水声信号频率对时间反转探测性能的影响

王铭灏, 王海燕, 申晓红, 张之琛



水声信号频率对时间反转探测性能的影响

王铭灏, 王海燕, 申晓红, 张之琛

(西北工业大学 海洋声学信息感知工业和信息化部重点实验室, 陕西 西安, 710072)

针对在复杂多途浅海环境下对弱目标进行探测这一水声探测领域的研究热点, 时间反转(TR)技术拥有广泛的应用前景。基于前人研究, 可知利用被动时间反转(PTR)和阵列信号处理(ASP)技术相结合可以进一步提高对弱目标的检测和定位的性能。但在复杂多途浅海环境下, 当信号脉宽大于门限脉宽时, TR聚焦的主峰和旁峰会产生混叠, 从而导致聚焦峰能量的改变。根据以上现象, 文章推导出了PTR信噪比处理增益与声源信号频率的关系, 并得到结论: 由于TR处理不能完全消除多径效应带来的时延扩展(镜反射之外的声线叠加), 对于同一PTR检测系统, 其检测性能和定位性能不仅与估计信道适配程度有关, 还与声源信号的时域特性(信号频率、脉宽)相关。这一研究结果对TR通信、TR检测, 尤其是信源或声源为长脉宽窄带信号的工程应用有一定参考价值。

水声信号; 弱目标; 时间反转; 被动时间反转; 信噪比处理增益

0 引言

随着声呐技术的不断发展, 对目标的探测也从基于自由场发展为基于波导实际目标的探测。匹配场处理(matched field processing, MFP)技术[1]就是基于波导实际目标探测的典型, 随后发展到模基匹配滤波技术(model-based matched filtering, MBMF)[2], 再到现在的时间反转(time reversal, TR)技术。其中, TR技术正是利用了声场的互易性和其良好的自适应能力, 逐渐成为声呐探测领域的热点问题。TR技术是匹配场发展的产物, 它有效地克服了MFP和MBMF技术在静态波导的适配灵敏性, 从而有了良好的宽容性, 也正是利用了光学中的相位共轭聚焦原理, 实现了声场的空时聚焦。

1965年, Parvulescu等[3]就对TR技术进行了初步研究, 但是没有建立聚焦模型。一直到1989年, Fink等[4]最终在超声波领域取得了成功, 发现TR具有良好的空时聚焦特性, 随即对TR做出了定义, 成为TR发展史上重要的一步。此后Fink等[5]于1992年提出了时间反转腔(time reversal cavity, TRC)、迭代时间反转处理(iterative time reversal processing, ITRP)技术(即脉冲回波型时间反转处理), 为实现强目标聚焦提供了新的检测手段。

而国内研究中, 超声领域的TR研究起步于汪承灏院士[6-7], 其团队在固体、流体和分层介质等中的TR自适应聚焦方面有着巨大贡献, 证明了TR在不需要介质的先验信息情况下实现自适应聚焦。而水声领域的TR研究则起步较晚, 其中哈尔滨工程大学的惠俊英团队[8-9]在2007年完成了TR的海上实验, 并提出了垂直TR定位算法。西北工业大学杨益新教授[10]则提出了一种基于前向预测的PTR混响抑制方法。

TR技术分为两大类: 主动时间反转(active time reversal, ATR)和被动时间反转(passive time reversal, PTR)。其中, ATR技术就是将水听器接收的信号时反后通过原信道发射回去, 从而在声源处形成一个聚焦峰, 且无须知道信号和信道的先验信息[11]。PTR是计算机海洋环境建模技术发展的产物, PTR相对于ATR来说, 在时反再发射的处理上有区别, PTR技术是在计算机里产生一个估计信道, 将接收到的信号时反后进行一次虚拟重发, 当估计信道与真实海洋信道相匹配时, 就会在声源处产生一个聚焦峰, 从而实现对目标的检测和定位。

影响TR探测性能的因素有很多, 其中水声信号频率对TR探测的影响鲜有人研究。在特定脉宽条件下, 由于时反聚焦后旁峰的存在, 会产生类似于码间串扰的现象, 旁峰会对主峰的能量产生影响, 而不同信号形式对主峰的影响大不相同, 其中频率是重要的影响因素。所以不同频率的信号经过TR处理后, 其能量聚焦的效果也不尽相同。

文中从PTR入手, 在文献[12]的基础上分析了PTR技术对检测和定位性能的提升, 提出了不同频率的信号对PTR性能的影响, 并推导了TR信噪比处理增益与信号频率之间的关系, 研究结果可为以后的工程应用提供一定的借鉴。

1 TR检测和定位原理

1.1 单阵元的PTR原理

图1是单阵元PTR原理图, 其中, 声信道Ⅰ为真实海洋信道, 声信道Ⅱ为计算机模拟的估计信道。

经过声信道Ⅱ后输出信号为

由于

则声信道Ⅰ和声信道Ⅱ相匹配时

此时输出达到最大。

1.2 均匀线列阵的PTR检测和定位原理

式中: M表示本征声线的个数; 为每条本征声线的幅度衰减系数; 为每条本征声线对应的时延。

在强信噪比的条件下, 利用PTR技术可以实现单水听器的定位[13-14]。而基于阵列的多阵元PTR定位可以实现更低信噪比条件下的有效定位。

2 不同频率信号对PTR信噪比处理增益的影响

水下目标发出信号的特征多种多样, 其中频率特性尤为重要。由于多径效应的存在, 浅海多径信道存在明显的频率选择性衰落。某些频率的信号经过信道后会产生严重衰落, 这对水中通信和目标探测会产生较大影响。

在研究过程中发现, 虽然TR聚焦技术正是利用多径效应实现了本征声线的自适应叠加, 但是多径效应产生的时延扩展以及镜反射之外叠加的声线, 会导致TR的性能具有频率选择性。

其幅频响应为

如图4所示, 当信号恰好处在衰落频率点上, 由于频率选择性的影响, 信号经过信道后会发生严重衰减, 从而影响检测性能。

进一步来说, 接收信号经过TR处理后, 虽然实现了自适应时延差的补偿, 从而达到了同相叠加。但是TR处理并不能完全消除这种由多径带来的时延扩展, 当信号脉宽大于路径之间的时延差时, 就会产生聚焦主峰和旁峰的混叠, 此时水声信号频率会严重影响信号聚焦后主峰的能量。

由式(3)可得, 经TR处理后, 信号部分为

将式(4)代入后可得

化简后得

式中: 等号右侧的第1项是本征声线的同相叠加, 是TR处理后的主峰; 第2项是本征声线的两两叠加, 构成了旁峰, 这是由于虚拟重发时, 发射声线未按照原路径返回形成的, 即镜反射之外的声线。旁峰的位置与各条本征声线的时延有关。

噪声部分的输出为

噪声是不相关的, 为了方便计算, 设每条本征声线的幅度衰减系数均为, 所以式(12)和式(13)可以变换为

输出信噪比为

又由于输入信噪比为

则信噪比处理增益为

此时, TR处理可以提高信噪比。

为了方便分析, 继续引用以上两径传输的举例。

3 仿真结果与分析

3.1 利用Bellhop软件实现对信道的仿真

利用Bellhop软件构建信道Ⅰ, 假设海洋深度为200 m, 目标声源位于水下20 m, 接收机位于水下30 m, 海底平坦, 海水表面类型声学半空间, 海洋环境声速梯度图和本征声线图如图8所示。

可以得到这条信道的单位冲激响应和信道幅频响应如图9所示。

Fig.10Time-domain diagram of signals with TR process

图10(a)中, 频率为2043 Hz的CW信号经TR处理后受到旁峰干扰, 且频率恰好位于衰落点, 主峰衰减严重; 而图10(b)中频率为2130 Hz的CW信号, 经TR处理后, 虽然主峰与旁峰产生混叠, 但是主峰能量并未受到削减。

3.2 分析比较不同频率信号的PTR检测性能

从检测性能上进行分析, 基于虚警概率为5%的奈曼皮尔逊准则进行检测, 当检测概率达到95%时, 认定目标存在。

3.3 分析比较不同频率信号的PTR定位性能

根据之前信道环境和预设条件, 从定位的性能上进行分析, 接收机处的输入信噪比为－5 dB, 接收机位于水下30 m, 坐标为(0, 30), 声源预设坐标为(3 000, 20)。

图 12表示频率分别为 2 043 Hz和2 130 Hz时的CW信号定位结果。可以看出, 图12(a)中的能量峰值点位置不明确, 其他位置有散在峰值点, 旁峰干扰大, 声源位置的能量不明显; 而图12(b)中, 输出信号能量峰值在(3000, 20)附近, 与预设位置相近, 声源处能量聚焦明显。所以, 在同样的预设条件下, 频率为2 130 Hz的CW信号定位精度更好。

4 结束语

PTR技术是一门新兴的技术, 它在多个领域均有着广阔的应用前景。尤其是阵列技术和TR相结合大大提高了对水下弱目标的探测能力。文中从PTR出发, 提出了当信号时延满足一定条件时, TR处理性能与目标信号的频率有很大关系, 推导了信号频率和输出信噪比增益的关系, 并从检测和定位两个角度进行了仿真验证, 得出结论: TR处理增益与信号的脉宽和频率相关, 当脉宽大于门限值时, 信号频率是影响TR聚焦后主峰能量的重要因素。研究结果可为以后的工程实践提供一定的借鉴。虽然一些文献中提出可以利用TR加窗的方法抑制旁峰, 但是当旁峰与主峰产生混叠时, 窗函数的参数选择会很困难, 处理效果较差。如何将旁峰成分从主峰中分离, 提高TR的处理增益, 还有待进一步研究。

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Effect of Underwater Acoustic Signal Frequency on Performance of Time Reversal Detection

WANG Ming-hao, WANG Hai-yan, SHEN Xiao-hong, ZHANG Zhi-chen

(Key Laboratory of Ocean Acoustics and Sensing (Northwestern Polytechnical University), Ministry of Industry and Information Technology, Xi’an 710072, China)

How to detect weak targets in complex multi-path shallow sea environment has become a research hotspot in the field of underwater sound detection, in which the time reversal(TR) has broad applications. According to literature, the combination of passive time-reversal(PTR) and array signal processing(ASP) can improve the performance of the weak target detection and positioning. In complex multi-path shallow sea environment, the main peak and the side peak of TR focusing overlap when the signal pulse width is greater than the threshold. Therefore, the overlapping could have a great impact on the power of focusing peak. According to these phenomena, this paper derives the relationship between the processing gain of PTR signal-to-noise ratio and the signal frequency, and reaches a conclusion that since TR processing cannot completely avoid delay spread (overlapping of sound line beyond mirror reflection), as for the same PTR detection system, its performance of detection and positioning relates to both the matching of estimated signal channel and the features(frequency and pulse width) of sound source in time domain. This study may provide a reference for TR communication and TR detection, especially for the case where information source or sound source is the signal with large pulse-width and narrow band.

underwater acoustic signal; weak target; time reversal; passive time reversal; signal-to-noise ratio processing gain

TJ630.34; TN929.3; TB566

A

2096-3920(2018)05-0480-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.016

2018-07-27;

2018-09-11.

国家重点研发计划(2016YFC1400200).

王铭灏(1995-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水声信号处理、水声通信组网.

王铭灏,王海燕,申晓红,等.水声信号频率对时间反转探测性能的影响[J].水下无人系统学报,2018,26(5): 480-486.

(责任编辑: 陈 曦)