（水声工程专业论文）矢量反转镜时空滤波技术及其在水声中的应用.pdf

哈尔滨工稷大学博士学位论文 阵t r m 定位能力的仿真分析，讨论了阵元阗g 匿变化对时反镶定位效果的影 响，绘澎豹积极结论对今后豹t r m 研究方向裔指导意义。 论文的最后对被动式矢量反转镜的试验数据进行了处理，给出了高速、 近程运动目标矢量反转镜被动定像的结果，试验结果与理论、仿真结果熬本 稿符，支持帮鼓舞了该项薪技术瓣实际瘟用。 关键词：时间反转法；自适应聚焦；声压振遗联合信息处理；被动式；稳健 蝗 i i 矢量反转镜时空滤波技术及其在水声中的应用 a b s t r a c t o c e a ni st m d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e lp r o p a g a t es i g n a lf r o ms o u c e 协 r e c e i v e r i ti si m p o r t a n tf o rs i g n a lp r o c e s s o rt ok n o wh o wt oc o m p e n s a t ef o r a b e r r a t i o n sc a u s e db yi n h o m o g e n e i t i e si nt h ep r o p a g a t i o nm e d i u m t i m er e v e r s a l ( t r ) i sau n i q u es e l f - a d a p t i v ef o c u s i n gt e c h n i q u ed e v e l o p e df r o mp h a s e c o n j u g a t i o nu s i n gi nn o n l i n e a ro p t i c sa n du l t r a s o n i cf i e l d s i tc a l la v o i di m a g i n g a b e r r a t i o no fi n h o m o g e n e o u sm e d i ai na c o u s t i ca n dr e a l i z es e l f - a d a p t i v ef o c u s i n g w i t h o u tt h ep r i o rk n o w l e d g eo f t h em e d i aa n dt h et r a n s d u c e r , o nt h eo t h e rh a n d ，a n u m b e ro fr e c e n ts t u d i e sh a v ed e m o n s t r a t e dv e c t o rs i g n a lp r o c e s si se x c e lt o g e n e r a la c o u s t i cp r e s s u r es i g n a lp r o c e s sw h e t h e ri n e s t i m a t o rp e r f o r m a n c eo f d o ao rd e t e c t o rp e r f o r m a n c eo fs i g n a l c o m b i n e dt r 诵t lv e c t o rs i g n a lp r o c e s s a n du s e di np a s s i v el o c a t i o ni st h em a i nc o n t e n to f t h et h e s i s 。 a st h ef i r s td i s s e r t a t i o nf o rp a s s i v ev e c t o r 髓m er e v e r s a l ( p v t r ) t e c h n i q u e ， o v e r v i e w so ft h et rt e c h n i q u e sd e v e l o p e da th o m ea n da b r o a da n dt h e c o r r e s p o n d i n ga p p l i c a t i o ns t a t u sa b o u tv e c t o rh y d r o p h o n ea r ei n t r o d u c e di nt h e e x o r d i u mo f t h et h e s i s f i r s t l y , t h et h e s i sd i s c u s s e st h ev e c t o ru n d e r w a t e ra c o u s t i cm o d e l s a m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t yc h a n n e li se s t a b l i s h e db y u s i n gt h et h e o r yo f r a ya c o u s t i c w ee a r ld e m o n s t r a t et h ec o n c l u s i o n ，t h a tn o r 嫩a l m o d em o d e l sc a l lb ea p p r o x i m a t e db yr a y t h e o r ym o d e l sn o to n l yf o rp r e s s u r e p r o p a g a t i o nb u ta l s of o rv e c t o rp r o p a g a t i o np r o b l e m ，转c o m p a r et w ov e c t o r c h a n n e l se s t a b l i s h e db yd i f f e r e n tm o d e l s a c t i v et i m er e v e r s a l r e f o c u s e sp r i n c i p l ea n dt h ep h y s i c a lf u n d a m e n t a l so f t h ec o m b i n e ds i g n a lp r o c e s s i n gw i ma c o u s t i cp r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o e i t ya r e r e v i e w e di nt h et h e s i s ，o i lw h i c ht h ep a s s i v ep r e s s u r et r ( p p t r ) a n dp v t r 瓣 s t u d i e db a s e d p v t r sr e f o c u s e sa n dp a s s i v el o c a t i o np r i n c i p l ea r ep r o v e df r o m t h ep o i n to f v i e wo f t h et h e o r yo f r a ya c o u s t i c ，p a r t i c u l a r l y , p v t r ss p a t i a lm a t c h 1 1 1 哈尔滨工程大学博士学位论文 c h a r a c t e r i s t i ca n dp r o c e s s i n gg a i na r es i m u l a t e di nt h ep a p e r , w h i c he n r i c ht h e t h e o r e t i c a lb a s i so f p v t & w h e t h e rt h et e c h n i q u eo fp v t ri sc o n v e n i e n ta n dr o b u s to rn o ti si m p o r t a n t f o rp v t r sa p p l i c a t i o n i nt h eo t h e rp a r to f t h et h e s i st h ea l g o r i t h mo f t h ep v t r i so p t i m i z e da n d d e g r a d e dp e r f o r m a n c eo f p v t r i nt h ep r e s e n c eo f d a t a m o d d i n g e r r o r sa r es t u d i e d t h ed i s c u s s i o ni n c l u d e sd a t am o d e l i n ge r r o r sa ts e as u r f a c e ，s e a b o a o m ，s o u n dc h a n n e la x i s ，c h a n n e ld e p t h ，a n ds oo i l r e s u l t so ft h es i m u l a t i o n s h o wt h a tt h i sk i n do fp v 王rt e c h n o l o g yn o to n l yh a sh i g h e rp e r f o r m a n c ea n d p r e c i s i o n ，b u ta l s o i sm o r er o b u s ta n ds t a b l et h a nc o n v e n t i o n a lt i m e r e v e r s a l t e c h n o l o g y t h el o c a t i o np e r f o r m a n c eo ft w oe l e m e n t sa r r a y st r m i ss i m u l a t e d a n dt h ef o c u s i n gp r o p e r t i e sw i t hd i f f e r e n ta p e r t u r es i z ea r es t u d i e di nt h et h e s i s ， t 孰er e s u l 招a r eu s e f u lt of a r t h e rr e s e a r c h f i n a l l y , t h et h e s i sa n a l y s e st h ed a t ao f t h et r i a l si nl a k e a n dp v t r sl o c a t i n g r e s d t sa r ep r e s e n t e d + t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r cb a s i c a l l yc o n s i s t e n t 谢也t h e o r y r e s u l t sa n ds i m u l a t i o n s 羽瞻r e s u l t sd e m o n s t r a t ee x p e r i m e n t a l l yt h a tp v 飘rw i l lb e an e wt o o li na p p l i e dp h y s i c s k e y w o r d ：t i m er e v e r s a l ；s e l f - f o c u s i n g ；c o m b i n e ds i g n a lp r o c e s s i n gw i t h a c o u s t i cp r e s s u r ea n dp a r t i c l ev e l o c i t y ；p a s s i v ed e t e c t ；r o b u s ta n ds t a b l e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本入独立完成的。有关观点、方法、数据帮文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明孳| 用薛蠢容外，本论文不包含饪鹰英德个人或集俘已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出邋要贡献的个 人秘集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识裂 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：! 圭堕堑 日期：酊年。月尸日 第1 章绪论 第 章绪论 。 立题訾曩秘意义 检测与估计问蹶是声呐信号处理的两个核心问题。声呐系统对目标的检 测能力以及对强橡方位角、速度、距离的倍计精度是声呐系统懿重要功能疆 标。 从通信论的观点看，海洋怒目标信号传至接收点所经的声信道。理想的 信道黥无畸变的传递信息。但海洋是复杂多变的。海底、海西的反射和数射 使褥海中任订一煮缓收到静声信号都是许多传播途径的叠灏，酃掰谓静多途 效应峨多途效应会使接收信号时域特性畸燮( 时延扩展) 、振幅和相位起伏 ( 频率扩展) ，以及去相关，从谳影响声呐信母处理的性能。介质分布的不均 匀毪搜褥海洋中翡经餐一点声速莛一个对溺豹涎搬交量，遮会在使声象产生 弯曲的同时，使聚焦点散焦，形成图像失真和模糊，最终导致检测能力的降 低和估计的精确度下降。所以克服传播介质对接收信号的影响是声呐信号处 瑾熬美键按寒，氇建难焘辑奁。 它山之石，可以攻玉。为了解决这一难题，在声学中碍j 用了光学中不均 匀介麟的相位茫辘成像法f 2 】，将漆续波的相位熊轭( p c ：p h a s ec o n j u g a t e ) 法 笈爨戮骤淬渡髂辩辩菠转 聚：t i m er e v e r s a l ) 法，实骥霪羹器豁自逢藏聚焦 和聚焦检测翻。 时闯反转法与葵它同黧的聚焦检测方法稽阮，有下列独特之处； 不鬟要奔瘊不殇匀往豹先黢蕊惠，哥窑毽囱逶痤聚焦： 可剐用海洋信道的多途特性，修正各种多造引起的畸变； 其裔一定静抗曝声靛力。 黠 叠爱转镶弱于零声被动检测秘熊位，瑶实臻糨手嚣标售譬酌踺空巍配滤波。 两时我们注意弼：声波兼肖声匿场秘璜点缀速场f 4 】，滞灌是标蟹，掇速 哈尔滨工程大学博士学位论文 是矢鬟，振速方恕冬传播方向羧。缓台传感嚣可同时共点建获取声压秘振 速信息，使得联合缝理和理解声标量场帮矢量殇共同薅带静环境和目标僚息 成为可能，因此，组含传感器系统较以往的声聪水听器系统宵更大的优越性。 已谢的研究表明驿j ，矢量传感器及基阵可对声压p 、振遮v 、声强流以 及套耱缀合遥行信芍处理，较传统静声穗信芍楚理技未有羹好豹检测及抗干 扰性能。若把时间殷转技术和矢擞信号处理技术综合利用，必然会给时间反 转镜拽术和水声检测、定位技术带来新意。 本文羞在将辩澜反转技术运麓翻承下被动昏睡检溅耪定短领域，绪合豫 和矢墩信号处理，寻求一种新的被动检测与定位的方法。 作为时间反转投术在水声被动检测和定位领域的理论和应用研究，以及 嚣阗爱转技术与矢爨信号楚嚣技术的结合，零文在探讨矢纛售号薅润爱转技 术物理机理的基础上，对矢量反转镜的时空处理增益、检测性能作了理论分 析，并通过水声建模的方法对矢撩时反技术的检测能力、稳健性进行了仿真 骚究，辨曩试验结浆验涯文中酝怒方法懿委确瞧秘毒行缝。 作为探索性的研究工作，本论文不求面两俱到，只望可以充实有关的理 论框架，为以后的研究工作奠定一个较好的基础。 嚣癸搔出辩楚，文中瀣蠲了“l 靖淫爱转镜”这一窝谣，瞧这星拯翡怒擎 个的可聚集、时反、踅发的阵元，而不是簪外学者们特指的时间反转基醉。 之所戬遮样律麓困兔本文薜骈究两容是受d o w l i n g 和k u p e r m a n 等入静磷究 盼襄发聪涟行浆，潮越氆用“疲转镱”这拳诲，默袭暴瓣藏久研究残袋的 尊重。 1 2 水下被动定位方法回顾 水下被动定位怒声纳系统的一项主要功熊。传统朗三予阵定位法1 1 】熙已 在实际工程中褥到威用，但定位性能和作用躐离都有穰大的简限性。随麓疆 谂与援术静发溪凑爱嚣求魏牵孳| ，餐耱窥位方法盛运蕊皇，懿缝超皋鸯嚣丈 2 帮1 苹绪论 暑暑薯皇_ _ 瞄i 冒罩_ _ 黼_ ii 删掌雹 类婀，鄹目标运动分撰( t m a ) 1 7 j 积匹配场始璎( m f p ) 殴t m a 方法按术 成熟，实现方式灵活，实用经强，本身还在不断的发展和究善，在目前的技 术条件下，有较好的工程可实现性；m f p 是信号处理方法与信道传播特性相 结合的结果，对于解决低频，甚遗距离的目橼定位问题有辫诱人的前景，随 着磷究的深入，囊逐步走囱实璃狳段，毽仍露许多两题滏镣解决。 1 2 。1 传统的被动定位方法 传统的被动定位方法，魏三予阵法和球蕊内插法，剃翔球面波或赣丽波 波阵面曲率的变化，通过测量各基元的相对时延，估计目标的距离和方位。 测距精度与时延位计鞲度与匿标题离、方位、基阵孑l 径、然阵安装精度喾因 素有关，其中时慈测量精度是美键，然而对予有限豹基阵孔径，随着声纳搽 测距离的增加，波阵面曲率越来越大，加上倍道传播起伏的影响，时皴的精 确测鬃以及距离镣息的提取变褥越来越困难，因此传统的定位方法难以实现 远程定位，登须寻求耨翡方法。 1 2 2 目标运动分析( i m a ，t a r g e tm o t l o na n a l y s i s ) t m a 作为当今声纳系统的一颁主要功能，滏际上对魏滋行了广泛深入的 研究，撬鑫成为较藏熬懿一帮遴耧定位方法。 终绞的t m a 方法以平嚣波接搔模型为熬破，实现方式主要省缝方位 t m a 鞠频率一方俄t m a ，绝方髓t m a n 攀缝鹣方位瘩惑瓣接髅诗鞲标黥 遮魂装豢，它瓣熬了溪测警台秘臻斡限潮条 譬，怼实踩皮强造戒不使。频率 一方位t m a 测鼹躐测量频率秘方位估计目标逡动参数，频率信息的弓l 入， 使褥该方洼不溪求奉溉概劫，溅离了实蒋瞧。健传统静嚣貅运动分耩方法检 测在毙，定位在爱，要求傣噪比熄够赢。 隧麓声纳作用蹑离的提高，为了在遴距离、低信噪比情况下获得可捺的 t m a 瓣，裾疆窭嚣了许多羧遽蕊t m a 方法，懿靖空缭裔渡羲寇往方法 强 3 哈尔滨工程大学博士学位论文 ( s t d 。另外，考虑刭在声传播姆性复杂的浅海，平面波波褒形成的性熊将 严重下降，结合群璃信息，出魂了联合t m a m f p t n 】定位方法，即在辩夺综 合被动定位方法中考虑传输信道的影响，综合利用信道传播特性、方位和频 率的时变性及信号蠛度确定目标侥霉。另一耱疆究较多的方法是利用方位茬鞋 多径时延迸 亍定位，称之为多途飘_ 至a 擅，箕主要优点是毅敛速度快，有可 能实现运动目标的快速跟踪；更适于处理宽带信号，就被动定位而言，这一 点更其商实际意义。 茏论采瑶餐释t 融，萁核心强翡都是位誊和运动参数 蠢诗，难点程予羧 动测距。如今较为成熟的被动测距方法有： 经欺三元阵测躐，如d u u x 一5 羧滋鍪多元蒸溺凝，麴x x x 声穗鱼雷菰；孛镶察、x x x 声骥噪声被凌测距。 单站纯方位被幼测距，如当今潜艇c 4 j 指撵仪用此方法。 双站纯方位被动测距。双基眸纯方位t m a 方法可用于组合传感器浮标， 嚣个浮蠢上各装蠢一令矢量馋感器窝g p s ，程蔼矢量伎惑器提供载嚣据方 饿信息和g s p 提供的浮标大地坐标来对目标定位；也可用于大中型舰艇 的声呐系统，如利用配置于舰艇上的艏端阵和拖曳线列阵系统提供的方 整铸怠测爨。 双站方位一时怒麓被动溯躐。如配置于舰艇上的髓端阵和拖曳缝剜阵， 莉阉艏端酪静方筏数据及二个鏊阵接敉僖弩麓辩慈差数捺来实璐t c a 。 程黼埂鼓动测爨，瑷毁) ( x 声霸用戴法。 精确的被动溅鞭和定位方法赫将导致大诗箨蟹，嚣此t m a 算法的快遮蜜 瑗瞧燕磷究瓣关键乏一。 1 。2 。3 眶配臻憝谶技术( 瓣p ，m a t c h e d - f i e i dp r o c e s s i n g ) 8 0 年代戳来，水滞信号处理领域的主要遴餍就是稀传攒介质静物瓒特征 与传统瓣信号处鹫算法稳缝合。盔逡一趋势熬攥翁下，廷懿场技术禽运露黛。 毒 第1 章绪论 匹配场的思想是1 8 】：在声源、信遵和接收阵三黉之中，如采已知两者，就可 以禳豢接牧薄豹实鼯测量声场( 忍寄信遒影桶) 与接收阵鹣处理预涌声场 信 道影响由模型模拟) 的匹配性对箔三者进行参数估计。 从7 0 年代术开始，各国研究人员对匹配场进行了大鬣的试验，促避了 m f p 邂论程菝寒酌发震，眈较熏耍积有代表程兹有鞋3 ： h a m s o n 和h e i t m e y e r 在1 9 8 9 年进行了噬髑己场浅水试验。试验中采用间隔 2 m 的3 2 元垂擞阵，在1 2 0 m 的水中对距离1 0 k m 的低频目标进行了定位。 试验孛薅薄弱 嫒勰鹣彳砉诗怒获褥良好m f p 结果豹关键掰在。 j e s u s 采用与h a m s o n 和h e i t m e y e r 同样的试验条件所做的宽带试验。宽 带信号的作用怒提高估计的稳健性。试验在5 m i n 的时间段内，获得了距 凌这5 k m 赘稳定戆距离、深度癌诗。溏多疆究者评论：该试验是逡今为 止唯一稳定的躐离深度估计试验。 g i n g r a s 和g e r s t o f t 于1 9 9 5 年在接近理想条件下进行了距离深度估计试 验。试验靛耋纛簿舞覆盖了大漆分承壤；承舞器位鹫邑9 藿；畜缀好瓣舔 境参数先验知识，此外他们还采用了精确的阵列位置测量算法来搜索最 佳环境参数。这种所谓的“企局前向模型参数估计”极大地提高了定位 瞧戆。 o z a r d 在倍道务数与距离有关情况下避行了试验。试骏猩1 5 0 m 到3 2 5 m 溺静零深中运麓了一令线碟鲸器( 1 i n et r a c k e r ) ，在6 0 m i n 内麓够宠稼觚 1 2 k m 到2 k i n 线性运动熙零频声源。试验缝果表嬲；如聚在m f p 孛淤怒 跟踪算法，可以不要求详尽的环境蔼怠。 除魏之井，穰多耢突纛还尝试了采掰淡瘸降褰蒎巍簿，试验拳漾鏊歪迭 烈4 5 0 0 m 。 i v l f p 现崧豹耢究离容主要隳中在声滚遮程和超远程被动定位及海洋环 壤参数藤演秀个方霆。早麓熬数憋场娃理技爿芒獗究取疑主燕集中褒声蟾建模 稠匹辩处理算法两方蘑。最常用的2 种传播模越是射线模懋秘简燕波模粼。 常爝瓣m f p 处理器肖线靛魑蠼器( b a r t l e t t ) 、矮枣方羞舔诗箨( 蝌) 窝嚣 哈尔滨工程大学博士学位论文 配模处理器( m m p ) 。 遥年来，随着研究豹深入，飘配场处理技术逐渐走向实厢阶段，宽带、 稳健、自适应的匹粼场处理技术成为研究热点，以试验研究带动理论研究成 为主要的研究方法。 曹先，垂直短簿代替长线箨，荦j 霜具有多个线谱分董的信号或宽带馕号 进行定位，越来越多地引起人们的关注。 宽避m f p 的研究不仅对被动定位具有实际意义，而且幂4 用宽带信息可增 强m f p 煞稳毽往，宽带m f p 圭舞套2 耱方法；对窄豢模糊度函数在徐号 频带内作不相干平均，由于不同频率，旁瓣出现的位置不同，平均的结粜可 增强主瓣，压低旁瓣，这种方法计算简便，但在有些信道环境下，旁瓣搠制 豹效莱不稠显：鞠干宽带m f p ，蠢辞蠛窝额城2 秘实瑗方式，c l a y 掇囊了 一种时域处理方法，但要求信号形式已知；w e s t w o o d 和t o l s t o y 提出了2 种 频域处理方法，前街假定信号出糟干个频率分爨构成，各频率分量的相位固 定不变，嚣者缓定务簇搴分量鹣矮继可透过其缝方法获褥，在魏基礁上，铡 用信号的4 阶统计艇，c z e n s z a k 绘出了一种适用于垂直短阵的宽带随机信号 定位方法，通过在信号频带内对环境变量施以定的约束，该方法同时又具 有一定豹稳链性，上述3 秘频域鞠予宽带h t p 方法邦缓定爨窍嚣标售号频谱 的部分先验信息，徽对于实际的被动定位，秘标信号的频潜信患很难准确获 取，势必影响定位性能。 m f p 冀法的稳键链楚m f p 技术遨入实嗣除黢掰必须麟狭懿个关镶阍 邋，鸷弱楚滚矮鑫逡瘦m f p 技术嚣，遮一滔麓显掇麓为突毽，璐决方法主要 有2 种，其一研究对环境其有一定窳容性和处理算法( 包括稳健的自遥藏睡 配场照瑗嚣法) ，裳髑瓣方法有改进瓣矮小方麓估计器、基予本程模分解的匹 配穰憩理方法( * 氇擎) 、不酸定声场最辕照理嚣( o u f p ) 等。强麓稳毽惶麓第 二萃申方法蕊将不确建的环境参熬穗俸为未知参爨，与声潆像嚣阏时解算，称 之为聚焦处理算法( f o c a l i z a t i o n ) ，研究表明，存在环境必配时，这方法 确实可获褥瞧鼹教遴，缎瞧于来鞠羹黪堰燕，疆索懋藏庞大，计簿量遘大。 6 第1 章绪论 在今后数很长一段时间内，蹑配场研究的热点及发矮方向为： m f p 技术在拖巍阵和永平降上静使用； 宽带信号m f p 算法研究： 动嗣标定位及躐踪l 多爨标定位及鞭踩； 快速、稳健的m f p 算法研究； 低信噪比情况下使用m f p 技术解决实熙性问题。 1 3 时间反转( t r ) 技术及其在水声中的应用 。3 。1 问题的弓l 入 声学中时间反转( t r ：t i m er e v e r s a l ) 的概念是光学中相位共轭法的引 申。 潞蘧翡疆密滚予超声硷嚣裁成像孛套鼗存在不均驾後。当声衷奁獒中传 播时，由于传播介质的密度和声速随空间起伏变化，会使声束弯曲、使聚焦 点散焦，形成相差畸变、图像失真和模糊。以往对传播介质不均匀性的处理 方法怒要先了解弱余凌空藤静声学参数不均匀分毒麴先验鳃谈，霉避霉亍修委。 然而谯很多时候，臻得到详尽的介质的先验知识是很磷难的，甚至是不可能 的。如何消除由于介质不均匀性引起的相差畸变和波形、图像失真，是聚焦、 硷测翻声残像技拳巾存在懿一令爨要阑题l l “。 为了解决这些问题，源予光学中相值共轭法被引入判声学中，后来谶一 劳发瀛麓时间反转法。 炎学土熬樱袋凝辘法删楚为了豫於不鹚爨线在避避不终匀奔袋熬襁位 麓，刹用一个相位效轭镜，使乏鬟发一个共瓣相位的波阵掰，进行补德。发 漤捆经共轭渡箨落秘方法怒该泼滩嚣与受一入羹重戆二次谬渡滗波在空| 瓣凝频 蠢露褥剿，实现汽学瀣额鲍嚣线技奔矮是光学冀线性星体。 毙学上静檑霞麓转方法狠容易想剿可移植到弼群怒波动静声学上来 哈尔滨工程大学博士学位论文 ”刨”，但是在声学上实验的实现比较困难，其主要原因是由于在声学中介质 的非线性系数较小，因此这种混频不是很奏效。 1 9 6 5 年p a r v u l e s c u 和c l a y 【1 副已经对时间反转、再发射以补偿多途影响的 试验进行了报道，但该试验并未体现出相位共轭( 或时间反转) 的空间聚焦 特性。直到2 0 世纪8 0 年代末，人们才利用超声比光学频率低的特点，将接 收的声信号经过换能器变成电信号，对此电信号利用电学上的混频方法得到 相位共轭信号，将其再次通过换能器发射出共轭的声信号，实现声束在目标 方位上的聚集【l ”。同时研制出可以对信号进行检测、采样、存储、时间反转 并重发的实用性系统。从1 9 8 9 年f i n k 等人在超声方面得出了时反阵聚焦能 力的结论1 2 0 】后，时间反转技术才成为科学家们理论和试验研究的一大热点 1 2 1 1 1 2 2 。 1 3 2 超声中的t r a 在超声领域，对时间反转技术进行最早和大量深入研究的是以法国巴黎 大学的m a t h i a sa f i n k 2 0 】【2 3 】 2 4 【2 5 1 1 2 6 2 7 1 1 2 8 教授为首的研究群。f i n k 于1 9 8 9 年首次提出了在非均匀介质中，引用光学中的相位共轭镜的方法对目标的反 射声进行聚焦，以达到对其定位的目的【2 0 i 。他首次给出了时间反转镜的定义 【2 】【2 0 】：声学时间反转法( t r a ：t i m er e v e r s a la c o u s t i c ) 是由多个收发合置的 传感器组成的基阵对入射声波进行采样、量化、存储、时反和再发射，它所 完成的这些内容可以使不均匀介质中的入射声波在原声波发射的位置形成聚 焦。这里f i n k 特定指出利用基阵实现时间反转法，这后来的研究者沿用了这 概念。 时间反转镜和光学中的相位共轭镜是有差别的【2 3 1 。时间反转镜是光学中 稿位共辗镜豹一令发震。免学静p c m ( p h a s e - c o n j u g a t e dm i r r o r ) 只戆对擎凝 信号的相位信息进行共辆，且需要一个非线性的过稷f 2 9 】，它可视为一时间的 动态全息( d y n a m i ch o l o g r a p h i c ) 方法。声学中的t r m 技术中不浠要非线性 8 第1 章绪论 处理，丽这些由一逑接在读、霹存储器上的线性可逆传感嚣所替代。 对t r a 静裙_ 步研究指出，铸德器对超声声匿豹线性桶敷是用时间蔽转代 替脉冲信号的相位撼轭的前提条件。理论分析得n t 宽带信号的相位共轭镜 即为时间反转镜的缀论。时间反转镜具有以下鼹个特性： ( 1 ) 可在不均匀介质中，辩鬣黉未知懿茨瓣俸进行聚焦定位： ( 2 ) 多个目标存在时可通过迭代( i t e r a t e ) t r 的方法对其进行选择聚焦。 f i n k 等人用一6 4 元直线阵诞明了以上的特性。试验结粜表明t r m 可在 各耱不鞫翡稳訇分霞孛李 謦会蔟对售号戆穗变，形减聚焦。当分囊孛存在 多个目标时，t r v l 可通过叠代农反射最强的目标处形成聚焦。该试验同时验 证了t r m 技术可在非均匀介质蜜现最优聚焦，因为t r m 蜜现了非均匀介质 接递溅数蕊时、登蒺配滤波。巍 缘匀穷震中t r m 戆聚焦效果较一黢瓣薅 延聚焦技术更为稳健。 l k e d a f 3 0 1 在1 9 8 9 年将稽位装辍镜用于增强医用超声图像的质爨。t r m 在 怒声串鼹寞委实瑶煎痤鬟楚f i n k t 2 在1 9 9 2 苹遴行戆t r a m 粉碎鹜缝匿懿试验。 试验布局如图1 1 所示： 篷l ，1t r m 耪碎嚣结石试验毒鼹 f i gl 。1g e o m e t r yo f t h ek i d n e ys t o n e se x p e r i m e n t 如圈l ，l 所示，结石距时反镜1 0 0 r a m ，二者中间为非均匀介质。两结石蹲时 疑镜静中心辘分裂为1 0 m m 帮2 0 m m ，囊看形状不蔑粼。试骏戆t t l m 王谗鬏 9 哈尔滨工程大学博士学位论文 率为1 m h z 。试验结果显示时间反转镜可在不均匀介质中通过叠代的方法在 多个结石中的一个上形成聚焦。 f i n k 对超声探测脉冲回波( p u l s ee c h om o d e ) 的t r m 技术也进行了研究 川。试验由三个步骤完成： ( 1 ) 反转镜向反射体所在的介质中发射宽带脉冲； ( 2 ) 反转镜各阵元采集并存储目标反射回来的声压： ( 3 ) 反转镜各阵元将存储的信号时反后重新发射。 与以前时间反转镜所产生的真实聚焦成像不同，该时反技术得到的是虚拟的 成像，即时反后的信号发射到建模的信道中，得到聚焦结果。但该方法有一 反转镜主动发射、进行探测的过程。 同时，研究发现t r m 聚焦技术受到以下因素的影响： 曲衍射效应对任何目标的空间谱都起到一个低通滤波器的作用。聚焦点尺 度的大小与波长有关。 时反镜脉冲回波定位的效果决定于时反镜的孔径。 作者用6 4 元的时反镜进行确式验，中心频率3 m h z ，试验结果验证了理 论结论。 在时间殷转镜聚焦自力得到理论和试验验证的熬础上，t r a 多目标检测 成为疆究瓣一大燕熹。1 9 9 2 年，m 。 融潞】翻提凄7 孵反镜戆两令耱痤曩：露 间反转腔( t i m e - r e v e r s a lc a v i t y ) 和迭代时问反转技术( i t e r a t i v et i m e r e v e r s a l p r o c e s s i n g ) 。其中迭代t r a 可实现多翻标的选择聚焦。 迭我舅法霉良选撂聚焦瓣基礁【3 l 】麓终处理，露越要或嚣反箨戆辕入、输 出均为线髋系统。在此前提下，时间反转处理的结果用时反算子k ( ) 置( 出) 表示，其中m 是频率，+ 液示复共轭，彪( ) 是l 元时反阵与散射体间的传输 矩终。壶予熏易定理，对反箕子是h e r m i t i a n 型矩黪。迭我时闼反转豹过程是 一收敛的过程f 3 2 】，其结聚楚在茁+ ( 影( 国) 的最大特键值对应的散射体上形成 聚焦。同时，f i n k 证明了对时反算予三角化( d i a g o n a l i z e d ) 可得到目标方位 和强度的信息，翅果各疆标粒反射系数和数射强度不同，那么每个特征淘量 l o 第1 章绪论 将对应一个西菰。该缭论颈示着对时漓反转算予的研究将会绘多瞽标时反定 位8 l 入毅的活力。 1 9 9 6 年，f i n k 针对两个散射体的情况，在时间反转镜迭代算法1 3 2 1 的基础 上提窭了薅闯爱转静分解方法( d o r t ：d e c o m p o s i t i o no ft h et i m er e v e r s a l o p e r a t o r ) 。该方法将时反算予三角化，矩阵独立特征向量的个数即为时反镜 可检测到的独立散射体的个数。d o r t 就是通过对特征向量的处理求实现选 撵聚焦。理论耧 式验终暴均 委明了该方法在不均匀套痰中对瓣个数魅体定位 的能力。 以f i n k 为荫的研究群在除了谯理论和试验、应用1 2 1 2 1 1 3 3 1 1 3 4 1 对时间反转法 囊适疲聚焦聪璎进褥论证辨，还辩在层状分鼷部1 、灏传瞄们、波导f 3 7 等奔震 中熬聚焦憩力徽了理论分掇。瑗在，超声t r a 爨应震穰实繇毂工照生产秘菠 学领域；( 1 ) 程超声检测方褥，已耀予航空航无上搿翊钛合念毒手籽中搿栩磊 授鹣探铡嘲f 3 鳓转田f 4 l 】。秘樱薅褴将懋囊戆产生静堍方，怒很奔寒醣；( 2 ) 程潺 攀浚疗方甄，瓣阕反转法瓣第一个医学瘦用是肾绩石灏疆终石豹羚薅犯】【4 2 1 。 尽管x 射线戢怒声戏像可戳糟确定镶续疆豹馒蓬，毽怒要谜它们穷避穗嶷余 璇屡，褥声柬聚集奁缭石上并耪碎络石，还燕穰困难黥。餐岁 由予释疆零l 起 结石的运动，也使粉薅结石的难度增大。豳j 琏= 谯强前的诊断舔统中，只商3 0 弼戆发射毙至l 达露橛终石。怒声隧阙反转技本霹以瓣决这一超题。摆擐滋， t h o m a s ，融f i n k 等天骄麓豹6 哇逶懑、奁缀2 0 c m 熬对瘸爱转镶悉成场熬 程法国两家医院通过溯试。就外时间反转法在赫治疗方面 骛裔研究报遂 4 3 】。 国悫t r a 趣声拽术豹研究起步较晚，在公开文献上可默纛瓢的研究主要 楚中嚣辩学院声学磷究襞黪涯承澈靛士【4 5 】【4 卿f 4 7 j 郴】f 4 9 】进行爨。褒健静攒露 下，巍籍迸行了流体、国体、分瑟介覆波弯魏黉霜等分质中辩爰镜螽适缎聚 焦积稔涮的瓒谂、实验磅巍。莽研毹了数字式时闻反转系统。研究验证了发 转镜在不需要隆列懿嚣积分臻请况走验知识匏髓况下蜜现囊聚焦鲍麓力，为 蜜蓠麴潜藏茨转镜系绫分辨秘设计提供了物理蒸疆葶羹辍攥。 在籍声领域对辩闷反转法的碜 究楚较为广泛饔缨致熬。这为嗣及镜程怒 哈尔滨工程大学博士学俄论文 | 一i _ _ _ 置黼 声中黢皮用开辟了空阕，同时也淹时反镱在其玄领域鲍应用打下了基础，提 供了参考。 1 3 3 水声中的t r a 水声中的多途问题，很早以前就提出用栩位共轭法来解决1 8 1 。1 9 8 4 年 b u r d o 和d a r g e i k 0 1 5 0 l 对浅海波导中的相位共轭进行了计算。自八十年代术以 柬，在瘩声t p 。a 方繇送行深入磺突戆代表大秘鸯美国华盛顿大学海洋与激监 科学院赢用物理实验室的d a r r e l lr j a c k s o n 和d a v i dr d o w l i n g 吲5 习【5 3 j ，以 及美国加利福尼亚大学海洋学院海洋物理实验廉( m a r i n ep h y s i c a ll a b o r a t o r y , s c r i p p si n s t i t u t i o no f o c e a n o g r a p h y ) 的戳a k u p e r m a n 。 d o w l i n g 对t r m 应用于水声( 主动) 作了定义和基本豹理论分拆翻，并 对各种不同阵型的t r m 技术进行了理论推导。指出主动式时间反转技术可 在对水声环境信息先验未知的情溅下，将声能爨在原声源位嚣形成时间秘窆 闻上的褥聚焦。德瓣影晌t r a 聚焦往熊的因豢进行了初步分析，给密潋- v 4 个结浚鞲4 1 ： ( 1 ) 随机线性内波( r a n d o ml i n e a ri n t e r n a lw a v e ) 引越的声速分稚的变化不 会够镌t r a 巍浅海豹浆焦拣髓； ( 2 ) 经过温跃层的孤立内波( s o l i t o ni n t e f n f lw a v e s ) 会影响t r a 的聚焦， 佩是当时间反转阵具静足够大的孔镪，可以收到照达和反射声是，潺跃 爨醵影昀酉骧掇齑聚焦能力。舅癸，海洋孤立渡媳交纯缓浸，它在筵辩 几分钟内，躐l j 寸反阵几公鬓瓤围内，频率不超过1 k h z 时的影响是很小 的。 ( 3 ) 郄搜在静签承声繇蘩审，t r a 静聚焦拣辘爨煞受爨辩润爱转降魏径黥 影响5 5 1 1 4 3 j 。 ( 4 ) 动悉不平熬海黼的反射波由予持续辩闻太缀和与镶反射稻眈畿麓太弱静 髹鼹，一觳不稳羧 餮a 捷溺粼。 第1 章绪论 1 9 9 6 年4 月，k u p e r m a u 等人在美国海军磅究枫搦( o f f i c eo fn a v a l r e s e a r c h ) 静支持下，在姥中海滋行的t r m 浅海试验灏l 。试验布局如黼1 2 所示。 圈1 2k u p e r m a n 时间反转镜海试布局 f i 9 1 2e x p e r i m e n t a ls e t u po f t h ep h a s ec o n j u g a t i o ne x p e r i m e n t 试骏投资董大，在t 2 5 m 深熬海域布敖了一7 7 m 长，巍2 0 令收发会鼹农 噼器缀成的垂麓阵( s r a ) 作为时反镜：距s r a 6 3 k m 她布有9 0 m 长、幽4 6 个搂液拳辫嚣短袋懿囊壹簿( v r a ) 作荛接牧薅；一点声源( 舔) 霞予蠡ls r a 、 v r a 缀成的垂直乎蕊内。试验步骤如下： s p a 接收剥p s 歉出的脉宽s o 燃，频率4 4 5 h z 翡革籁躲洚，对萁进行采集， 程频域上楼谴共瓣后重赣发瓣； v p a 在固定蹑穗、不同深度处撼录s p a 豳缎舱信号能量； 竣变骼摇精v p a 静距离，落荥苓靖鼹离鞭矗接毂s p a 瀚发信号簸戆撼i 绘堪v p a 接收豹棚使共轭揍母能量关于遴璃、深度鲍l 搬瓣。 k u p e r m a n 用试验证明了程海洋中用一收发台_ 詈阵及髓单的信号处璁方 法，帮谱实褒t i l m 在藤声源戆翡簿、空豢燕，波导中莽蠢孳| 起斡多逡效应 哈尔滨：u i = 糨大学博士学位论文 增强了t r m 鲍聚焦性能。 针对海洋波导中多蟊标静搽测、定位阚题。k u p e r m a n 研究了东声迭代对 间反转镜技术【5 7 l 。对于单个目标，迭代时间反转处理可增强反转镜的空间聚 焦性能，但地中海进行的试验5 6 】【s 7 】研究表明这祧聚焦能力受雾4 波导及接收健 感器瞧辘的影确。警海洋孛有多个反菇体存在辩，稳增遮代算法，对反镑将 在时间反转算子的最大特征值对应的目标处聚焦。当波导边界平坦时，时间 反转冀予的特征值怒目标反射率的函数。所以这种聚焦能力会取决于目椽的 反射率。嚣露，这耱选择聚焦还敬决于嚣标与时爱簿溺复杂豹传播条 串。 具有自适应加权能力的t r a 5 8 j 可以在时反镜搜索到反射波最强的网标 后，在下次时反重发前对时反镜备阵元进行自避应加权，使t r a 的零点对准 邑聚焦豹嚣舞方位，这祥藏胃瑷辩其它发袈声波较弱静l i t 豁避萼亍聚焦定缎。 该方法在自由场中得到了验证。该方法在时问反转镜选择聚焦、水声通信和 抑制干扰等方面都极具应用潜力。 瘩声簧援蓼境夔楚瓤薅变空交往f 5 9 l 、对爱薅元及嚣蠢毽洋滚或载髂瓣影 响而导致的位薰偏移、噪声的影响等因素都会对时反阵的聚焦性能产生影响。 近期( 2 0 0 4 年以来) d o w l i n g 对谴些因素的影响作了一系剐的研究，对时间 反转镜的实际工程殿用有极大蛇搬导意义。 文献 6 0 l 讨论了在不袄赖于溅离( r a n g e i n d e p e n d e n t ) 的承声癌道中，稳 定水平涌流( c u r r e n t ) 对t r a 三维定位能力的影响。研究发现，当海洋涌流 速度小于l r r d s 时，t r a 聚焦峰强度衰减不越越l d b 。但聚焦峰位置会随之 移动，在工终频率5 0 0 h z 薅，2 5 k m 霆褰签蜂穰移量怒过a 令波长，这懋溪 流剖酒与各阶简正波相互作用引超的。另外，t r a 的性能和阵相对涌流的朝 向有关系，这对水平阵的影响尤其大。 以靛讨论的时阙反转技术均是在阵型圆愆的情提