基于RAP的垂直线列阵时反定位研究

王鸿吉, 韩建辉, 杨日杰

(海军航空工程学院 电子信息工程系，山东 烟台 264001)

基于RAP的垂直线列阵时反定位研究

王鸿吉, 韩建辉, 杨日杰

(海军航空工程学院 电子信息工程系，山东 烟台 264001)

在分析可靠声路径(RAP)的物理机理的基础上，将RAP与时间反转处理相结合，研究了基于RAP的垂直水听器阵时反定位问题，并在Munk声速剖面下的进行了仿真分析，结果表明了利用RAP进行垂直线列阵时反定位的有效性，通过适当提高阵元数量和间距可增强时反聚焦效果。

可靠声路径； 时反定位； 垂直线列阵

0 引 言

被动声纳定位技术一直是水声工程研究的热点之一，高精度的被动定位对声纳的使用具有重要的影响。传统的三子阵定位、球面内插法定位和目标运动分析(target move analysis，TMA)等方法对水声环境不均匀性、声线弯曲、波阵面畸变等影响较敏感，定位精度和作用距离均受到限制。时间反转处理技术可以在缺乏阵列和结构等信息的条件下利用海洋信道中的多径特性，提高探测性能。

Dowling D R教授最早提出主动式时间反转镜[1]，对TRM应用于主动声纳定位方面进行基本的理论分析，并对各种不同阵型的TRM技术进行了理论推导，并首先提出被动式时间反转镜和人工时间反转镜。Kuperman W A等人从1996年到2004年做了六次时反镜处理技术试验，深入研究了时反镜处理技术的物理机理，得出了很多试验结果[2～5]。针对多目标的探测、定位问题，Kuperman W A采用水声迭代时反镜技术增强时反镜的空间聚焦性能，试验结果表明：这种聚焦能力受到海洋环境和接收水听器器性能的影响。

Smith等人进行了利用时反镜技术的高数据率水下声通信试验，证明了时反镜在通信接收机处有良好的时空聚焦性能，对于2.5 kHz带宽，每秒可传送2 500个符号。哈尔滨工程大学对单基元被动时反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[6～8]。中船重工715研究所进行了垂直声压阵被动时反定位的海上试验，目前已将时反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。

目前时反镜研究主要集中于主被动定位、水声通信和混响抑制等方面，而利用可靠声路径现象实现时反定位研究较少。本文在分析可靠声路径的物理机理的基础上，将可靠声路径(reliable acoustic path，RAP)和时反技术相结合，完成大深度垂直阵时反定位。

1 可靠声路径

深海的典型声速剖面图是由温度垂直分布的“三层结构”所形成[9]。在海洋表面受到阳光照射时，水温较高，但又受到风雨的搅拌作用，形成海洋表面等温层，这一表面等温层也称为混合层。在深海内部，水温度比较低而且稳定，

形成深海的等温层，声速随海洋深度增加，呈现洋海内部的声速正梯度(声速随深度增加)变化。在表面等温层和深海等温层之间，存在一个声速变化的过渡区域，这一过渡区域主要呈现温度随深度下降的趋势，称为主跃变层。除去高纬度、赤道等特殊区域外，深海的典型“三层结构”是符合海洋结构的实际情况的。在这种海洋结构中，密度随深度增加，因而，“三层结构”是稳定的深海典型声速结构。

Munk剖面是一个具有典型深海环境特性的理想声速剖面，它将深海声道传播的基本特征很明显地体现出来了。Munk剖面的声速表达式为

c=1500[1+ε(z′-1+e-z′)].

(1)

其中，ε=0.007 37，换算深度z′为

(2)

RAP是深海水声传播中的一种特殊的物理现象[10]。所谓RAP，即当声源深度大于临界深度时，声传播路径不受近海面效应或海底相互作用的影响，因此,与海面附近的海洋环境特性关系较小，传播信号稳定可靠。图1给出了声源位于3 780m处RAP示意图。

图1 RAP

2 时反定位技术

实现时反的基本收发装置示意图如图2所示。PS是探针声源，VRA为垂直接收阵，SRA为收发并置的时反阵，从PS发射信号，SRA接收后再反时序发射，该信号再被VRA接收到。

图2 时反定位示意图

对于单位强度、频率为ω的点声源，信道传输函数Gω(R,zj,zps)满足Helmholtz方程

(3)

(4)

对于一个垂直的收发阵SRA来讲，经时反传输后在声源位置的声场可表示为

(5)

其中,J为SRA中振元的个数。

在PS处有

(6)

此时得到输出最大，即在声源PS处实现了空间聚焦。

3 基于RAP的垂直线列阵时反定位

3.1 基本原理

图3给出了基于RAP的垂直线列阵时反定位几何位置图。基于RAP的垂直线列阵时反定位步骤如下：

1)将收发并置的SRA时反垂直线列阵布设于靠近海底的位置。垂直线列阵接收探针声源PS发出的声波，由于深海RAP的存在，探针声源PS至垂直线列阵的声传播不受海表面海洋环境因素的影响，接收信号稳定可靠，记录垂直线列阵的各个阵元信号S(r,zj,zps)。

2)采用简正波模型对RAP信道建模，记RAP信道传输函数为HRAP(r,z,zps)。

3)将PS声源经过RAP传输至SRA垂直线列阵各个阵元的信号进行相位共轭。

图3 基于RAP的垂直线列阵时反定位

3.2 仿真分析

假定海洋环境特性不随时间变化，海水表面满足第一类边界条件，海底为平坦海底。声速剖面为Munk声速剖面，海底密度ρ=1.74 g/cm3，衰减系数α=0.34 dB/λ。声源深度为300 m，声源距离为3 km。声源频率500 Hz，阵元间距为8 m，距离海底深度为50 m，检测范围为水平方向为2 500～3 500 m，垂直方向为400～600 m，水平搜索步长为10 m，垂直方向搜索步长取为1 m。图4给出了声速剖面。图5给出了时反定位仿真结果。由图5可见，当阵元数目为3时，经过时间反转处理的定位效果不理想，聚焦点发生了模糊，容易受到旁瓣的影响，而将阵元数量增加到16个时，从定位平面上容易得出声源所处的位置为(3,0.5)km附近。在阵元间距一定的条件下增加垂直线列阵的阵元数量可有效提高RAP时反定位效果。

图4 Munk声速剖面

图5 阵元数不同时的时反定位仿真结果

声源频率为500 Hz，垂直线列阵间距分别取1,10 m，阵元数为10，其他条件不变，图6给出了仿真结果。由图6可见，当间距较小时，经过时间反转处理后的能量在定位平面上聚焦效果不理想，分布范围较广，出现了很多虚假的聚焦点，不能分辨目标的真实位置，而当阵元间距较大时，经过时间反转处理后的能量在定位平面上聚焦效果较好，在声源处存在明显的尖峰。在垂直阵的传感器数量一定的条件下,增大阵元间距可有效提高RAP定位效果。

4 结束语

本文在分析RAP的物理机理的基础上，将RAP与时间反转处理相结合，研究了基于RAP的垂直水听器阵是反定位问题。通过Munk声速剖面下的仿真分析，结果表明：在阵元间距一定条件下增加阵元数量，可以提高定位效果，而在阵元数量一定条件下增加阵元间距，时反聚焦效果也得到增强。本文的研究没有考虑到环境适配条件下的RAP时反定位效果，今后还需要进行更深入的研究。

[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，梁国龙.时间反转镜用于被动检测技术的研究[J].应用声学，2005,24(6):351-358.

[7] 生雪莉、惠俊英、梁国龙.矢量反转镜空间滤波技术及其在水声中应用[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2005:42-63.

[8] 惠俊英，马敬广，李 峰，等.二阵元被动时间反转定位技术研究[J].哈尔滨工程大学学报，2007, 28(11):1243-1251.

[9] 刘伯胜.水声学原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.

[10] Urick.水声原理[M].洪 申,译.哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，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

王鸿志(1973-)，男，辽宁沈阳人，博士研究生，研究方向为水声工程。