一種基于時間反轉處理的淺海目標監測方法

曲少春, 王英民, 鄭 琨

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一種基于時間反轉處理的淺海目標監測方法

曲少春, 王英民, 鄭 琨

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

為了實現淺海環境中對入侵目標實時監測和判斷的目的, 基于時間反轉技術, 提出了一種利用時間反轉鏡在淺海環境中產生一條警戒線的水下目標監測方法, 首次從理論上分析了入侵目標強度、深度和與時反陣水平距離等因素對基于時反鏡的實時監測系統探測敏感度的影響。針對典型淺海聲信道, 通過計算機仿真和理論數據計算結果表明, 采用時間反轉技術的淺海水下目標監測方法的性能優于傳統淺海警戒方法, 該方法適用于探測小型目標或目標散射回波強度小的物體且不受淺海復雜聲道及多途效應影響, 具有較強的實用性。

淺海警戒; 時間反轉處理; 目標監測

0 引言

沿海安全警戒及淺海水下目標監測在國家海防等研究領域有著重要地位, 是水聲技術研究的熱點和難點。在淺海或近岸海域, 水聲信道多徑干擾強烈、信道響應穩定性差, 具有典型的時-空-頻域非平穩特性, 使得自適應均衡、波束形成、匹配場處理等許多信號處理方法的性能受到很大限制。時間反轉鏡(time reversal mirror, TRM)技術具有空間聚焦和時間壓縮的性質, 其對多途干擾的有效抑制已得到理論和試驗驗證[1], 現已成功應用于水聲通信和動目標的寬帶檢測[2-4]等水聲領域, 以解決水聲中的多途干擾問題。目前, 在淺海警戒及水下目標探測領域主要采用淺海警戒雷達、主動和被動聲吶來探測目標。淺海警戒雷達接收的反射信號不僅包含有用信號, 也含有海雜波噪聲, 為了探測目標, 通常情況下需要設定足夠的檢測閥值以保證一定的虛警概率, 但當檢測小型目標或目標散射的回波強度小于或等于海雜波的回波強度時, 雷達檢測將變得特別困難[5]。

使用主動聲吶探測目標主要依靠目標回波, 由于海洋信道是非理想信道, 它會使聲束彎曲, 使得聲吶發出的信號不能在目標處形成聚焦, 從而降低主動聲吶的工作性能[6]。使用被動聲吶進行淺海目標探測時, 由于淺海的復雜性, 當強度較小時, 基陣收到的目標信號十分微弱, 導致無法準確探測。使用大孔徑基陣, 增大發射聲源級或將發射基陣設計成具有足夠窄的指向性等方法可提高工作性能, 但在實際應用中均有一定的局限性, 相對于TRM在實際應用上也較復雜[7]。針對這些問題, 利用TRM在淺海環境中產生一條時反聲場警戒線的方法可達到對入侵目標的即時預警, 該方法應用簡單, 監測能力強, 敏感度高, 可探測到小型或散射回波強度小的目標, 且不受淺海多途效應影響, 極大地提高了對淺海水下入侵目標的探測能力, 達到對淺海的實時警戒。

1 理論基礎

1.1 時反處理方法的理論基礎

時反空時聚焦是淺海水聲信道的重要特性, 波動方程解的時反不變性和收發互易性解釋了聲場具有時反聚焦特性, 以此特性為基礎的時反處理方法在復雜淺海環境下實現信號的空時自適應聚焦, 該方法可避免由于傳播介質的不均勻性引起的信號畸變及多途效應的影響, 不需要環境的先驗信息。時反處理的核心是TRM。TRM是1個由點源發射信號, 陣接收后再反轉發射的聲系統, 其由1個發射點源(probe source, PS), 1個收發合置的陣列(source receiver array, SRA)和1個垂直接收陣列(vertical receive array, VRA)構成, 是將SRA接收的信號時間反轉后重新發射, 使聲能在原聲源處聚焦。

根據時反的處理過程, 時反處理后形成的聲場可以表示為

將式(1)代入式(2)可得

根據簡正波模態函數的正交性, 式(3)化簡為

1.2 基于時反處理的淺海警戒方法實現過程

基于時反聚焦的淺海復雜環境預警是指,利用時間反轉發射和接收聚焦2個方面的特性來提高對淺海復雜環境的監測, 具體實施流程如下。

首先, 利用目標位置附近的PS發射探測信號, SRA接收到該探測信號后將其時間反轉再發射回去, 時反信號被VRA接收, 由此產生的聲場會在探測聲源PS處實現空間的聚焦。這時若時反陣持續發射已存儲的時反信號, 就會在PS處持續實現聲場的聚焦, 即在時反接收陣與PS之間形成了一條持續的時反聲屏障(acoustic barrier)[9-10], 當有目標進入時反警戒線時, 其產生的散射信號會影響時反信號的后向傳播從而使得原時反聚焦點及附近位置的能量分布發生變化, 對時反的聚焦效果產生影響, 由此可以判斷是否有目標入侵, 達到了監測預警的目的。

淺海警戒方法實施基本步驟如圖1所示: 1) 首先由布放的PS發射信號, 經水聲信道傳輸后, PS發射的信號由收發合置的SRA接收; 2) SRA對接收到的信號進行時反處理后再通過SRA發射出去, 由此產生的聲場會在探測聲源PS處實現空間和時間的聚焦; SRA持續發射時反后的信號在PS處持續實現聲場聚焦, 從而產生PS到VRA之間的警戒線; 3) 加入應答器作為聲屏障在SRA和PS之間發射干擾信號, 干擾信號和SRA發射的時反后向傳播信號疊加, 兩信號具有相同的頻率, 最終疊加的信號由VRA接收。

圖1 環境參數模型及基本步驟圖

2 仿真分析和計算

為了驗證該方法的有效性, 本文建立了如圖1所示的水聲實時監測系統, 并進行了仿真分析。采用一列應答器作為干擾聲源來模擬目標入侵, 在默認的淺海波導環境中將應答器置于SRA和PS之間。

2.1 仿真條件和信噪比估計

在未使用時反警戒線的淺海環境下, 對有小目標入侵時產生的聲場做初步計算。

采用一列應答器作為干擾聲源來模擬該目標體, 系統增益表達式為

將放大倍數為63代入式(7)時, 應答器的系統增益為56 dB。

沒有放置應答器時, 根據經驗公式[12]信噪比

式中:為聲源級;表示陣增益;為傳播損失;為噪聲級。

將應答器置放在距離引導聲源PS 3 km的位置, 這時信噪比

由式(8)和式(9)可得

SNR1–SNR2=–6–(10)

遠距離傳播

將式(6)代入式(5)中, 由此得到SNR1– SNR2=3 dB。

從計算結果可以看出, 當有目標侵入時, 在復雜的淺海水聲環境中檢測出信噪比與背景信噪比的平局差值為3 dB的波動信號是非常困難的, 當目標更小時, 其產生的散射場會更小, 對水聲環境的影響就會更小, 更難檢測出來。

2.2 仿真結果及分析

圖2為淺海穩定聲場中, 只有PS發射信號, 沒有時反處理, 目標入侵前后的2個聲場在垂直方向上和水平方向上的比較。通過仿真結果可以看到, 當淺海復雜環境加入聲屏障時, 也就是有小目標入侵時,與原淺海穩定聲場比較其聲場強度變化并不明顯, 聲場場強分布也未受到顯著影響,在垂直方向和水平方向上,加入聲屏障的聲場強度與原穩定聲場強度的平均差值低于5 dB,可以清晰看到, 當有目標侵入穩定淺海聲場時, 場強變化非常微弱, 在這種情況下, 對于復雜的淺海環境, 實時發現小于5 dB的場強強度變化并由此判斷是否有目標入侵是非常困難的[12]。

圖3為淺海穩定聲場, 只有PS發射信號時, SRA接收信號進行時反處理并重新發射, 未加入聲屏障模擬有小目標存在和加入聲屏障后的2個聲場在垂直方向上和水平方向上的比較。

圖2 未采用時反處理時目標入侵前后聲場對比圖

圖3 采用時反處理時目標入侵前后聲場對比圖

由圖3可知, 在穩定的淺海區域, 采用基于時間反轉處理方法的目標入侵監測, 當有目標入侵時, 其聲場強度比沒有目標入侵時平均高了10~15 dB。對PS處的聚焦也產生明顯的影響, 由于在時反信號后向傳播的過程中, 應答器發射的信號嚴重影響了SRA發射的已儲存時反信號, 2種同頻率但不同幅度、相位的信號在應答器處進行了疊加, VRA接收到信號的相位和幅度發生畸變, 原聚焦位置的聲線已經趨于離散, 能量散布范圍很大, 聚焦效果減弱, 可以看到, 當加入聲屏障后聚焦效果減弱, 當有目標入侵時, TRM產生的聚焦比沒有入侵時在水平方向和深度方向上都有明顯的影響, 其在PS距離上某些深度形成了較強的旁瓣, 旁瓣數目也有所增加, 同時聚焦主瓣降低。引起較強旁瓣數目增加和出現深度變化以及聚焦主瓣強度降低的主要原因是加入聲屏障后對時反聲場后向傳播造成了嚴重影響, 其產生的聲場比原聚焦聲場平均低了10~15dB。因此, 在穩定的淺海環境中, 采用基于時間反轉處理的海洋監測方法, 可以依據目標入侵時的干擾所造成的聲場明顯變化, 迅速判斷出目標的入侵。

為了更好地研究時反處理方法在淺海目標監測上的應用, 本文對比研究了干擾聲源的強度、位置對時反聚焦的影響。圖4給出了3種不同系統增益干擾聲源在相同位置處對時反聚焦的影響。圖4為3種不同系統增益干擾聲源產生的聲場和未加入應答器時反聚焦產生的聲場在垂直方向上和水平方向上的對比。

由于在時反后向傳播過程中, 時反信號和應答器產生的信號這2種同頻率但不同幅度、相位的信號進行了疊加, VRA接收到的疊加信號的相位、幅度已經發生畸變, 原聚焦位置的聚焦強度降低, 較強旁瓣數增多, 聚焦效果減弱, 隨著系統增益的增強, 也就是物體的目標強度越大, 時反聚焦效果減弱, 旁瓣增高, 此時, 對時反聚焦產生了明顯的影響。這主要是由于在時反后向傳播過程中, 系統增益越高, 其模擬的物體目標強度越大, 應答器產生的干擾信號愈加嚴重影響原時反信號, 對時反聚焦的效果影響越大, 使得物體更加容易被探測到。

圖5給出了應答器采用56 dB的系統增益, 其置放深度為75 m, 距離PS的水平距離分別為4 km, 3 km和2 km 3個不同位置對時反聚焦的影響。圖5為應答器在3個水平距離不同的位置處產生的聲場和未加入應答器時反聚焦產生的聲場在垂直方向上和水平方向上的對比。通過圖5可以得出, 隨著模擬入侵目標應答器的水平位置的變化, 時反聚焦的效果也發生了比較明顯的變化: 當應答器遠離PS時, 其與SRA的水平距離減小, 其對SRA發射的已儲存時反信號的影響越大, 時反信號和干擾信號的疊加部分更多, 從而對時反陣在PS處的聚焦產生的影響越大。從以上分析可知, 當入侵目標離PS水平距離越遠, 其越容易被時反陣形成的水下監測系統發現。

圖4 目標增益不同時聲場對比圖

圖5 應答器與發射點源(PS)水平距離不同時聲場對比圖

圖6對比了應答器采用56 dB的系統增益, 距離PS的水平距離分別為4 km, 置放深度選擇75 m, 45 m和25 m 3個不同位置對時反聚焦的影響。圖6為應答器在3個置放深度不同的位置處產生的聲場和未加入應答器時反聚焦產生的聲場在垂直方向上和水平方向上的對比。

圖6 應答器為不同置放深度時聲場對比圖

Figs. 6 Contrast among sound fields for different de- pths of responder

由圖6可以看出, 當干擾源的置放深度發生變化時, 其對時反聚焦效果的影響也在變化。干擾源置放在上層高聲速水域及靠近海底的區域時, 其對時反聚焦效果的影響比較小。這時, 由于干擾源位于上層高聲速水域中, 其激發的低階簡正波模態幅度值遠小于最強的模態, 這意味著這些低階簡正波模態對聲場是沒有貢獻的。雖然上層高聲速水域中的聲源可以與高階簡正波模態進行強耦合, 但是與低階簡正波模態耦合很弱, 所以當干擾聲源位于上層高聲速水域中時, 其對時反聚焦效果的影響較差; 而位于海底附近的應答器發射的信號受到海底反射和海底混響的影響, 信號損失比較大, 對SRA發射的時反信號產生的干擾比較小, 從而對時反聚焦效果影響也就比較小。當干擾源位于下層低聲速水域中時, 其可以很好地激發所有簡正波模態, 所以其對聲場的貢獻比較大, 對時反聚焦的效果影響就比較大, 水下監測系統的敏感度就比較高。

3 結束語

該文以淺海聲傳播模型為基礎, 利用時反處理方法不需要環境先驗知識的聚焦特性, 建立了基于時反鏡的水聲實時監測系統模型, 用以實現對入侵淺海的小型目標或散射回波強度小的目標的實時監測, 描述了該方法的具體實施步驟, 為了驗證該文所提方法的有效性, 采用應答器來模擬小目標入侵, 通過數值分析和計算機仿真驗證了這種方法在復雜淺海環境中對目標實時監測的有效性。結果表明, 其對目標的敏感度遠高于傳統檢測方法。在此基礎上, 文章對比研究了入侵目標強度、置放深度和與時反陣水平距離等因素對基于時反鏡的實時監測系統探測敏感度的影響, 并通過仿真和理論分析得到如下結論: 1) 物體的目標強度越大, 其對時反聚焦產生的影響就越明顯, 越容易被即時發現; 2) 入侵目標距離PS的水平距離越遠, 其越容易被基于時反鏡的水下監測系統發現; 3) 當目標位于下層低聲速水域時, 其更容易被探測到。本文的研究對基于時反的沿海警戒方法的實際應用具有重要參考價值。

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(責任編輯: 楊力軍)

A Target Monitoring Method in Shallow Water Based on Time Reversal Processing

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

A method to generate a cordon based on the time reversal processing for real-time target monitoring and judgment in shallow water is proposed. The effects of target strength and depth, the horizontal distance between the target and the source received array, and other factors on the sensitivity of the monitoring system are analyzed theoretically. Numerical simulations and theoretical calculations for typical shallow water environment demonstrate that the proposed method is better than conventional alert method in shallow water. The proposed method is suitable for detecting small targets and the targets with small scattering echo intensity, and is not influenced by complex shallow water acoustic channel and multi-path effects.

shallow water alert; time reversal processing; target monitoring

TJ630.34; TN929.3

A

1673-1948(2014)06-0430-06

2014-09-16;

2014-10-06.

國家自然科學基金資助(51407142).

曲少春(1986-), 女, 在讀博士, 主要研究方向為水下信號處理技術.