基于主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)的目標(biāo)探測(cè)性能研究

荊海霞，申曉紅，劉　鐳

(1.西安外事學(xué)院 工學(xué)院，陜西 西安 710077；2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072)

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基于主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)的目標(biāo)探測(cè)性能研究

荊海霞1，申曉紅2，劉鐳2

(1.西安外事學(xué)院 工學(xué)院，陜西 西安 710077；2.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072)

針對(duì)信號(hào)傳播過程中“多徑效應(yīng)”引起的問題，提出時(shí)間反轉(zhuǎn)的處理方法，采用經(jīng)典射線理論，利用Bellhop工具箱模擬多徑信道環(huán)境，研究了基于單陣元的主動(dòng)時(shí)反探測(cè)及主動(dòng)迭代時(shí)反的探測(cè)性能。通過計(jì)算比較時(shí)反前和時(shí)反后接收信號(hào)的信噪比情況，說明時(shí)反方法對(duì)于信噪比提升的有效性。仿真結(jié)果表明：當(dāng)發(fā)射信號(hào)距離目標(biāo)6 km時(shí)，采用單陣元主動(dòng)時(shí)反探測(cè)方法，可有效提高接收信號(hào)的信噪比，但進(jìn)一步采用單陣元主動(dòng)迭代時(shí)反方法，效果提升并不明顯。

探測(cè)； 多徑信道； 主動(dòng)時(shí)反；迭代時(shí)反；信噪比

時(shí)間反轉(zhuǎn)(Time Reversal，TR)概念起源于光學(xué)中的相位共軛法[1]，其利用聲互易性及時(shí)反不變性原理，不需要波導(dǎo)環(huán)境的任何先驗(yàn)知識(shí)，就能夠補(bǔ)償由于信道多途引起的擴(kuò)展，自適應(yīng)地在源位置處達(dá)到空時(shí)聚焦[2]。通過這種聚焦可得到聲源位置并實(shí)現(xiàn)聲源信號(hào)重構(gòu)，從而提高探測(cè)距離。

文獻(xiàn)[3]從信號(hào)探測(cè)角度，綜述了時(shí)反探測(cè)中的三種主要方法：反復(fù)迭代法、DORT法(時(shí)反算子分解法)及MUSIC法(多信號(hào)分類算法)，但僅是理論介紹，無仿真結(jié)果；文獻(xiàn)[4]和[5]分別討論了單陣元主動(dòng)TR探測(cè)和一種探測(cè)接收自聚焦技術(shù)，但二者的探測(cè)距離分別為1.0 km和0.5 km，且仿真結(jié)果是建立在理想的等聲速梯度的基礎(chǔ)上；文獻(xiàn)[6]利用簡正波模型，以時(shí)反聚焦性能指數(shù)來衡量垂直時(shí)反陣的聚焦效果，論證了淺海目標(biāo)深度對(duì)其時(shí)反聚焦性能的影響，其聚焦距離為4 km；文獻(xiàn)[7]基于被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)，提出了一種信號(hào)檢測(cè)算法。

本文是在前期研究時(shí)反聚焦技術(shù)[8]的基礎(chǔ)上，從提高接收信號(hào)信噪比的角度，研究長距離下單陣元主動(dòng)時(shí)反的探測(cè)問題，以利用高信噪比信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)的定位研究[9]。

1　主動(dòng)時(shí)反探測(cè)原理

1.1探測(cè)模型

單陣元條件下的主動(dòng)時(shí)反探測(cè)模型如圖1所示。

其探測(cè)過程如下：

1)發(fā)射信號(hào)s(t)；

2)s(t)經(jīng)過信道多徑傳播到達(dá)目標(biāo)，按照原路徑反射后加入預(yù)設(shè)噪聲，設(shè)陣元首次接受到的反射信號(hào)為y(t)；

3)將接收到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)反、放大等處理后再送入信道，設(shè)再次發(fā)射的信號(hào)為y(-t)；

4)信號(hào)遇到目標(biāo)再次反射，過程中再次加入預(yù)設(shè)噪聲，設(shè)第二次接收到的反射信號(hào)為z(t)。

圖1　主動(dòng)時(shí)反探測(cè)模型

1.2探測(cè)原理

利用射線理論建立多徑信道模型，可得信道傳遞函數(shù)為

(1)

式中：N表示聲線總數(shù)；an，τn分別表示第n條本征聲線對(duì)應(yīng)的衰減幅度和時(shí)延。

則接收陣首次接收到的信號(hào)y(t)可表示為

y(t)=cs(t)?h(t)?h(t)+q(t)

(2)

式中：c為目標(biāo)反射系數(shù)；q(t)為所加噪聲。

將y(t)時(shí)反后再次發(fā)射，接收陣第二次接收到的信號(hào)z(t)可表示為

z(t)=cy(-t)?h(t)?h(t)+q(t)=

c2s(-t)?h(t)?h(t)?h(-t)?h(-t)+

cq(-t)?h(t)?h(t)+q(t)

(3)

定義htr(t)有

htr(t)=h(t)?h(t)?h(-t)?h(-t)=

(4)

式中：τmn=τm-τn；τij=τi-τj。

將式(4)代入式(3)中，則接收信號(hào)z(t)可表示為

(5)

加窗[T1，T2]=τs處理式(5)，其中T1，T2分別表示時(shí)域窗函數(shù)的起始和截止參數(shù)，τs為s(t)的脈沖周期。從而使得τmn=τij。不失一般性，假設(shè)an=a∈(0,1)，若τs≤(τm-τi)+(τj-τn)，此時(shí)式(5)可簡化為

z(t)=c2N2a4s(-t)+cNa2q(-t)+q(t)

(6)

通過計(jì)算比較y(t)和z(t)中的信噪比來研究引入主動(dòng)時(shí)反后，目標(biāo)探測(cè)性能的改善問題。

1.3信噪比計(jì)算公式

根據(jù)信噪比的定義有

(7)

為了研究方便，分別定義時(shí)反前和時(shí)反后的接收信號(hào)信噪比為輸入信噪比和輸出信噪比，將式(1)帶入式(2)有

y(t)=cs(t)?h(t)?h(t)+q(t)=

(8)

再根據(jù)式(7)得輸入信噪比為

(9)

由式(6)得輸出信噪比為

(10)

2　仿真研究

2.1仿真條件

陣元位置(0，80)，目標(biāo)位置(6 000，82)，發(fā)射信號(hào)為如圖2所示的CW信號(hào)，頻率10 kHz，脈寬80 ms；假設(shè)目標(biāo)反射系數(shù)c=1，噪聲采用均值為0、方差為1的高斯白噪聲；采用圖3所示實(shí)測(cè)的一段聲速梯度。

圖2　聲源信號(hào)的時(shí)域形式

圖3　聲速梯度

利用Bellhop專用仿真工具箱模擬聲場(chǎng)環(huán)境，得到陣元與目標(biāo)之間的本征聲線及與之對(duì)應(yīng)的幅值、時(shí)延分別如圖4、圖5所示。

圖4　本征聲線圖

圖5　信道時(shí)延、幅值圖

2.2信噪比仿真計(jì)算方法

仿真過程中，為更準(zhǔn)確地計(jì)算輸入、輸出信噪比，需要選取合適的信號(hào)段及噪聲段，引入相關(guān)系數(shù)對(duì)y(t)及z(t)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)加窗，選取與發(fā)射信號(hào)s(t)相關(guān)性最強(qiáng)部分作為有效信號(hào)進(jìn)行能量計(jì)算，記為Es；對(duì)于噪聲信號(hào)，則采取在接收信號(hào)z(t)前部截取與s(t)相同長度信號(hào)作為噪聲并進(jìn)行能量計(jì)算，記為En。

相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式用以衡量q(k)，s(k)之間的相似度，設(shè)定相關(guān)系數(shù)ρ，其中ρ∈[0,1]，其表達(dá)式為

(11)

2.3仿真結(jié)果及分析

2.3.1單次時(shí)反探測(cè)

接收陣元首次接收到的信號(hào)y(t)和時(shí)反后第二次接收到的信號(hào)z(t)分別如圖6、圖7所示。

圖6　首次接收信號(hào)y(t)

圖7　第二次接收信z(t)

對(duì)y(t)、z(t)進(jìn)行信噪比計(jì)算，得此時(shí)輸入信噪比為12.13dB，輸出信噪比為17.27dB，可知經(jīng)過時(shí)反后信噪比提升約5.14dB。

從圖7中來看，z(t)信號(hào)時(shí)域波形受噪聲影響嚴(yán)重，為更進(jìn)一步提高信噪比，采用IIR橢圓帶通濾波器進(jìn)行濾波處理，降低噪聲影響。濾波后信號(hào)z(t)如圖8所示。經(jīng)計(jì)算，濾波后的輸出信噪比為33.09dB，較濾波前提高約15.82dB，較輸入信噪比SNR_in提高約20.96dB。

圖8　濾波后信號(hào)z(t)

2.3.2迭代時(shí)反探測(cè)

對(duì)接收到的信號(hào)z(t)進(jìn)行TR自適應(yīng)加窗處理后截取信號(hào)，將截取到的信號(hào)進(jìn)行能量增益后，重新按上述過程發(fā)射，稱為一次迭代。下面分帶噪重發(fā)和IIR橢圓濾波后再重發(fā)兩種情況來討論迭代時(shí)反探測(cè)問題。

1)帶噪重發(fā)

圖9所示為首次及迭代2，4，6次后接收信號(hào)時(shí)域圖；表1為迭代完成后，輸出信噪比及迭代過程中每次接收信號(hào)與原發(fā)射信號(hào)x(t)的相關(guān)系數(shù)。

圖9　帶噪重發(fā)迭代后接收信號(hào)

迭代次數(shù)信號(hào)相關(guān)系數(shù)輸出信噪比/dB00.90778008717.3051902510.83982544417.8490535220.81221045917.9160792430.79869141517.9526548240.7845997518.1056031750.75518243618.8691086760.68296880820.901164970.53316208622.4142102980.32912187622.8058580190.16172076122.88309669

2)IIR橢圓濾波后重發(fā)

為降低噪聲影響，將首次主動(dòng)時(shí)反得到的z(t)信號(hào)通過IIR橢圓帶通濾波器后再按照以上步驟進(jìn)行截取迭代過程，按照此方法，首次及迭代2，4，6次后接收信號(hào)時(shí)域圖如圖10所示；迭代完成后，輸出信噪比及迭代過程中每次接收信號(hào)與原x(t)的相關(guān)系數(shù)如表2所示。

圖10　IIR濾波后重發(fā)迭代后接收信號(hào)

3)結(jié)果分析

通過對(duì)比分析帶噪截取及濾波截取兩種方法下迭代時(shí)反探測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)單陣元迭代時(shí)反方法對(duì)輸出信噪比提高效果有限，大約進(jìn)行3次迭代后，所得信號(hào)輸出信噪比較相對(duì)首次輸出信噪比提高約1dB，價(jià)值較??；雖然通過多次迭代，信噪比有所提升，但此時(shí)每次重發(fā)信號(hào)與聲源信號(hào)相關(guān)性較小，缺乏研究意義。

3　結(jié)論

本文利用射線理論模型研究了單陣元主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)方法在探測(cè)過程中對(duì)于輸出信噪比的提升效果問題。研究中，首先建立了基于射線理論的主動(dòng)時(shí)反探測(cè)模型；在此基礎(chǔ)上，以一組實(shí)測(cè)的聲速梯度為基礎(chǔ)，通過Bellhop工具箱得到仿真所用的信道數(shù)據(jù)；最后通過Matlab仿真，完成了6km的探測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)。

表2SNR及相關(guān)系數(shù)

迭代次數(shù)信號(hào)相關(guān)系數(shù)輸出信噪比/dB00.8357116532.98966110.7499124433.51410520.7157794633.52226530.6782527933.52021940.6341990633.53205950.5883532833.51402460.5305777233.52923670.4707541933.56053380.4130065833.54016790.3349072833.608773

仿真表明，通過時(shí)間反轉(zhuǎn)方法處理后，接收信號(hào)輸出信噪相比輸入信噪比有明顯提高，且通過IIR橢圓帶通濾波器后，指標(biāo)有進(jìn)一步提升，效果較好；但在單陣元情況下，采用迭代時(shí)反探測(cè)方法對(duì)于輸出信噪比提升效果有限，價(jià)值較小。本研究結(jié)果可為后續(xù)利用時(shí)反進(jìn)行定位和跟蹤提供一定的參考價(jià)值。

[1]PARVULESCUA，CLAYCS.Reproducibilityofsignaltransmissionsintheocean[J].Radioandelectronicengineer，1965，29(4)：223-228.

[2]FINKM.Timereversalofultrasonicfields-PartI：Basicprinciples[J].IEEEtransactionsonultrasonics，ferroelectrics，andfrequencycontrol，1992，39(5)：555-566.

[3]劉敏，曹燕，韋崗. 基于時(shí)反處理法的水下目標(biāo)探測(cè)研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9(21)：6366-6370.

[4]楊伏洲，王海燕，申曉紅，等. 水聲多徑單陣元主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)檢測(cè)性能研究[J]. 聲學(xué)技術(shù)，2011，30(4)：359-363.

[5]田學(xué)義，王海燕，申曉紅.一種主動(dòng)時(shí)反探測(cè)接收陣自聚焦[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(9)：1991-1995.

[6]曲少春，王英民，鄭琨. 淺海中目標(biāo)深度對(duì)其時(shí)反聚焦性能的影響[J]. 計(jì)算機(jī)仿真，2014，31(1)：195-198.

[7]楊伏洲，王海燕，申曉紅，等. 基于被動(dòng)時(shí)反“雙擴(kuò)展”效應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)算法[J].計(jì)算機(jī)仿真，2013，30(1)：276-279.

[8]荊海霞，李洪義. 基于主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)的水下目標(biāo)自適應(yīng)聚焦研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2015，23(24)：12-15.

[9]馬慧穎，曾向陽. 聲學(xué)時(shí)間反轉(zhuǎn)定位方法及其應(yīng)用[J]. 電聲技術(shù)，2015，39(7)：36-40.

荊海霞(1976— )，女，講師，博士生，主要研究方向?yàn)闀r(shí)反信號(hào)處理；

申曉紅(1965— )，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樗曂ㄐ牛曅盘?hào)檢測(cè)；

劉鐳(1994— )，碩士生，主研時(shí)反信號(hào)處理。

責(zé)任編輯：閆雯雯

Performance study of target detection based on active time reversal

JING Haixia1， SHEN Xiaohong2， LIU Lei2

(1.InstituteofTechnology，Xi’anInternationalofUniversity，Xi’an710077，China;2.SchoolofMarineScienceandTechnology，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)

Aiming at the problems caused by the multipath effect in the propagation of the signals， time reversal processing method is proposed which uses the classical ray theory and Bellhop toolbox to simulate multipath channel environment， and the detection performance of active time reversal (ATR) and iterative time reversal (ITR) based on single element is studied. Through computing and comparing SNR of received signal before and after TR， the validity of the method is verified. Simulation results show that using the method of ATR based on single element can effectively improve the SNR when the distance between probe source and target is 6 km， whereas using ITR methods can’t further enhance the effect.

detection； multipath channel； active time reversal； iterative time reversal； SNR

TN911.23

A

10.16280/j.videoe.2016.08.020

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61571365)；陜西省教育廳科研項(xiàng)目(16JK2173)

2016-06-17

文獻(xiàn)引用格式：荊海霞，申曉紅，劉鐳. 基于主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)的目標(biāo)探測(cè)性能研究[J].電視技術(shù)，2016，40(8)：103-107.

JING H X， SHEN X H， LIU L. Performance study of target detection based on active time reversal[J]. Video engineering，2016，40(8)：103-107.