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)的物理機理的基礎上，將RAP與時間反轉處理相結合，研究了基于RAP的垂直水聽器陣時反定位問題，并在Munk聲速剖面下的進行了仿真分析，結果表明了利用RAP進行垂直線列陣時反定位的有效性，通過適當提高陣元數量和間距可增強時反聚焦效果。

可靠聲路徑； 時反定位； 垂直線列陣

0 引 言

被動聲納定位技術一直是水聲工程研究的熱點之一，高精度的被動定位對聲納的使用具有重要的影響。傳統的三子陣定位、球面內插法定位和目標運動分析(target move analysis，TMA)等方法對水聲環境不均勻性、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。時間反轉處理技術可以在缺乏陣列和結構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鏡[1]，對TRM應用于主動聲納定位方面進行基本的理論分析，并對各種不同陣型的TRM技術進行了理論推導，并首先提出被動式時間反轉鏡和人工時間反轉鏡。Kuperman W A等人從1996年到2004年做了六次時反鏡處理技術試驗，深入研究了時反鏡處理技術的物理機理，得出了很多試驗結果[2～5]。針對多目標的探測、定位問題，Kuperman W A采用水聲迭代時反鏡技術增強時反鏡的空間聚焦性能，試驗結果表明：這種聚焦能力受到海洋環境和接收水聽器器性能的影響。

Smith等人進行了利用時反鏡技術的高數據率水下聲通信試驗，證明了時反鏡在通信接收機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。哈爾濱工程大學對單基元被動時反定位和水聲通信的物理機理、信號處理算法進行了深入研究[6～8]。中船重工715研究所進行了垂直聲壓陣被動時反定位的海上試驗，目前已將時反技術應用到海底掩埋目標的探測中。西北工業大學就時反處理增強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象實現時反定位研究較少。本文在分析可靠聲路徑的物理機理的基礎上，將可靠聲路徑(reliable acoustic path，RAP)和時反技術相結合，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“三層結構”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。在深海內部，水溫度比較低而且穩定，

形成深海的等溫層，聲速隨海洋深度增加，呈現洋海內部的聲速正梯度(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域，這一過渡區域主要呈現溫度隨深度下降的趨勢，稱為主躍變層。除去高緯度、赤道等特殊區域外，深海的典型“三層結構”是符合海洋結構的實際情況的。在這種海洋結構中，密度隨深度增加，因而，“三層結構”是穩定的深海典型聲速結構。

Munk剖面是一個具有典型深海環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出來了。Munk剖面的聲速表達式為

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象[10]。所謂RAP，即當聲源深度大于臨界深度時，聲傳播路徑不受近海面效應或海底相互作用的影響，因此,與海面附近的海洋環境特性關系較小，傳播信號穩定可靠。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

實現時反的基本收發裝置示意圖如圖2所示。PS是探針聲源，VRA為垂直接收陣，SRA為收發并置的時反陣，從PS發射信號，SRA接收后再反時序發射，該信號再被VRA接收到。

圖2 時反定位示意圖

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

(3)

(4)

對于一個垂直的收發陣SRA來講，經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。

在PS處有

(6)

此時得到輸出最大，即在聲源PS處實現了空間聚焦。

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?；赗AP的垂直線列陣時反定位步驟如下：

1)將收發并置的SRA時反垂直線列陣布設于靠近海底的位置。垂直線列陣接收探針聲源PS發出的聲波，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境因素的影響，接收信號穩定可靠，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信道傳輸函數為HRAP(r,z,zps)。

3)將PS聲源經過RAP傳輸至SRA垂直線列陣各個陣元的信號進行相位共軛。

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為2 500～3 500 m，垂直方向為400～600 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果。由圖5可見，當陣元數目為3時，經過時間反轉處理的定位效果不理想，聚焦點發生了模糊，容易受到旁瓣的影響，而將陣元數量增加到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 陣元數不同時的時反定位仿真結果

聲源頻率為500 Hz，垂直線列陣間距分別取1,10 m，陣元數為10，其他條件不變，圖6給出了仿真結果。由圖6可見，當間距較小時，經過時間反轉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，出現了很多虛假的聚焦點，不能分辨目標的真實位置，而當陣元間距較大時，經過時間反轉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 結束語

本文在分析RAP的物理機理的基礎上，將RAP與時間反轉處理相結合，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，結果表明：在陣元間距一定條件下增加陣元數量，可以提高定位效果，而在陣元數量一定條件下增加陣元間距，時反聚焦效果也得到增強。本文的研究沒有考慮到環境適配條件下的RAP時反定位效果，今后還需要進行更深入的研究。

[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.時間反轉鏡用于被動檢測技術的研究[J].應用聲學，2005,24(6):351-358.

[7] 生雪莉、惠俊英、梁國龍.矢量反轉鏡空間濾波技術及其在水聲中應用[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2005:42-63.

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

[9] 劉伯勝.水聲學原理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，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，研究方向為水聲工程。