羅新禹，郝慶水，曹建梅，韓慶邦，李　建

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院常州213022；2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；3.山東迪生電氣有限公司，濟(jì)南250100；4.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院信息中心，濟(jì)南250100）

模式匹配法水下目標(biāo)定位仿真研究?

羅新禹1，2，郝慶水3，曹建梅4，韓慶邦1，李建1，2

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院常州213022；2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；3.山東迪生電氣有限公司，濟(jì)南250100；4.國(guó)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院信息中心，濟(jì)南250100）

匹配場(chǎng)處理是一種水聲學(xué)和物理學(xué)相結(jié)合的信號(hào)處理技術(shù)，其在水下目標(biāo)定位方面的高精度特點(diǎn)使得該方法受到廣泛關(guān)注。匹配模處理是工作在模態(tài)空間的匹配處理方法。介紹了匹配模處理的基本原理，并通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)匹配模處理方法。通過(guò)對(duì)同一目標(biāo)聲源的定位，得到匹配模處理方法的性能優(yōu)于匹配場(chǎng)處理方法。

水聲學(xué)；信號(hào)處理；水下定位；匹配場(chǎng)處理；匹配模處理

1　引　言

傳統(tǒng)的波束形成技術(shù)不適用于淺海環(huán)境，因?yàn)樵摷夹g(shù)沒(méi)有考慮多途徑傳播以及海洋聲場(chǎng)的復(fù)雜性。匹配場(chǎng)處理技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的波束形成技術(shù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

自從Bucker［1］提出用匹配場(chǎng)處理方法對(duì)水下聲源進(jìn)行定位以來(lái)，匹配場(chǎng)定位方法便被廣泛研究［2－5］。Fizell和Walves［6］首次運(yùn)用MFP方法進(jìn)行水下聲源遠(yuǎn)距離被動(dòng)定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差優(yōu)于常規(guī)的被動(dòng)聲吶測(cè)距。匹配場(chǎng)處理可以看成廣義波束形成方法。匹配場(chǎng)定位的基本原理是通過(guò)比較拷貝場(chǎng)信號(hào)與實(shí)際接收信號(hào)之間的相關(guān)程度確定聲源位置（深度、距離）的方法。由于匹配場(chǎng)處理方法使用了聲壓場(chǎng)的全部數(shù)據(jù)，其對(duì)環(huán)境失配很敏感。

匹配模處理方法［7－8］可以很好的克服環(huán)境失配對(duì)定位的影響。匹配模處理方法采用淺海波導(dǎo)中模態(tài)傳播特性，從陣列接收到的數(shù)據(jù)推斷模態(tài)幅度［9］，并將測(cè)量的模態(tài)幅度和計(jì)算的模態(tài)幅度進(jìn)行匹配。相對(duì)于匹配場(chǎng)處理方法，匹配模處理方法只使用聲場(chǎng)中需要定位聲源位置的數(shù)據(jù)（匹配場(chǎng)處理方法使用了全部聲場(chǎng)數(shù)據(jù)），這樣就可以減小環(huán)境失配對(duì)定位的影響。

文章分為四個(gè)部分，第一部分介紹聲場(chǎng)模型的建立，本文使用簡(jiǎn)正波模型；第二部分介紹匹配場(chǎng)處理方法和匹配模處理方法的處理器；第三部分為兩種處理方法的實(shí)驗(yàn)仿真；第四部分得出結(jié)論，并對(duì)未來(lái)研究做出展望。

2　簡(jiǎn)正波聲場(chǎng)計(jì)算

假設(shè)海面和海底構(gòu)成一個(gè)平行的平面層，層內(nèi)介質(zhì)均勻且邊界是絕對(duì)邊界。如果層的厚度是H，橫軸r為距離，縱軸z為深度，這樣的邊界就可簡(jiǎn)化為在無(wú)窮遠(yuǎn)處行為可忽略。進(jìn)一步假定，在層中所傳播的簡(jiǎn)諧波對(duì)時(shí)間的關(guān)系為e－jwt，并且不考慮聲源的激發(fā)狀態(tài)，而只考慮層中波的一般行為，此時(shí)聲源的奇性條件也可不予考慮。

用p表示聲場(chǎng)，即p=p（x，y）e－jwt，則有波動(dòng)方程：

在假設(shè)條件下，將上面的波動(dòng)方程改寫為：

運(yùn)用物理方程有關(guān)求解方法，對(duì)分層介質(zhì)在圓柱坐標(biāo)系下可求得下列簡(jiǎn)正波聲壓場(chǎng)：

為了得到特征值kj與特征函數(shù)ψj（z），解深度方程：

利用數(shù)值分析求解，將二階三點(diǎn)微分公式

帶入上式，可得到下式：

其中，μ=k2h2，ψ=［ψ1，ψ2，ψ3，...，ψN］T

一旦聲場(chǎng)的特征函數(shù)ψj（z）計(jì)算出來(lái)，就可以算出聲壓場(chǎng)的分布。

后面在進(jìn)行匹配場(chǎng)及匹配模處理仿真時(shí)，將分別使用上述p（r，z）、kj、ψj（z）等簡(jiǎn)正波聲場(chǎng)計(jì)算輸出結(jié)果。

3　處理器

3.1匹配場(chǎng)處理器

常規(guī)的線性匹配處理器是目前適用最廣泛的匹配場(chǎng)處理器。這種處理器直接將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與拷貝場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，它的輸出定位模糊表面取相關(guān)幅度的平方。

線性處理器的輸出由下式給出：a是歸一化接受信號(hào)向量，R是垂直線列陣接受數(shù)據(jù)的采樣協(xié)方差矩陣。

3.2匹配模處理器

匹配模處理器可以表示為：

ai是由接收陣得到的聲場(chǎng)數(shù)據(jù)推斷出來(lái)的模態(tài)幅度，si是第i個(gè)拷貝模態(tài)幅度。模態(tài)幅度ai和位于深度zi的聲源的聲壓場(chǎng)有如下關(guān)系：

對(duì)于位于距離rs和zs深度的單聲源：

ki是i個(gè)模態(tài)的水平波數(shù)，ψ（zs）是第i個(gè)模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)下正交實(shí)數(shù)模深度函數(shù)，αi如下：

在r=rs處，由式（3）可以得出拷貝模態(tài)幅度為：

實(shí)際上，圓柱型傳播移除了距離和深度上的顯示。為了不丟失大概，αi必須從式（10）中刪掉。可以得到處理器：

4　實(shí)驗(yàn)仿真

匹配場(chǎng)處理大致可分三個(gè)步驟：

首先，使用水平水聽(tīng)器陣列或者垂直水聽(tīng)器陣列對(duì)聲場(chǎng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，它一般是涵蓋了信道特征和聲源特征的聲壓場(chǎng)。

其次，選擇已知的環(huán)境參數(shù)，如聲速分布、海底地形等作為傳播模型的輸入?yún)?shù)進(jìn)行聲場(chǎng)建模，選定感興趣的掃描區(qū)域并劃分網(wǎng)格，對(duì)落在網(wǎng)格點(diǎn)上的假定聲源進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算，得到接收陣位置處的拷貝聲壓場(chǎng)。

最后，利用匹配場(chǎng)處理算法對(duì)實(shí)際測(cè)得的聲場(chǎng)與建模獲得的聲場(chǎng)作相關(guān)處理，得到輸出模糊度平面，無(wú)失配情況下，在真實(shí)目標(biāo)位置處出現(xiàn)相關(guān)峰值，以此估計(jì)聲源的距離和深度。

4.1匹配場(chǎng)處理方法仿真實(shí)驗(yàn)

采用如圖1所示水下環(huán)境模型進(jìn)行定位仿真，假設(shè)水深100m，聲速1500m／s，下表層聲速1600m／s，沉積層密度1.3g／cm3。采用8元垂直接收水聽(tīng)器陣列均勻分布在20～90m水深范圍。

圖1　水聲環(huán)境

假設(shè)水下目標(biāo)聲源頻率300Hz，距離37km，深度70m。聲場(chǎng)搜索范圍為：水平方向從30km到40km，垂直方向0m到100m，將聲場(chǎng)劃分為101* 1001網(wǎng)格，水平搜索步距0.01km，垂直搜索步距1m。由此得出模糊度平面如圖2所示。從圖中可辨別出聲源位置為距離37km，深度70m，但干擾比較多。

圖2　MFP水下目標(biāo)定位

4.2匹配模仿真實(shí)驗(yàn)

匹配模處理方法的步驟和匹配場(chǎng)處理的方法步驟大致相同。匹配場(chǎng)處理器對(duì)聲壓進(jìn)行相關(guān)處理得出模糊度平面，匹配模處理器對(duì)由聲壓分解出來(lái)的模態(tài)進(jìn)行相關(guān)處理。兩種定位方法處理的數(shù)據(jù)不同但原理相似。

采用圖1所示的仿真環(huán)境。當(dāng)頻率為300Hz和500Hz時(shí)，簡(jiǎn)正波模式如圖3。由圖可見(jiàn)簡(jiǎn)正波的階數(shù)由10階增加到16階。簡(jiǎn)正波的最大階數(shù)由下式給出：

所以在海深H和聲速一定的情況下，頻率ω越高簡(jiǎn)正波的階數(shù)就越多，相應(yīng)的計(jì)算量越大，考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，所以簡(jiǎn)正波模型更適用與低頻情況。

圖3　頻率300Hz和500Hz模式分布圖

當(dāng)聲源頻率為500Hz時(shí)，第1、3、6、9階簡(jiǎn)正波模態(tài)隨深度分布如圖4。仿真沒(méi)有發(fā)生環(huán)境失配，匹配模處理將所有模態(tài)用于數(shù)據(jù)處理。

假設(shè)水下目標(biāo)聲源頻率500Hz，距離37km，深度70m。網(wǎng)格劃分和搜索范圍與匹配場(chǎng)處理相同。得出模糊度平面如圖5所示。從圖中可清晰的辨別出目標(biāo)位置。

圖4　頻率300Hz時(shí)第1、3、6、9階模態(tài)

圖5　MMP水下目標(biāo)定位

5　結(jié)束語(yǔ)

分別實(shí)現(xiàn)了匹配場(chǎng)處理和匹配模處理的水下定位方法。通過(guò)兩種匹配方法即匹配場(chǎng)處理和匹配模處理對(duì)同一目標(biāo)聲源的定位，對(duì)比圖2和圖4，可以得出結(jié)論：匹配模處理方法對(duì)目標(biāo)的識(shí)別優(yōu)于匹配場(chǎng)處理。但是需要指出，由于尚存在模型失配問(wèn)題亟待解決，匹配場(chǎng)以及匹配模方式在水聲定位領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路需要走。

［1］H.P.Bucker.Use of caculated sound fields and matched field detection to locate sound sources in shallow water［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1976，59（2）：368－373.

［2］D F Gingras.Robust broadband matched－field processing：performance in shallow water［J］.IEEE Journal of Oceanic EnGineering，1993，18（3）：253－264.

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［9］P Hursky，W S Hodgkiss，W A Kuperman.Extacting modal structure from vertical array ambient noise data in shallow water［J］.J.Acoust.Soc.Am.，1995，98： 2971.

Study on Simulation of Matched－mode Processing for Underwater Locating

Luo Xinyu1，2，Hao Qingshui3，Cao Jianmei4，Han Qingbang1，Li Jian1，2
（1.School of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China；2.State Key Laboratory of Acoustics，Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；3.Disheng Electric Co.Ltd.，Jinan 250100，China；4.Information Center，State Grid Technical Institute，Jinan 250100，China）

Matched－field processing，combining with underwater acoustics and physics，is a signal processing technology and is popular as the characteristics of high precision underwater target localization.Matching－mode processing is a matched processing working in mode space.Its basic principle is introduced in this paper and the method is implemented by simulation.By locating the same target sound source，the performance of matched－mode processing is better than that of matched－field processing.

Underwater acoustics；Signal processing；Underwater location；Matched－field processing；Matching－mode processing

10.3969／j.issn.1002－2279.2016.01.017

TB56

A

1002－2279（2016）01－0068－04

?國(guó)家海洋局南海維權(quán)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2013年度開(kāi)放基金（1306）；聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2015年度開(kāi)放課題（SKLA201504）；河海大學(xué)中央高?；痦?xiàng)目（2011B11014，2013B18514）；國(guó)家自然科學(xué)基金（11274091，61302124，11274092），淮安河海研究生院開(kāi)放基金

羅新禹（1990－），男，安徽省滁州市人，碩士研究生，主研方向：通信與信息系統(tǒng)。

2015－04－27