基于RAP的垂直線列陣時反定位研究

王鴻吉, 韓建輝, 楊日杰

(海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺 264001)

基于RAP的垂直線列陣時反定位研究

王鴻吉, 韓建輝, 楊日杰

(海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺 264001)

在分析可靠聲路徑(RAP)的物理機(jī)理的基礎(chǔ)上，將RAP與時間反轉(zhuǎn)處理相結(jié)合，研究了基于RAP的垂直水聽器陣時反定位問題，并在Munk聲速剖面下的進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明了利用RAP進(jìn)行垂直線列陣時反定位的有效性，通過適當(dāng)提高陣元數(shù)量和間距可增強(qiáng)時反聚焦效果。

可靠聲路徑； 時反定位； 垂直線列陣

0 引 言

被動聲納定位技術(shù)一直是水聲工程研究的熱點(diǎn)之一，高精度的被動定位對聲納的使用具有重要的影響。傳統(tǒng)的三子陣定位、球面內(nèi)插法定位和目標(biāo)運(yùn)動分析(target move analysis，TMA)等方法對水聲環(huán)境不均勻性、聲線彎曲、波陣面畸變等影響較敏感，定位精度和作用距離均受到限制。時間反轉(zhuǎn)處理技術(shù)可以在缺乏陣列和結(jié)構(gòu)等信息的條件下利用海洋信道中的多徑特性，提高探測性能。

Dowling D R教授最早提出主動式時間反轉(zhuǎn)鏡[1]，對TRM應(yīng)用于主動聲納定位方面進(jìn)行基本的理論分析，并對各種不同陣型的TRM技術(shù)進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并首先提出被動式時間反轉(zhuǎn)鏡和人工時間反轉(zhuǎn)鏡。Kuperman W A等人從1996年到2004年做了六次時反鏡處理技術(shù)試驗(yàn)，深入研究了時反鏡處理技術(shù)的物理機(jī)理，得出了很多試驗(yàn)結(jié)果[2～5]。針對多目標(biāo)的探測、定位問題，Kuperman W A采用水聲迭代時反鏡技術(shù)增強(qiáng)時反鏡的空間聚焦性能，試驗(yàn)結(jié)果表明：這種聚焦能力受到海洋環(huán)境和接收水聽器器性能的影響。

Smith等人進(jìn)行了利用時反鏡技術(shù)的高數(shù)據(jù)率水下聲通信試驗(yàn)，證明了時反鏡在通信接收機(jī)處有良好的時空聚焦性能，對于2.5 kHz帶寬，每秒可傳送2 500個符號。哈爾濱工程大學(xué)對單基元被動時反定位和水聲通信的物理機(jī)理、信號處理算法進(jìn)行了深入研究[6～8]。中船重工715研究所進(jìn)行了垂直聲壓陣被動時反定位的海上試驗(yàn)，目前已將時反技術(shù)應(yīng)用到海底掩埋目標(biāo)的探測中。西北工業(yè)大學(xué)就時反處理增強(qiáng)信混比和混響置零方法展開了研究。

目前時反鏡研究主要集中于主被動定位、水聲通信和混響抑制等方面，而利用可靠聲路徑現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)時反定位研究較少。本文在分析可靠聲路徑的物理機(jī)理的基礎(chǔ)上，將可靠聲路徑(reliable acoustic path，RAP)和時反技術(shù)相結(jié)合，完成大深度垂直陣時反定位。

1 可靠聲路徑

深海的典型聲速剖面圖是由溫度垂直分布的“三層結(jié)構(gòu)”所形成[9]。在海洋表面受到陽光照射時，水溫較高，但又受到風(fēng)雨的攪拌作用，形成海洋表面等溫層，這一表面等溫層也稱為混合層。在深海內(nèi)部，水溫度比較低而且穩(wěn)定，

形成深海的等溫層，聲速隨海洋深度增加，呈現(xiàn)洋海內(nèi)部的聲速正梯度(聲速隨深度增加)變化。在表面等溫層和深海等溫層之間，存在一個聲速變化的過渡區(qū)域，這一過渡區(qū)域主要呈現(xiàn)溫度隨深度下降的趨勢，稱為主躍變層。除去高緯度、赤道等特殊區(qū)域外，深海的典型“三層結(jié)構(gòu)”是符合海洋結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況的。在這種海洋結(jié)構(gòu)中，密度隨深度增加，因而，“三層結(jié)構(gòu)”是穩(wěn)定的深海典型聲速結(jié)構(gòu)。

Munk剖面是一個具有典型深海環(huán)境特性的理想聲速剖面，它將深海聲道傳播的基本特征很明顯地體現(xiàn)出來了。Munk剖面的聲速表達(dá)式為

c=1500[1+ε(z′-1+e-z′)].

(1)

其中，ε=0.007 37，換算深度z′為

(2)

RAP是深海水聲傳播中的一種特殊的物理現(xiàn)象[10]。所謂RAP，即當(dāng)聲源深度大于臨界深度時，聲傳播路徑不受近海面效應(yīng)或海底相互作用的影響，因此,與海面附近的海洋環(huán)境特性關(guān)系較小，傳播信號穩(wěn)定可靠。圖1給出了聲源位于3 780m處RAP示意圖。

圖1 RAP

2 時反定位技術(shù)

實(shí)現(xiàn)時反的基本收發(fā)裝置示意圖如圖2所示。PS是探針聲源，VRA為垂直接收陣，SRA為收發(fā)并置的時反陣，從PS發(fā)射信號，SRA接收后再反時序發(fā)射，該信號再被VRA接收到。

圖2 時反定位示意圖

對于單位強(qiáng)度、頻率為ω的點(diǎn)聲源，信道傳輸函數(shù)Gω(R,zj,zps)滿足Helmholtz方程

(3)

(4)

對于一個垂直的收發(fā)陣SRA來講，經(jīng)時反傳輸后在聲源位置的聲場可表示為

(5)

其中,J為SRA中振元的個數(shù)。

在PS處有

(6)

此時得到輸出最大，即在聲源PS處實(shí)現(xiàn)了空間聚焦。

3 基于RAP的垂直線列陣時反定位

3.1 基本原理

圖3給出了基于RAP的垂直線列陣時反定位幾何位置圖。基于RAP的垂直線列陣時反定位步驟如下：

1)將收發(fā)并置的SRA時反垂直線列陣布設(shè)于靠近海底的位置。垂直線列陣接收探針聲源PS發(fā)出的聲波，由于深海RAP的存在，探針聲源PS至垂直線列陣的聲傳播不受海表面海洋環(huán)境因素的影響，接收信號穩(wěn)定可靠，記錄垂直線列陣的各個陣元信號S(r,zj,zps)。

2)采用簡正波模型對RAP信道建模，記RAP信道傳輸函數(shù)為HRAP(r,z,zps)。

3)將PS聲源經(jīng)過RAP傳輸至SRA垂直線列陣各個陣元的信號進(jìn)行相位共軛。

圖3 基于RAP的垂直線列陣時反定位

3.2 仿真分析

假定海洋環(huán)境特性不隨時間變化，海水表面滿足第一類邊界條件，海底為平坦海底。聲速剖面為Munk聲速剖面，海底密度ρ=1.74 g/cm3，衰減系數(shù)α=0.34 dB/λ。聲源深度為300 m，聲源距離為3 km。聲源頻率500 Hz，陣元間距為8 m，距離海底深度為50 m，檢測范圍為水平方向?yàn)? 500～3 500 m，垂直方向?yàn)?00～600 m，水平搜索步長為10 m，垂直方向搜索步長取為1 m。圖4給出了聲速剖面。圖5給出了時反定位仿真結(jié)果。由圖5可見，當(dāng)陣元數(shù)目為3時，經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理的定位效果不理想，聚焦點(diǎn)發(fā)生了模糊，容易受到旁瓣的影響，而將陣元數(shù)量增加到16個時，從定位平面上容易得出聲源所處的位置為(3,0.5)km附近。在陣元間距一定的條件下增加垂直線列陣的陣元數(shù)量可有效提高RAP時反定位效果。

圖4 Munk聲速剖面

圖5 陣元數(shù)不同時的時反定位仿真結(jié)果

聲源頻率為500 Hz，垂直線列陣間距分別取1,10 m，陣元數(shù)為10，其他條件不變，圖6給出了仿真結(jié)果。由圖6可見，當(dāng)間距較小時，經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理后的能量在定位平面上聚焦效果不理想，分布范圍較廣，出現(xiàn)了很多虛假的聚焦點(diǎn)，不能分辨目標(biāo)的真實(shí)位置，而當(dāng)陣元間距較大時，經(jīng)過時間反轉(zhuǎn)處理后的能量在定位平面上聚焦效果較好，在聲源處存在明顯的尖峰。在垂直陣的傳感器數(shù)量一定的條件下,增大陣元間距可有效提高RAP定位效果。

4 結(jié)束語

本文在分析RAP的物理機(jī)理的基礎(chǔ)上，將RAP與時間反轉(zhuǎn)處理相結(jié)合，研究了基于RAP的垂直水聽器陣是反定位問題。通過Munk聲速剖面下的仿真分析，結(jié)果表明：在陣元間距一定條件下增加陣元數(shù)量，可以提高定位效果，而在陣元數(shù)量一定條件下增加陣元間距，時反聚焦效果也得到增強(qiáng)。本文的研究沒有考慮到環(huán)境適配條件下的RAP時反定位效果，今后還需要進(jìn)行更深入的研究。

[1] Dowling D R.Acoustic pulse compression using passive phase-conjugate processing[J].J Acoust Soc Am,1994,95(3):1450-1458.

[2] Kuperman W A,Hodgkiss W S,Song H C,et al.Phase conjugation in the ocean:Experimental demonstration of a time reversal mirror[J].J Acoust Soc Am,1998,103:25-40.

[3] Song H C,Kuperman W A,Hodgkiss W S,et al.Iterative time reversal in the ocean[J].J Acoust Soc Am,1999,105:3176-3184.

[4] Kim S,Kuperman W A,Hodgkis W S,et al.Echo-to-reverberation enhancement using a time reversal mirror[J].J Acoust Soc Am,2004,115(4):1525-1531.

[5] Song H C,Hodgkiss W S,Kuperman W A,et al.Passive reverration nulling for target enhancement[J].J Acoust Soc Am,2007,122:3296-3303.

[6] 生雪莉，惠俊英，梁國龍.時間反轉(zhuǎn)鏡用于被動檢測技術(shù)的研究[J].應(yīng)用聲學(xué)，2005,24(6):351-358.

[7] 生雪莉、惠俊英、梁國龍.矢量反轉(zhuǎn)鏡空間濾波技術(shù)及其在水聲中應(yīng)用[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2005:42-63.

[8] 惠俊英，馬敬廣，李 峰，等.二陣元被動時間反轉(zhuǎn)定位技術(shù)研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2007, 28(11):1243-1251.

[9] 劉伯勝.水聲學(xué)原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010.

[10] Urick.水聲原理[M].洪 申,譯.哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1990.

Research on time reversal positioning of vertical line

array based on RAP WANG Hong-ji, HAN Jian-hui, YANG Ri-jie

(Department of Electronic and Information Engineering,Naval Aeronautics and Astronautics University,Yantai 264001,China)

On the basis of analyzing physical mechanism of reliable acoustic path(RAP) and time reversal processing is combined.Time reversal positioning problem of vertical hydrophone array based on RAP is researched. Simulation analysis under the condition of Munk sound speed profile is carried out,and the result shows validity of positioning of vertical line array based on RAP,improving sensor number and distance between sensors can enhance time-reversal energy focus effect.

reliable acoustic path(RAP); time reversal positioning; vertical line array

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0056—03

2014—08—19

TB 566

A

1000—9787(2015)04—0056—03

王鴻志(1973-)，男，遼寧沈陽人，博士研究生，研究方向?yàn)樗暪こ獭?/p>