)Fig.8 The received structure of the 1stsource element and the 4threceiving channel

考慮每對(duì)收發(fā)之間的5條主要到達(dá)成分，得到如圖9(a)所示的本征聲線分布圖。提出的目標(biāo)定位方法主要是通過篩選穩(wěn)定到達(dá)結(jié)構(gòu)中的擾動(dòng)聲線實(shí)現(xiàn)的，因此該探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)范圍即待篩選聲線集Q中所有聲線的第一菲涅耳區(qū)形成的區(qū)域，結(jié)合擾動(dòng)聲壓敏感核的空間分布，可以得到該實(shí)驗(yàn)中的探測(cè)范圍如圖9(b)所示，從圖中可以看到，由于陣元位置分布以及不同傳播聲線路徑的差異，探測(cè)區(qū)域內(nèi)不同位置的聲線分布密度不相同，在湖試實(shí)驗(yàn)的陣列參數(shù)條件下，探測(cè)區(qū)域的左上方、左下方、右上方和右下方4個(gè)區(qū)域均為探測(cè)盲區(qū)。

圖9 湖試實(shí)驗(yàn)的探測(cè)區(qū)域Fig.9 The detection area in lake experiment

2.2 定位結(jié)果

高頻條件下，小目標(biāo)的前向散射信號(hào)引起的接收聲場擾動(dòng)非常微弱，海洋中信道自身的變化引起的聲場擾動(dòng)有可能會(huì)淹沒穿越目標(biāo)對(duì)接收聲場引起的擾動(dòng)，從而影響定位結(jié)果。然而在一定的條件下，聲場中一些特定的傳播聲線受海面等環(huán)境因素的影響較小，信號(hào)到達(dá)結(jié)構(gòu)可以保持相對(duì)穩(wěn)定。僅采用接收聲場到達(dá)結(jié)構(gòu)中穩(wěn)態(tài)成分中包含的穩(wěn)健聲線進(jìn)行定位，不僅可以簡化計(jì)算量，而且可以提高動(dòng)態(tài)環(huán)境中定位算法的魯棒性。本節(jié)對(duì)湖試實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)位于(8.0 m,14.1 m)的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別對(duì)聲線數(shù)目較多的聲線集定位結(jié)果和對(duì)聲線數(shù)目較小的聲線集定位結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證本文提出的定位方法的可行性。

首先分析各個(gè)發(fā)射陣元對(duì)應(yīng)的陣列接收信號(hào)結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同傳播路徑的本征聲線到達(dá)時(shí)間的差異分離聲線，然后將所有可區(qū)分的聲線記錄到集合Q中。由于該實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的接收信號(hào)主要有5個(gè)到達(dá)成分，因此每對(duì)發(fā)射-接收之間只記錄5條到達(dá)聲線。

對(duì)比無目標(biāo)條件下和有目標(biāo)條件下的接收信號(hào)，每個(gè)聲線的幅值采用連續(xù)11個(gè)發(fā)射周期內(nèi)的平均值進(jìn)行計(jì)算，并統(tǒng)計(jì)集合Q中每條聲線的相對(duì)聲壓變化，然后分析發(fā)射-接收之間所有聲線的相對(duì)聲壓變化分布，得到圖10所示的結(jié)果，圖10(a)和圖10(b)分別表示無目標(biāo)和有目標(biāo)時(shí)的相對(duì)聲壓變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖中可以看出，當(dāng)聲場中沒有目標(biāo)時(shí)，各個(gè)聲線的相對(duì)聲壓變化分布曲線的峰值位于0，且正擾動(dòng)和負(fù)擾動(dòng)的數(shù)量基本保持平衡；而當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在聲場中時(shí)，發(fā)生負(fù)擾動(dòng)的聲線數(shù)目增多，正擾動(dòng)和負(fù)擾動(dòng)的數(shù)量出現(xiàn)明顯的差異，另外可以觀察到，有目標(biāo)存在時(shí)，聲線相對(duì)聲壓變化的范圍明顯大于無目標(biāo)情況下的擾動(dòng)范圍。

圖10 相對(duì)聲壓變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.10 The distributions of relative pressure changes

在發(fā)射陣和接收陣構(gòu)成的探測(cè)平面內(nèi)，x軸和z軸均采用0.1 m的間隔對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行劃分，然后根據(jù)圖10(b)中各個(gè)聲線相對(duì)聲壓變化的分布情況確定擾動(dòng)聲線的集合Qp，并應(yīng)用式(10)分別計(jì)算每個(gè)擾動(dòng)聲線的相對(duì)聲壓變化值，最后采用1.3節(jié)中處理過程的第(4)步和第(5)步得到目標(biāo)球的定位模糊圖，如圖11(a)所示。從圖11(a)中讀取亮點(diǎn)區(qū)域的位置作為目標(biāo)位置的估計(jì)值，即(7.2 m,14.4 m)，與理論值相比，定位結(jié)果的絕對(duì)誤差為(0.8 m，0.3 m)。圖11(b)和圖11(c)分別給出了x=7.2和z=14.4時(shí)定位模糊圖的截面曲線，分別對(duì)應(yīng)目標(biāo)所在位置的垂直線和水平線，對(duì)比兩幅圖可以看出，在該湖試實(shí)驗(yàn)的條件下，擾動(dòng)聲線類目標(biāo)定位方法得到的目標(biāo)位置在深度方向上的精度更高，主瓣寬度大致為6.6 m，而在水平方向上的主瓣寬度大致為14.2 m。

圖12(a)給出了僅采用直達(dá)路徑聲線的定位結(jié)果，圖12(b)給出了僅采用直達(dá)路徑和一次水底反射路徑的定位結(jié)果，結(jié)合圖11進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明采用掠射角更大的聲線可以增加目標(biāo)位置的相關(guān)信息，從而提高目標(biāo)定位的精度。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的目標(biāo)位置，直達(dá)路徑的擾動(dòng)聲線提供了目標(biāo)的深度信息，而一次水底反射路徑的聲線擾動(dòng)提供了目標(biāo)的距離信息，因此僅采用直達(dá)路徑和一次水底反射路徑即可確定目標(biāo)位置的大致范圍，但與圖11相比，定位結(jié)果的精度具有一定的損失。

圖11 湖試實(shí)驗(yàn)的定位結(jié)果Fig.11 Location result of the lake experiment

圖12 不同聲線集合下的定位結(jié)果Fig.12 Location result with different set of eigenrays

3 海上實(shí)驗(yàn)

3.1 海上實(shí)驗(yàn)介紹

在深度為5.5 m、收發(fā)距離為50 m的海洋環(huán)境中開展蛙人穿越實(shí)驗(yàn)，發(fā)射陣和接收陣均為8個(gè)陣元組成的垂直陣，陣元間距均為0.6 m，從上至下給垂直陣的陣元編號(hào)，發(fā)射陣的第1號(hào)陣元位于水下1.1 m，接收陣的第1號(hào)陣元位于水下1.2 m，發(fā)射陣和接收陣均為剛性連接，且兩個(gè)垂直陣通過GPS系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步，圖13給出了海試中各個(gè)陣元布放位置的示意圖。采用溫鹽深儀(Conductivity,temperature,depth,CTD)測(cè)量得到的聲速分布曲線如圖14所示，從中可以看出，聲傳播速度在聲場中均勻分布，聲速值約為1535 m/s。

圖13 海試實(shí)驗(yàn)陣元布放示意圖Fig.13 The illustration of the positions of sources and receivers in sea experiment

圖14 海試實(shí)驗(yàn)環(huán)境的聲速分布曲線Fig.14 The curve of sound speed pro file in sea experiment

實(shí)驗(yàn)中的發(fā)射信號(hào)為中心頻率為22.5 kHz、帶寬為15 kHz的線性調(diào)頻信號(hào)，時(shí)間寬度為10 ms，采樣率為120 kHz，由潛水員橫穿收發(fā)連線模擬蛙人穿越基線的情況，在目標(biāo)穿越過程中，發(fā)射陣列的發(fā)射源依次發(fā)射信號(hào)，發(fā)射信號(hào)周期為0.5 s。圖15是實(shí)驗(yàn)中采用的兩條目標(biāo)穿越軌跡的示意圖，兩次穿越的位置分別與收發(fā)中點(diǎn)的距離為10 m和0.5 m，實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)穿越時(shí)的深度不能確定。

圖15 目標(biāo)穿越時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.15 The diagram of tracks of the crossing target

以第2號(hào)發(fā)射為例，圖16給出了第5號(hào)接收陣元的接收信號(hào)在400 s內(nèi)的接收到達(dá)結(jié)構(gòu)變化，從圖中可以看出該接收信號(hào)主要有5個(gè)到達(dá)成分，在圖中已分別用數(shù)字#1～#5標(biāo)出，前3個(gè)到達(dá)波分別對(duì)應(yīng)直達(dá)路徑、一次水面反射路徑、一次水底反射路徑，每個(gè)到達(dá)波隨著時(shí)間發(fā)生不同程度的擾動(dòng)。從圖16中可看出，第1條和第3條到達(dá)波的擾動(dòng)幅度最小，第2個(gè)到達(dá)波的傳播時(shí)延和幅度的變化范圍較大，這主要是因?yàn)榈?條到達(dá)波經(jīng)過了一次海面反射，海面受波浪和風(fēng)速等影響產(chǎn)生的水面起伏引起了第2條到達(dá)波的擾動(dòng)。

圖16 第2號(hào)發(fā)射陣元、第5號(hào)接收通道在400 s內(nèi)的到達(dá)結(jié)構(gòu)變化Fig.16 The dynamic received structure of the 5th receiving channel with the 2ndsource in 400 s

圖17是第2號(hào)發(fā)射陣元對(duì)應(yīng)的陣列接收信號(hào)結(jié)構(gòu)，由于海試環(huán)境中水深和收發(fā)距離的比值較小，第1條到達(dá)波和第2條到達(dá)波的傳播時(shí)延相差較小，與圖7中湖試數(shù)據(jù)的接收結(jié)構(gòu)相比可以觀察到，海試實(shí)驗(yàn)的接收信號(hào)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

圖17 第2號(hào)發(fā)射陣元對(duì)應(yīng)的接收陣列信號(hào)結(jié)構(gòu)Fig.17 The received structure of the 2ndsource element

3.2 探測(cè)區(qū)域分析

根據(jù)海試實(shí)驗(yàn)的環(huán)境和陣元位置，得到聲場中的聲線分布圖和探測(cè)區(qū)域如圖18所示，此處的每對(duì)發(fā)射和接收之間仍選用5條聲線進(jìn)行分析。由于海試環(huán)境中的陣元位置在水下的分布比較分散，海試探測(cè)盲區(qū)較小，值得注意的是，這里的海底假設(shè)為平面，而實(shí)際上的海底地形會(huì)更復(fù)雜。對(duì)比圖9(b)和圖18可以看出，在海試條件下均勻分布的陣元構(gòu)成的探測(cè)區(qū)域中，聲線分布的密度更均勻。

圖18 海試實(shí)驗(yàn)的探測(cè)區(qū)域Fig.18 The detection area in sea experiment

對(duì)每對(duì)發(fā)射-接收對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)到達(dá)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化圖進(jìn)行分析，根據(jù)每條聲線的幅值和到達(dá)時(shí)延等參數(shù)的擾動(dòng)情況人工選取穩(wěn)健聲線。圖16的動(dòng)態(tài)分析結(jié)果表明，在海洋環(huán)境中，經(jīng)海面反射的聲線受到的影響較大，因此穩(wěn)定的到達(dá)結(jié)構(gòu)中主要包含直達(dá)路徑和一次水底反射路徑，那么穩(wěn)健聲線集合Q中一共包含128(8×8×2)條聲線，根據(jù)這些穩(wěn)健聲線的分布可以得到基于穩(wěn)健聲線擾動(dòng)特征定位方法的探測(cè)區(qū)域，如圖19所示。

圖19 穩(wěn)健聲線的探測(cè)區(qū)域Fig.19 The detection area with robust eigenrays

對(duì)比圖18和圖19的結(jié)果可以看出，由于舍棄了受環(huán)境影響較大的大掠射角聲線，穩(wěn)健聲線構(gòu)成的探測(cè)區(qū)域變小，且聲線分布密度在探測(cè)的區(qū)域內(nèi)的分布變得不均勻，此時(shí)的探測(cè)范圍主要依賴兩個(gè)垂直陣的陣元分布與海底構(gòu)成的區(qū)域，靠近海面的部分變?yōu)樘綔y(cè)盲區(qū)，因此可以通過改變第1號(hào)陣元與海面的距離調(diào)整探測(cè)區(qū)域。

3.3 篩選擾動(dòng)聲線

以圖15中的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡#1為例介紹篩選擾動(dòng)聲線的過程。圖20(a)是第8號(hào)發(fā)射的第8號(hào)接收通道的直達(dá)路徑信號(hào)在目標(biāo)穿越過程中的擾動(dòng)情況，圖20(b)是第7接收通道和第7接收通道的直達(dá)路徑信號(hào)在目標(biāo)穿越過程中的擾動(dòng)情況，這兩幅圖分別表示了沒有受到目標(biāo)影響的聲線擾動(dòng)情況和目標(biāo)引起擾動(dòng)的聲線變化，圖中的紅色橫線表示無目標(biāo)時(shí)接收信號(hào)幅度的平均值。

圖20 不同聲線的擾動(dòng)情況Fig.20 The perturbation of different eigenrays

在目標(biāo)的穿越過程中，分別觀測(cè)集合Q中每一條穩(wěn)健聲線的相對(duì)聲壓變化情況，并根據(jù)每條聲線的實(shí)際情況設(shè)定閾值，篩選擾動(dòng)聲線，從而確定擾動(dòng)聲線的集合Qp。有些聲線的擾動(dòng)曲線可能會(huì)出現(xiàn)非目標(biāo)引起的擾動(dòng)尖峰，如圖20(b)中用黑框標(biāo)出的部分，這一方面可能來自于動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境自身引起的接收信號(hào)變化，另一方面可能來自于傳播時(shí)延估計(jì)值與實(shí)際接收信號(hào)結(jié)構(gòu)的誤差，因此這里只對(duì)同一時(shí)刻發(fā)生擾動(dòng)的聲線進(jìn)行篩選，以排除環(huán)境等影響因素，多條聲線同時(shí)發(fā)生擾動(dòng)的時(shí)刻則代表了目標(biāo)穿越收發(fā)連線的時(shí)刻。

3.4 定位結(jié)果

處理圖15中的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡#1和運(yùn)動(dòng)軌跡#2，對(duì)篩選出的擾動(dòng)聲線進(jìn)行幾何疊加，水平方向和垂直方向的劃分間隔分別設(shè)為0.05 m和0.025 m。圖21給出了兩個(gè)穿越軌跡的定位模糊圖，得到的定位結(jié)果分別為(3.975 m,13.3 m)和(3.4 m,25.25 m)。根據(jù)圖15給出的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，目標(biāo)兩次穿越基線時(shí)與發(fā)射陣列的距離(即x軸坐標(biāo))為15 m和25.5 m，和圖21給出的定位結(jié)果相比相差不大，可認(rèn)為本文提出的方法可在淺海港口環(huán)境中對(duì)穿越目標(biāo)進(jìn)行定位。

圖21 海試實(shí)驗(yàn)的定位結(jié)果Fig.21 Location result of the sea experiment

綜上，本文提出的方法主要依賴于接收信號(hào)中穩(wěn)定成分的擾動(dòng)情況，當(dāng)自然環(huán)境非常惡劣，以至于無法提取出穩(wěn)健聲線時(shí)，該方法將會(huì)失效。綜合湖試和海試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，擾動(dòng)聲線類目標(biāo)定位方法的探測(cè)范圍主要與陣元分布以及觀測(cè)聲線的分布有關(guān)，陣元在水下覆蓋的深度越深，陣元分布的分散程度越大，探測(cè)范圍則越大。小掠射角的聲線可以提供目標(biāo)可能存在的大致范圍，結(jié)合大掠射角聲線則可以確定目標(biāo)位置，提高定位精度。

4 結(jié)論

為研究動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境中的擾動(dòng)聲線類定位方法，本文提出了基于穩(wěn)健聲線擾動(dòng)特征的目標(biāo)定位方法，應(yīng)用湖試實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)球數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提算法的可行性，然后通過對(duì)海試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析了接收信號(hào)中的主要到達(dá)成分，得到了聲場的穩(wěn)定到達(dá)結(jié)構(gòu)，從而將該算法應(yīng)用于港口的海洋環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了穿越蛙人在探測(cè)平面內(nèi)的目標(biāo)定位。

本文中的實(shí)驗(yàn)是在動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境下進(jìn)行，且實(shí)驗(yàn)中的收發(fā)距離與水深的比例約為1:10，與超聲等比縮放實(shí)驗(yàn)和湖試實(shí)驗(yàn)相比更具有說服力和實(shí)用價(jià)值，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說明了僅采用直達(dá)路徑和一次水底反射路徑等受海面影響較小的聲線即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，該方法不僅可以減小算法的復(fù)雜度，而且在動(dòng)態(tài)環(huán)境中具備一定的魯棒性。