王銘灝, 王海燕, 申曉紅, 張之琛

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水聲信號頻率對時間反轉探測性能的影響

王銘灝, 王海燕, 申曉紅, 張之琛

(西北工業(yè)大學 海洋聲學信息感知工業(yè)和信息化部重點實驗室, 陜西 西安, 710072)

針對在復雜多途淺海環(huán)境下對弱目標進行探測這一水聲探測領域的研究熱點, 時間反轉(TR)技術擁有廣泛的應用前景?；谇叭搜芯? 可知利用被動時間反轉(PTR)和陣列信號處理(ASP)技術相結合可以進一步提高對弱目標的檢測和定位的性能。但在復雜多途淺海環(huán)境下, 當信號脈寬大于門限脈寬時, TR聚焦的主峰和旁峰會產生混疊, 從而導致聚焦峰能量的改變。根據(jù)以上現(xiàn)象, 文章推導出了PTR信噪比處理增益與聲源信號頻率的關系, 并得到結論: 由于TR處理不能完全消除多徑效應帶來的時延擴展(鏡反射之外的聲線疊加), 對于同一PTR檢測系統(tǒng), 其檢測性能和定位性能不僅與估計信道適配程度有關, 還與聲源信號的時域特性(信號頻率、脈寬)相關。這一研究結果對TR通信、TR檢測, 尤其是信源或聲源為長脈寬窄帶信號的工程應用有一定參考價值。

水聲信號; 弱目標; 時間反轉; 被動時間反轉; 信噪比處理增益

0 引言

隨著聲吶技術的不斷發(fā)展, 對目標的探測也從基于自由場發(fā)展為基于波導實際目標的探測。匹配場處理(matched field processing, MFP)技術[1]就是基于波導實際目標探測的典型, 隨后發(fā)展到模基匹配濾波技術(model-based matched filtering, MBMF)[2], 再到現(xiàn)在的時間反轉(time reversal, TR)技術。其中, TR技術正是利用了聲場的互易性和其良好的自適應能力, 逐漸成為聲吶探測領域的熱點問題。TR技術是匹配場發(fā)展的產物, 它有效地克服了MFP和MBMF技術在靜態(tài)波導的適配靈敏性, 從而有了良好的寬容性, 也正是利用了光學中的相位共軛聚焦原理, 實現(xiàn)了聲場的空時聚焦。

1965年, Parvulescu等[3]就對TR技術進行了初步研究, 但是沒有建立聚焦模型。一直到1989年, Fink等[4]最終在超聲波領域取得了成功, 發(fā)現(xiàn)TR具有良好的空時聚焦特性, 隨即對TR做出了定義, 成為TR發(fā)展史上重要的一步。此后Fink等[5]于1992年提出了時間反轉腔(time reversal cavity, TRC)、迭代時間反轉處理(iterative time reversal processing, ITRP)技術(即脈沖回波型時間反轉處理), 為實現(xiàn)強目標聚焦提供了新的檢測手段。

而國內研究中, 超聲領域的TR研究起步于汪承灝院士[6-7], 其團隊在固體、流體和分層介質等中的TR自適應聚焦方面有著巨大貢獻, 證明了TR在不需要介質的先驗信息情況下實現(xiàn)自適應聚焦。而水聲領域的TR研究則起步較晚, 其中哈爾濱工程大學的惠俊英團隊[8-9]在2007年完成了TR的海上實驗, 并提出了垂直TR定位算法。西北工業(yè)大學楊益新教授[10]則提出了一種基于前向預測的PTR混響抑制方法。

TR技術分為兩大類: 主動時間反轉(active time reversal, ATR)和被動時間反轉(passive time reversal, PTR)。其中, ATR技術就是將水聽器接收的信號時反后通過原信道發(fā)射回去, 從而在聲源處形成一個聚焦峰, 且無須知道信號和信道的先驗信息[11]。PTR是計算機海洋環(huán)境建模技術發(fā)展的產物, PTR相對于ATR來說, 在時反再發(fā)射的處理上有區(qū)別, PTR技術是在計算機里產生一個估計信道, 將接收到的信號時反后進行一次虛擬重發(fā), 當估計信道與真實海洋信道相匹配時, 就會在聲源處產生一個聚焦峰, 從而實現(xiàn)對目標的檢測和定位。

影響TR探測性能的因素有很多, 其中水聲信號頻率對TR探測的影響鮮有人研究。在特定脈寬條件下, 由于時反聚焦后旁峰的存在, 會產生類似于碼間串擾的現(xiàn)象, 旁峰會對主峰的能量產生影響, 而不同信號形式對主峰的影響大不相同, 其中頻率是重要的影響因素。所以不同頻率的信號經(jīng)過TR處理后, 其能量聚焦的效果也不盡相同。

文中從PTR入手, 在文獻[12]的基礎上分析了PTR技術對檢測和定位性能的提升, 提出了不同頻率的信號對PTR性能的影響, 并推導了TR信噪比處理增益與信號頻率之間的關系, 研究結果可為以后的工程應用提供一定的借鑒。

1 TR檢測和定位原理

1.1 單陣元的PTR原理

圖1是單陣元PTR原理圖, 其中, 聲信道Ⅰ為真實海洋信道, 聲信道Ⅱ為計算機模擬的估計信道。

經(jīng)過聲信道Ⅱ后輸出信號為

由于

則聲信道Ⅰ和聲信道Ⅱ相匹配時

此時輸出達到最大。

1.2 均勻線列陣的PTR檢測和定位原理

式中: M表示本征聲線的個數(shù); 為每條本征聲線的幅度衰減系數(shù); 為每條本征聲線對應的時延。

在強信噪比的條件下, 利用PTR技術可以實現(xiàn)單水聽器的定位[13-14]。而基于陣列的多陣元PTR定位可以實現(xiàn)更低信噪比條件下的有效定位。

2 不同頻率信號對PTR信噪比處理增益的影響

水下目標發(fā)出信號的特征多種多樣, 其中頻率特性尤為重要。由于多徑效應的存在, 淺海多徑信道存在明顯的頻率選擇性衰落。某些頻率的信號經(jīng)過信道后會產生嚴重衰落, 這對水中通信和目標探測會產生較大影響。

在研究過程中發(fā)現(xiàn), 雖然TR聚焦技術正是利用多徑效應實現(xiàn)了本征聲線的自適應疊加, 但是多徑效應產生的時延擴展以及鏡反射之外疊加的聲線, 會導致TR的性能具有頻率選擇性。

其幅頻響應為

如圖4所示, 當信號恰好處在衰落頻率點上, 由于頻率選擇性的影響, 信號經(jīng)過信道后會發(fā)生嚴重衰減, 從而影響檢測性能。

進一步來說, 接收信號經(jīng)過TR處理后, 雖然實現(xiàn)了自適應時延差的補償, 從而達到了同相疊加。但是TR處理并不能完全消除這種由多徑帶來的時延擴展, 當信號脈寬大于路徑之間的時延差時, 就會產生聚焦主峰和旁峰的混疊, 此時水聲信號頻率會嚴重影響信號聚焦后主峰的能量。

由式(3)可得, 經(jīng)TR處理后, 信號部分為

將式(4)代入后可得

化簡后得

式中: 等號右側的第1項是本征聲線的同相疊加, 是TR處理后的主峰; 第2項是本征聲線的兩兩疊加, 構成了旁峰, 這是由于虛擬重發(fā)時, 發(fā)射聲線未按照原路徑返回形成的, 即鏡反射之外的聲線。旁峰的位置與各條本征聲線的時延有關。

噪聲部分的輸出為

噪聲是不相關的, 為了方便計算, 設每條本征聲線的幅度衰減系數(shù)均為, 所以式(12)和式(13)可以變換為

輸出信噪比為

又由于輸入信噪比為

則信噪比處理增益為

此時, TR處理可以提高信噪比。

為了方便分析, 繼續(xù)引用以上兩徑傳輸?shù)呐e例。

3 仿真結果與分析

3.1 利用Bellhop軟件實現(xiàn)對信道的仿真

利用Bellhop軟件構建信道Ⅰ, 假設海洋深度為200 m, 目標聲源位于水下20 m, 接收機位于水下30 m, 海底平坦, 海水表面類型聲學半空間, 海洋環(huán)境聲速梯度圖和本征聲線圖如圖8所示。

可以得到這條信道的單位沖激響應和信道幅頻響應如圖9所示。

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

圖10(a)中, 頻率為2043 Hz的CW信號經(jīng)TR處理后受到旁峰干擾, 且頻率恰好位于衰落點, 主峰衰減嚴重; 而圖10(b)中頻率為2130 Hz的CW信號, 經(jīng)TR處理后, 雖然主峰與旁峰產生混疊, 但是主峰能量并未受到削減。

3.2 分析比較不同頻率信號的PTR檢測性能

從檢測性能上進行分析, 基于虛警概率為5%的奈曼皮爾遜準則進行檢測, 當檢測概率達到95%時, 認定目標存在。

3.3 分析比較不同頻率信號的PTR定位性能

根據(jù)之前信道環(huán)境和預設條件, 從定位的性能上進行分析, 接收機處的輸入信噪比為－5 dB, 接收機位于水下30 m, 坐標為(0, 30), 聲源預設坐標為(3 000, 20)。

圖 12表示頻率分別為 2 043 Hz和2 130 Hz時的CW信號定位結果?？梢钥闯? 圖12(a)中的能量峰值點位置不明確, 其他位置有散在峰值點, 旁峰干擾大, 聲源位置的能量不明顯; 而圖12(b)中, 輸出信號能量峰值在(3000, 20)附近, 與預設位置相近, 聲源處能量聚焦明顯。所以, 在同樣的預設條件下, 頻率為2 130 Hz的CW信號定位精度更好。

4 結束語

PTR技術是一門新興的技術, 它在多個領域均有著廣闊的應用前景。尤其是陣列技術和TR相結合大大提高了對水下弱目標的探測能力。文中從PTR出發(fā), 提出了當信號時延滿足一定條件時, TR處理性能與目標信號的頻率有很大關系, 推導了信號頻率和輸出信噪比增益的關系, 并從檢測和定位兩個角度進行了仿真驗證, 得出結論: TR處理增益與信號的脈寬和頻率相關, 當脈寬大于門限值時, 信號頻率是影響TR聚焦后主峰能量的重要因素。研究結果可為以后的工程實踐提供一定的借鑒。雖然一些文獻中提出可以利用TR加窗的方法抑制旁峰, 但是當旁峰與主峰產生混疊時, 窗函數(shù)的參數(shù)選擇會很困難, 處理效果較差。如何將旁峰成分從主峰中分離, 提高TR的處理增益, 還有待進一步研究。

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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.

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC1400200).

王銘灝(1995-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為水聲信號處理、水聲通信組網(wǎng).

王銘灝,王海燕,申曉紅,等.水聲信號頻率對時間反轉探測性能的影響[J].水下無人系統(tǒng)學報,2018,26(5): 480-486.

(責任編輯: 陳 曦)