（水声工程专业论文）垂直阵时反被动定位及噪声抑制技术研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a bs t r a c t c o m p a r e d t oa c t i v es o n a rl o c a t i o n t e c h n i q u e ，p a s s i v e l o c a t i o nh a s a d v a n t a g e so fw e l lc o n c e a l e da n dd i f f i c u l tt oe x p o s e h o w e v e r , t h em u l t i p a t h e f f e c to ft h eo c e a ne n v i r o n m e n tr e s u l t si nr e c e i v e ds i g n a lw a v e f o r ma b e r r a t i o n ， f r e q u e n c ye x t e n s i o na n dd e c o r r e l a t i o n , w h i c ha f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fp a s s i v e s o n a rl o c a t i o n t h et i m er e v e r s a lt e c h n i q u ec a ni n t e g r a t em u l t i - p a t hi n f o r m a t i o n a n dr e a l i z es e l f - f o c u s i n go nt a r g e t v e r t i c a la r r a yp a s s i v el o c a t i o nt e c h n i q u eb a s e d o nt i m er e v e r s a li sm a i n l ys t u d i e di nt h ed i s s e r t a t i o n f i r s t l y , t h et h e s i sr e t r o s p e c t st h em e t h o d so fu n d e r w a t e ra c o u s t i cp a s s i v e l o c a t i o n ，a n ds u m m a r i z e st 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 d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs i n g l ee l e m e mp a s s i v et i m er e v e r s al o c a t i o n , p u t f o r w a r dv e r t i c aa r r a y sp a s s i v et i m er e v e r s a lm i r r o r ( a p t r m ) l o c a t i o nt e c h n i q u e ， w h i c hr e a l i z e st h ep a s s i v ef o c u s i n ga tt h et a r g e tp o s i t i o na n dg e t sh i g h e r p r o c e s s i n gg a i nt h a ns i n g l ee l e m e n t g i v i n gt h er e s o l v e n tf o rt h es e n s i t i v i t y t o e n v i r o n m e nd i s m a t c ha n dl a r g ea m o u n to fc o m p u t i n go fa p t r m ，w h i c hm a k e s t h ea p t r mh a v eh i g hl o c a t i o np r e c i s i o n , a n dm a k et h ea r i t h m e t i cr o b u s ta n d s t a b l ea tt h es a m et i m e c o m b i n e dt h ea p t r mt e c h n i q u e 、椭ms i n g l ev e c t o r s e n s o ro r i e n t a t i o nc a l ll o c a t et h et a r g e ti nt h r e e - d i m e n t i o ns p a c e i n t e n s i v ec o h e r e n ti n t e r f e r e n c ew i uc o n d u c tt h ea p t r ml o c a t i o n t e c h n i q u ed i s a b l e d t h et h e s i sb r i n g so u tp a s s i v et i m er e v e s a lf o c u s i n ga n d s h i e d i n gm e t h o d ，w h i c hc o n s t r u c t san e ws c a nw e i g h tv e c t o rf r o mt h ea p t r m t h en e ws c a nw e i g h tv e c t o rh a st h em i n i m u ma p p r o a c he r r o ri nw e i g h t e dl e a s t s q u a r e sw i t ht h ep r i m a r ys c a nw e i g h tv e c t o ro fa p t r m ，a f t e rs e t t i n gt h ez e r o p o i n ta tt h ep o s i t i o no fs t r o n gi n t e r f e r e n c e t r s fc a ns u p p r e s ss t r o n gi n t e r f e r e n c e a n dl o c a t et h ew e a kt a r g e t ，a n dh a v en od e t e c t i n gb l i n da r e a 。 t h er e s u l t so fa n a l y z i n gt h et r i a ld a t ai np o o lp r o v et h ea p t r mt e c h n i q u e h a sg o o dl o c a t i o np e r f o r m a n c e ；u n d e rt h ec o n d i t i o no fs t r o n gi n t e r f e r e n c e s ，t h e t r s ft e c h n i q u ec a ns u p p r e s ss t r o n gi n t e r f e r e n c ea n dl o c a t et h ew e a kt a r g e t t h e 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 暑置宣暑j 暑e i ；i i i 暑i 暑；i 宣；暑i i 置宣暑宣i i t , 宣暑i 暑i 宣i i i 昌昌i 宣昌i 宣i i i i 暑暑；i 宣暑宣i ；宣；宣宣i 暑；宣暑暑宣暑暑暑暑一 s e at r i a ld a t ap r o c e s s i n gc o n c l u s i o nv a l i d a t e st h em e t h o d sa b o v ea r ee f f e c t i v ea n d f e a s i b l e k e yw o r d s ：v i r t u a lt i m er e v e r s a lm i r r o r ；a r r a ys i g n a lp r o c e s s i n g ；v e c t o rs i g n a l p r o c e s s ；s h i e l d i n ga n df o c u s i n g ( s f ) 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 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：鲍习呻 日期：捌早年3 月7 , 0 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：蛆习甲导师( 签字) ：k 专毛 日期：硼9 年弓月7 , 0 日训覃年3 月7 , 0 日 哈尔滨工程大学硕士学何论文 第1 章绪论 1 1 立题意义和背景 检测与估计问题是声纳信号处理的两个核心问题。声纳系统对目标的检 测能力以及对目标方位角、速度、距离的估计精度是声纳系统的重要功能指 标。声纳被动定位技术一直是声纳技术发展的重要方向之一，而且相对于主 动声纳定位技术，被动定位还具有隐蔽性好、不易暴露本艇的优点。 从通信论的观点看，海洋是目标信号传至接收点所经的声信道。理想的 信道能无畸变的传递信息，但海洋是复杂多变的。海底、海面的反射和散射 使得海中任何一点接收到的声信号都是许多传播途径的叠加，即所谓的多途 效应【l 】。多途效应会使接收信号时域特性畸变( 时延扩展) 、振幅和相位起伏 ( 频率扩展) ，以及去相关，从而影响声纳信号处理的性能。 由于海洋环境的复杂性，以及被动定位技术实现上的困难，该项技术及 工程应用研究进展缓慢，即使有被动定位技术应用到声纳装备上，但其作用 和效能也有限。为了解决这一难题，在声学中引用了光学中不均匀介质的相 位共轭成像法【2 1 ，将连续波的相位共轭法发展到脉冲波的时间反转法，实现 对目标的自适应聚焦和聚焦检测【3 】。时间反转法与其它同类的聚焦检测方法 相比，有下列独特之处：不需要介质不均匀性的先验信息，可实现自适应聚 焦；可利用海洋信道的多途特性，修正各种多途引起的畸变；具有一定的抗 噪声能力。时间反转镜用于水声被动检测和定位，可实现对相干目标信号的 时空匹配滤波。时间反转镜技术有着广阔的应用潜力。 单水听器时间反转镜技术既可实现定位，且在运算量较小和安装空间要 求不高等方面具有更突出的优点和工程应用可能。垂直阵时间反转镜技术的 定位效果较单水听器有了很大的提高。将矢量信号处理与时间反转镜技术相 结合，在提高检测阀的同时，能够实现对目标声源三维被动定位。 对固定强干扰的屏蔽的同时，对弱目标的定位，是被动声纳信号处理又 一个研究方向，时间反转镜是解决这一问题的途径之一，较传统抗强干扰定 位技术，能有效地解决探测盲区的问题。这给固定强干扰的抑制问题提供了 一种新的解决思路。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 2 水下被动定位方法回顾 传统的被动定位方法，如三子阵法和球面内插法，利用球面波或柱面波 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。 测距精度与时延估计精度与目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因 素有关，其中时延测量精度是关键，然而对于有限的基阵孔径，随着声纳探 测距离的增加，波阵面曲率半径越来越大，加上信道传播起伏的影响，时延 的精确测量以及距离信息的提取变得越来越困难，因此传统的定位方法难以 实现远程定位，必须寻求新的方法。随着理论与技术的发展以及需求的牵引， 各种定位方法应运而生，归纳起来有两大类【4 】，即目标运动分析( t m a ) s j 和匹配场处理( m f p ) 6 1 。t m a 方法技术成熟，实现方式灵活，实用性强， 本身还在不断的发展和完善，在目前的技术条件下，有较好的工程可实现性， 但测距误差大；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，甚远距离的目标定位问题有着诱人的前景，随着研究的深入，正逐 步走向实用阶段，但仍有许多问题尚待解决。 时间反转镜定位技术是匹配场定位技术的姊妹篇。现在把匹配场与被动 时间反转镜进行简单的对比一下。 匹配场与被动时间反转镜都是目标检测与定位的信号处理方法，两者具 有许多相似之处。首先，两种定位技术都是将信号处理与海洋环境相结合的 技术。声波在海洋中传播是复杂的，立足平面波假设的声纳信号处理技术， 是对海洋传播的简化。而要想获得更多海洋中传播的目标信息，必须采取与 海洋传播相结合的信号处理技术，上世纪7 0 年代，以匹配场技术为代表的与 海洋特性相结合的信号处理技术得到飞速发展。主动时间反转镜技术是另一 种能充分利用海洋传播特点的信号处理技术，在海洋信道时变特性不明显的 情况下效果明显，在恶劣环境中其效果好于匹配场处理技术。被动时间反转 镜是主动时间反转镜技术的引申和发展，也是对匹配场定位技术的继承和发 扬，同样实现了与海洋信道相结合的信号处理。第二，两种定位技术都需根 据实际情况建立海洋信道传播模型，并根据模型计算用于信号处理的拷贝声 场。两种技术都试图通过信号处理技术建立“虚拟”信道，用信号处理技术模 拟信号传播的过程，并通过模拟的逼真程度( 匹配性) 实现信号处理与海洋 2 哈尔滨_ 程大学硕十学位论文 传播相结合的声纳定位技术。第三，对失配的敏感性，是制约两种定位技术 发展的主要因素。两种定位技术都存在不适应海洋环境时变特性的缺点，当 环境发生变化后，或当选用的信道模型不再适合时，将严重影响定位效果， 这就是对失配的敏感性。而且，这种失配后性能下降速度是相当快的，远不 如平面波束形成的宽容性好。第四，巨大的运算量是两种定位技术实现实时 运算( 工程应用) 的障碍。在信号处理中模拟海洋信道，需要巨大的运算量， 再加上声纳阵元数的运算量( 乘积关系) ，若要实现实时运算，信号处理机 规模将很大。最后，两种技术都立足于垂直阵实现被动定位。 被动时间反转镜是匹配场定位技术的继承和发扬，它们之间也有明显的 不同。单水听器时间反转镜可实现被动定位，而匹配场技术必须在两元以上 才能实现目标定位。简正波传播模型计算海洋信道必须两元以上；而时间反 转镜使用射线传播模型，射线传播是两点间传播的模型。此外，被动时间反 转镜技术应用领域更广泛。在抗主动声纳混响、抗拖船干扰、水下通信等领 域都有应用潜力。 1 3 时间反转( t r ) 技术及其在水声中的应用 1 3 1 国外研究现状 t r m 时间、空间上聚焦的特性己为国内外水声领域的专家所关注，并相 继投入财力、物力和人力开展研究。1 9 8 4 年b u r d o 对浅海波导中的相位共轭 原理进行了研究1 。自八十年代以来，以美国华盛顿大学应用物理实验室 ( a p l u w ) 的d a r r e l lr j a c k s o n 、d a v i dr d o w l i n g 一和美国加利福尼亚大学 s c r i p p s 海洋研究所( s c r i p p si n s t i t u t i o no fo c e a n o g r a p h y ) 的w a k u p e r m a n 为 代表的研究群对水声t r m 的机理和应用进行了深入研究。主要工作有： 9 0 年代初开始，d o w l i n g 对t r a m 应用于水声( 主动) 作了定义和基本的理 论分析p 1 ，并对各种不同阵型的t r m 技术进行了理论推导。他对影响t r m 聚焦性能的因素，如随机线性内波引起的声速分布变化、温跃层孤立内波的 影响、t r m 孔径大小、动态不平整海面的反射波影响等，进行了初步分析， 给出相应的结论。 1 9 9 6 年k u p e r m a n 在美国海军支持下，在地中海进行了t r m 海试“， 试验证明了t r m 的水下声聚焦效果和信道均衡能力。他们所作的研究称为 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 “物理t r m ”。 1 9 9 9 年开始，针对波导中多个主动目标的聚焦问题，k u p e r m a n 提出了 水声迭代t r m 选择聚焦原理“。一系列研究表明对于单目标，迭代t r m 可 增强空间聚焦性能；对于多目标，迭代t r m 的聚焦能力取决于目标反射强度 以及目标与t r m 间传播条件的复杂程度。 1 9 9 9 年，a a b r a n t e s 对浅海水声通信中的t r m 方法进行了研究”“。2 0 0 0 年s m i t h 等人进行了t r m 水声通信的理论和试验分析。结果证明t r m 有良 好的信道均衡能力。仿真条件下在6 k m 距离传输速率可达到1 0 k b i t s * 1o 自 2 0 0 5 年开始，k u p e r m a n 开始研究自适应信道均衡方法对t r m 水声通信的影 响“，结果表明，只需要简单的信号处理方法，t r m 就可以得到很好的通信 效果。2 0 0 6 年s o n g 和k u p e r m a n 等人研究了浅海水声环境中多输入多输出的 相干t r m 通信方法u6 | ，同年提出了被动时反通信理论川，在2 0 0 7 年发表的 文献中证明了该方法的正确性卜。 2 0 0 4 年开始，k u p e r m a n 的研究团队将时间反转聚焦原理应用到抗混响 研究中，针对海底混响，提出了t r m 混响置零方法，可以在相应海底处设 置混响零点。在2 0 0 7 年该团队研究了无需p s 源信号或目标距离先验信息的 “被动，混响置零方法。主要研究过程如下【1 9 】- 【2 4 1 ： 。 k i m 等人采用时间反转处理，把声能量聚焦到目标位置，从而有效地增 强了目标回波，同时把聚焦点上下的界面混响最小化，达到提高信混比的目 的，该方法在混响比较强的时候，实现声源聚焦比较困难。 当把粗糙海底的反射波看作是反射声源中的探测声源时，s o n g 等人提出 了基于时反处理的混响凹槽设置方法并进行了海洋实验论证。该方法可使得 海底混响最小化，但无法有效的在声源位置聚焦。 针对纯粹的海底混响，s o n g 等人还提出另一种时反混响零点设置方法， 该方法将海底散射体看作一个虚拟探测声源，对返回的混响进行处理，但这 种方法在相应距离的海底设置混响零点的同时，会在目标位置设置凹槽，从 而使得回波中信号和回波同时减小，无法实现信混比增强 1 3 2 国内研究现状 相比较而言，国内起步较晚。超声t r m 的研究主要是中国科学院声学 4 哈尔滨二r 程大学硕士学位论文 研究所的汪承灏院士进行的卜叫p “。在他的指导下，先后进行了流体、固体、 分层介质及弯曲表面等介质中t 蹦自适应聚焦和检测的理论、实验研究。 并研制了数字式时间反转系统。研究验证了反转镜在不需要阵列配置和介质 情况先验知识的情况下实现自聚焦的能力，为实际的时间反转镜系统分析和 设计提供了物理基础和依据。 国内t r ! v 在水声探测领域的研究尚属起步阶段，主要研究团队有哈尔 滨工程大学、杭州7 1 5 所和西北工业大学。哈尔滨工程大学自2 0 0 1 年开始对 单基元t r m 被动水声定位和水声通信的物理机理、信号处理算法进行了深 入研究【2 8 】1 3 5 】。杭州7 1 5 所进行了垂直声压阵t r m 被动定位的海上试验【3 6 】。【3 8 】， 目前已将t r m 技术应用到海底掩埋目标的探测中。西北工业大学就时反处 理增强信混比和混响置零方法展开了研究p 9 h 4 0 1 。 国内t r a 超声技术的研究起步较晚，在公开文献上可以查到主要是由中 国科学院声学研究所进行的。先后进行了流体、固体、分层介质及弯曲表面 等介质中时反镜自适应聚焦、检测的理论和实验研究，并研制了数字式时间 反转系统。研究验证了反转镜在不需要阵列配置和介质情况先验知识的情况 下实现自聚焦的能力，为实际的时间反转镜系统分析和设计提供了物理基础 和依据。在超声领域对时间反转法的研究是较为广泛和细致的，这为时反镜 在超声中的应用开辟了空间，同时也为时反镜在其它领域的应用打下了基础， 提供了参考。 虽然国外己对该方向的理论和应用作了多年的潜心研究，但是公开发表 的论文资料显示，该技术多用于有目标合作的水声通信领域和混响的抑制方 面。将时间反转镜技术用于被动水声定位，近些年来，才刚刚开始起步，哈 尔滨工程大学和7 1 5 研究所研究的比较多。 以上是国内外科学家对t r m 水声方面的研究工作概要。可以看到，在 他们的研究成果中，垂直阵时反被动定位技术研究较少，更未曾涉及到被动 工作模式下的利用时反原理屏蔽定位技术，本论文对此进行研究，并将有广 阔的应用前景。 1 4 本论文主要研究内容 本文基于射线声学的基本理论，对垂直阵时间反转定位和抑制噪声技术 5 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 进行研究。论文主要围绕这个思想进行仿真以及水池试验、海试的数据分析 验证。 论文的主要工作如下： 第一章：简单介绍了论文的选题意义和背景，各种水下被动定位方法， 以及时间反转技术及其在水声中的应用。 第二章：阐述垂直阵时反被动定位技术。由于时间反转镜是基于空间匹 配滤波，首先对海洋信道进行了简要的介绍。对主动时间反转镜的基本原理 进行了简要的证明。提出了垂直阵时反被动定位处理方法，进行了简要的证 明，并通过仿真进行有效的验证。针对虚拟时反被动定位对环境失配的敏感 性，以及巨大的运算量，提出了初步的解决方法。 第三章：在垂直阵时反被动定位的基础上，提出了垂直阵时反被动噪声 抑制方法，并给出了物理证明，并通过仿真进行有效的验证。 第四章：对水池实验、海试数据分析处理。验证了垂直阵被动时反能有 效的对目标定位，并且在强干扰条件下能有效进行抑制。 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第2 章垂直阵时反被动定位理论研究与仿真 利用目标辐射声对目标进行被动三维定位( 测距、测向和测深) 是新型 声纳体制中的一大关键技术，其在军事上和海洋研究方面都有重要意义。本 章研究利用时间反转镜( t i m er e v e r s a lm i r r o r ( t r m ) ) 聚焦原理的垂直阵水 下目标三维被动定位原理，寻求被动三维定位的新方法。 t r m 当水声信道慢变化时，具有无需信道详细先验知识，消除介质不均 匀和边界对探测的影响，实现声信号原位置点的时间、空间聚焦，自适应完 成信道均衡的优点。声压水听器阵输出声压，基于声压水听器的t r m 方法 称为“声压阵反转镜( p r e s s u r ea r r a yt i m er e v e r s a lm i r r o r ( p a t r m ) ) ”。矢量 水听器同点同时输出声压和振速，基于矢量水听器阵的t r m 方法称为“矢量 阵反转镜( v e c t o ra r r a yt i m er e v e r s a lm i r r o r ( v a t r m ) ) ”。 2 1t i 洲聚焦原理回顾 2 1 1 主动声压反转镜原理 t r m 的聚焦原理在文献 4 1 】和 4 2 1 中已给出详细描述，这里我们以图2 1 d p k u p e r m a n 的t r m 海试结构图为例简要叙述t r m 的聚焦原理。 图2 1k u p e r m a n 的t r m 海试布局示意图 图2 1 所示为w a k u p e r m a n 等人1 9 9 6 年4 月在意大利西海岸进行的时 间反转镜海试示意图。在试验中，垂直接收阵v r a ( v e r t i c a lr e c e i v ea r r a y ) 中的一个阵元作为探针源p s ( p r o b es o u r c e ) ，发射一p s 脉冲信号，收发合 置阵s r a ( s o u r c e r e c e i v ea r r a y ) 将经过多途信道的p s 信号时间反转后重发 到海洋中，测量v r a 附近声场的强度，结果在p s 源位置处时反信号实现了 时间和空间上的聚焦，t r m 输出能量最大。因为在k u p e r m a n 的t r m 中需 将时反信号重发到海洋中，所以我们称之为“物理t r m ”技术。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k u p e r m a n 的试验结果证明了时间反转镜实现“最佳”空间和时间匹配滤 波的能力。这种能力是基于水下声信道互易原理基础上的。 水下声信道可视为一相干多途信道，在较短的观察时间内它的空间和时 间随机性可忽略不计【4 3 】。我们从射线声线的角度来证明t r m 的时空聚焦特 性。 设p s 与s r a 中第，号阵元间的信道的冲激响应函数为h j ( t ) ： h i ( t ) = 如, 罗( t - r j ，) ( 2 1 ) 式中是s r a 中阵元序号，f 表示信道本征声线的序号， 、o 分别为到达 第，号阵元的第f 途径本征声线的幅度及时延。 若p s 发射信号记为p ( f ) ，则s r a 第，号阵元接收到的信号马( f ) 为： 乃( f ) = p ( f ) 幸h i ( t ) - - z 4 ，p ( t - v j ，) ( 2 - 2 ) i = 1 式中“表示卷积。由互易原理可知，p s 到号阵元的声信道与号阵元到 p s 的声信道是相同的。将p j ( t ) 时反后重发到海洋中，p s 处接收到的信号r 胎) 为： r j ( t ) = p j ( 一f ) * h j ( t ) = p ( 一f ) 木红( 一f ) 宰吃o ) ( 2 - 3 ) 其中r j ( t ) 为s r a 第，号阵元时反信号到达声源s 处的信号，则在原声源处总 的接收信号为： jj r ( f ) = o ( f ) = p ( - t ) 枣h j ( - t ) 宰h i ( t ) ( 2 - 4 ) 式( 2 4 ) 中，为s r a 阵元总数。记 3 p 删( f ) = 而j ( 一f ) 木h i ( t ) j = l ( 2 5 ) 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 p 删( f ) 称为时反信道( t i m er e v e r s e da c o u s t i cf i e l d ) ，表示p s 到各阵元之间 信道冲激响应函数的自相关函数之和，可近似为万函数，具有相关峰( t = t 时刻) 和较低的旁瓣。在除p s 外的其它位置，所r m ( r ) 不是万函数，时反聚 焦的结果将小于p s 处的输出结果。 图2 2 可形象的说明时间反转镜是如何实现多途补偿的。 ( a )( b ) 图2 2 时间反转镜补偿多途示意图 假设时反阵接收到的信号来自两个传播时间不同的路径，时间反转镜将 接收到的信号时反后发送，则先发送的是沿长的路径后到达的信号，后发送 的是沿短的路径先到达的信号，这样来自两个路径的信号将同时到达声源， 在声源处叠加。 2 1 2 单阵元时反被动( p t i 蝴) 定位原理 物理t r m 总是需要发射有规信号，或事先知道收发间信道的先验信息， 这是被动声纳无法实现的。论文的前期工作中将物理t r m 进行改进，这里 称之为“虚拟t r m ”技术，以满足在被动声纳中使用t r m 技术的需要。 图2 3 虚拟t r m 示意图 “虚拟t r m ”的示意如图2 3 所示。接收水听器( r e c e i v es e n s o r ( r s ) ) 接 收到被动声源( p a s s i v es o u r c e ( p s ) ) 辐射的噪声，接收信号经采样、时反后， 不再重发到真实海洋环境中，而是依据水文条件预报r s 与海洋中各点间的 信道冲激响应函数瑰( f ) ，这里称为“虚拟信道”，用时反后的信号与虚拟信道 9 4 ( 0 相卷积的方法得到虚拟t r m 的输出，通过分析输出来判断被动声源的 距离和深度。 由于虚拟t r m 只需对接收信号进行处理，而不需要发射任何信号，或 事先知道收发间信道的先验信息，所以可用于被动定位。若r s 是矢量水听 器，则可用来测量目标的方位，结合被动t r m ( p a s s i v et r m ( p t r m ) ) 得到 的目标距离和深度信息，就可以实现被动目标的三维定位。 依据水文条件预报r s 与海洋中各点间信道的冲激响应函数是可以实现 的。目前基于简正波理论和射线理论的海洋信道预报都很多，本论文根据海 洋环境的参数，利用射线声学的方法建立海洋多途信道模型，计算出到达接 收点各本征声线的幅度、时延和掠射角，建立具有空间差异的矢量信道模型， 以实现p t r m 定位的研究。 下面以单阵元矢量时间反转镜为例，说明p t r m 定位原理。 r 旦l ，o b 声霜镜 s 至堕) 舍怔h 丑压引篓：r m ) u 至匦) 砂恒h 区醋嚣隅黔镜 山，)儿( 矿)z ，o ) f 一 舢 图2 4p t r m 定位原理框图 建立一个p t r m 定位的原理框图，如图2 4 所示，信号x ( f ) 从声源s 经 过声压信道和振速信道的传播到接收机，接收信号和本地声压干扰咒。( r ) 及振 速干扰珂，9 ) 叠加通过接收机，滤波器输出声压信号y 。( f ) 与振速信号儿o ) 。 将接收信号时反后，不再象主动工作方式那样将信号再次发射到海洋中去， 而是通过实测的海洋环境在计算机中建模，得到声压声道i i 和振速信道i i 的 参数，这样可以在计算机中模拟得到反转重发后海洋中各观测点的声压z 。( ，) 与振速z ，( f ) 。 用s ( 缈) 表示源信号的频谱，源信号位置记为( ，) 。声压信道i 与振速 信道i 的频响函数分别为坼。( 缈) 和以。( 缈) ，本地干扰的频谱分别为坼( 国) 、 m ( 缈) 。若只在目标深度扫描，则缉，( 国) 、吼。( 缈) 为水听器与搜索点( ，；，) 1 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 间声压信道及振速信道的频响函数。矢量反转镜输出的频谱为： 疋( 缈，0 = i s ( 国) 日厶。( c o ) + n p ( 缈) 】月- ，( 缈) ) s ( c o ) h v o ( 国) + m ( 缈) 】日，( 国) ) ( 2 - 6 ) 由于干扰与信号是不相关的，干扰的声压与振速也不相关，则式( 2 6 ) 可写为： 疋( 国，f ) = s ( c o ) s ) h p o ( 缈) 砟。( 缈) 巩o ( 缈) 巩，( 缈) ( 2 - 7 ) 式( 2 - 7 ) 中s ( 缈) s ( 国) 为实、偶、正函数。如果没有建模误差，则当f - 0 时， “砟。劬) 砟，( o ) h v 。( c o ) h w ( c o ) ”一项也为实、偶、i e f f g 数，此时对应的互相 关输出峰值巨为最大值，即在源目标位置( ，) 处t r m 实现了空、时自适 应聚焦。 同时给出声压反转镜输出的频谱： r w ( c o ，f ) = s ( ) 缉。+ ( 国) + 坼+ ( 缈) 】4 ，( 缈) 心( 缈) 砟。( 国) + 坼( 缈) 】砟。( 缈) ) ( 2 - 8 ) 由于干扰与信号不相关性，式( 2 8 ) 可写为： r ：( 缈，i ) = s ( 缈) s ( 国) 月o ( 缈) 日，( 国) 曰- o ( 国) 厅i ( 缈) f 2 9 、 + p ( 缈) l 口( 缈) 日_ f ( 国) 日j 。( 缈) p77 从式( 2 9 ) 可知，声压反转镜在源目标位置( ，) 处也可实现空、时自适应 聚焦，与( 2 7 ) 式比较，( 2 9 ) 式多了一项环境噪声干扰项，较矢量反转镜 制环境噪声的能力要差。从以上的理论分析可知，利用了振速信息的矢量反 转镜的检测阈可以低于声压时间反转镜，矢量反转镜应能有更好的检测能力。 2 1 3 单阵元p t r m 方法仿真研究 仿真框图如图2 4 所示。被动声源x ( f ) 位于a o ( r o ，) = a o ( 9 0 0 m ，6 m ) ，在 仿真中信道i ( 真实海洋信道) 与信道i i ( 建模信道) 的声速分布相同；水 听器位置( 0 m ，4 0 m ) ；滤波器带宽为2 k h z 7 姚；信噪比s n r 定义为滤波 器输出端的信号与干扰的功率比；观测点q ( ，) ，从7 0 0 m 变化到1 1 0 0 m ， 间隔为2 m 。当s n r = 一7 d b ，样本长度0 5 s 时仿真结果见图2 5 。 哈尔滨工程大学硕士学伊论文 ( a ) 声压时反聚焦( b ) 矢量时反聚焦 图2 5 单阵元p t r m 定位仿真结果 图2 5 说明了p t r m 定位的可行性，同时表明矢量p t r m 聚焦优于声压 p t r m 定位效果，图中聚焦结果的包络呈现下降趋势，主要是受传播损失的 影响，在这里采用归一化信道的方法去除传播损失对时反聚焦结果的影响。 方法为假设水听器到扫描点的声压信道为幼( ，鬼，f ) ，振速信道为加( ，；，忽，) 。 则归一化声压信道为： h h p ( r 。, 办) ：下丝鱼丝竺一( 2 - 1 0 ) 、【 h p ( r , ，忽，f ) 】2 d t 归一化振速信道为： h h 订( t ，魂，f ) ：一产丝丝垒一 ( 2 - 1 1 ) 、l 【栅( ，绣，f ) 】2 d t 归一化的结果是保证每个信道的总能量为1 ，即： ，h o，m 【 h h p ( r , ，绣，f ) 】2 a r t = 1 ，i 、【h h v r ( r ，红，f ) 】2 d t = 1 ( 2 1 2 ) 丑 铎 妲 s 县 捌 逛 弓了 铎 也 s 真 捌 逛 ( a ) 声压时反聚焦( b ) 矢量时反聚焦 图2 6 信道归一化后p t r m 定位仿真结果 1 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 归一化后的p t r m 定位结果如图2 6 所示。 从图2 6 可以看出归一化输出的结果在非目标位置起伏比较平稳，可以 将归一化输出结果通过一个口滤波器，改进显示效果，示于图2 7 。但要注意 的是这里口滤波器并不能改善检测能力。 丑 簿 崾 县 瑙 鑫 1 础删么锄 羽 簿 鉴。 型 鑫 1 、诚氐忒溉默帆m ( a ) 声压时反聚焦( b ) 矢量时反聚焦 图2 7 口滤波后p t r m 定位仿真结果 2 2 垂直阵时间反转镜( a p t r m ) 被动定位技术 时间反转镜信号处理技术是一种时、空匹配滤波技术，为了得到更多的 聚焦增益，我们用多元阵代替单阵元进行时反被动定位。作为单阵元时反被 动定位和检测效果研究的一个延伸，下面以垂直阵为例，对直线阵时反被动 ( a r r a yp a s s i v et i m er e v e r s a lm i r r o r ( a p t r m ) ) 定位的机理及效果进行研究。 2 2 1a p t r m 定位机理研究 首先对a p t r m 聚焦定位机理进行分析，a p t r m 聚焦定位示意图如图 2 8 所示。 l r 瓦 2 3 ： n 图2 8a p t r m 聚焦定位示意图 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 如图2 8 所示，r o 表示被动声源，用& ( 缈) 表示r o 发出信号的频谱，瓦到 n 元垂直接收阵的传输函数的可以用目标矢量h 。( 缈) 表示： h 。( ) = 【凰( 国) ，风：( 缈) ，风( 缈) 】7 ( 2 - 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 中i - ；o ，( 缈) 表示瓦与垂直阵阵元f 之间信道的传输函数。则垂直阵 接收的信号的频谱x ( 缈) 为： x ( 缈) = 墨( 缈) ，k ( 缈) 瓦( 国) 】7 = s o ( o j ) h 。( 缈) ( 2 1 4 ) 令y ( c o ) 是x ( 缈) 的复共轭，即： y ( 国) = x ( 缈) = l 矸( 国) ，墨( 国) k ( 国) = $ ( 国) h ；( 缈) = s ( 国) i 日。( 缈) ，日盈( 缈) ，硪( 缈) 1 5 ) l r 一 1 r ( 2 - y ( 国) 对应时域上即为接收信号而( f ) ，艺( f ) h ( f ) 的时间反转 y l ( f ) ，y 2 ( t ) y u ( t ) 。 用信道单阵元p t r m 中信道建模的方法建立垂直阵阵元i 到海洋中某观 测点弓之间的信道，信道的传输函数记为- f i ( 缈) ，则对于单目标，时反被动 聚焦的扫描权向量形即为h ，( 缈) ： h ，( 缈) = q 。( 功) ，q ：( 缈) ，月- ( 缈) r ( 2 - 1 6 ) 乙处时反输出信号的频谱记为z ，( 缈) ： z ( 缈) = 乙。( 缈) ，乙：( 缈) ，z - ( 缈) = y ( 缈) o h ，( 缈) = 鞴( 国) 珥。( 国) ，日乏( 缈) ，月乱( 缈) ro - ；j 。( 缈) ，q ：( 国) ，月0 ( 国) r = $ ( 缈) 研。( 国) q 。( 彩) ，日品( 缈) q ：( 国) ，月乱( 国) 日o ( 国) 2 ( 2 1 7 ) 式( 2 1 7 ) 中的“o ”表示矩阵点乘。当f 与瓦重合时，物理上表示观测 点与目标位置重合，即h ，( 缈) = h 。( c o ) ，则： 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 z ，( 缈) = s ( 缈) 硪。( o j ) ；- l o 。( 缈) ，- o ：( c o ) - ；o = ( c o ) ，a o n ( c o ) 爿r o ( 国) ( 2 18 ) 式( 3 5 ) 中 珥。( c o ) h o 。( 缈) ，h o ：( o j ) h o ：( 缈) ，硪v ( 国) 风( 国) 7 是实、偶、正函数， 它在时间零点的傅立叶反变换是主相关峰值。从信道角度解释，即为信道 h 。( 国) 与信道h ， ) 完全相关，这时每个阵元的p t r m 实现信道匹配，各阵 元p t r m 空间增益达到最大。而当互与t o 不重合时，信道h 。( 缈) 与信道h ，( 缈) 不匹配，各阵元p t r m 空间增益减小或是没有空间增益。 z ，( ) 中的某个分量z ，沏) 即为垂直阵阵元f 单独进行p t r m ，在观测点 乃得到的信号，对z ( 国) = 乙( 缈) ，乙z ( 缈) ，( 缈) 分别可以进行如图2 9 和图2 1 0 所示的信号处理。 z j n 元廿t r m 输出骂( ) 图2 9a p t r m 实现方法一 图2 1 0a p t r m 实现方法二 1 5 输出易( - ，) 。钒矶 撕 撕 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 a p t r m 实现方法一将得到的输出z ，( f ) = 乃。( f ) ，7 , j 2 ( f ) ，和( f ) 相加，即 表示各阵元都进行了空间匹配滤波后，将各阵元的结果相加，这与波束形成 技术有异曲同工之处，波束形成是对通过对各阵元进行时延或相位的搜索补 偿达到空间滤波的目的，a p t r m 实现方法一是通过各阵元时反信道匹配的 方法达到空间滤波的目的。此外，a p t r m 实现方法一是各阵元单独时反时 空聚焦后进行波形相加，无需各阵元接收信号必须互相关，从而摆脱了波束 形成要求各阵元信号相关的束缚，可以适当的增大基阵尺度，使得在垂直方 向布设大尺度基阵，获得更多的空间增益成为可能。 单阵元p t r m 的聚焦增益【删为： ，m ，、 4 吒矿1 0 1 0 9 。i 4 2 心i ( 2 - 1 9 ) i = l， a p t r m 实现方法一处理增益方面来自n 元阵的空间增益1 0 l o g l o n ， 一方面来自每个阵元时反聚焦的增益，所以a p t r m 实现方法一的处理增益 为： ，m，、 彳= 1 0 1 0 9 l o + 1 0 1 0 9 。o l 4 2 丘i ( 2 - 2 0 ) i = 1， a p t r m 实现方法二是图2 4 所述单矢量传感器p t r m 方法的扩展。各 阵元时反输出的z j , ( t ) 已经完成了时空匹配，z ，m p ) 和z j ( t ) 进行相关处理可以 抵消掉两阵元p t r m 输出中不相关的噪声成分，从而提高a p t r m 输出的信 噪比，增加处理增益。 2 2 2a p t r m 定位仿真研究 以二元垂直水听器阵为例，对2 4 1 节提出的两种a p t r m 定位方法进行 仿真分析。 被动声源位置a o ( 9 0 0 m ，6 m ) ，1 号水听器位置为( 0 m ，2 5 m ) ，阵元间距为 d