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Command Control and Simulation

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2018 , Vol. 40 >Issue 2: 110 - 114

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2018.02.021

Engineering & Application

Research on Time-Reversal Passive Location Technology with Vector Vertical Array

  • LI Shi-gang 1 ,
  • LIU Shen 2 ,
  • LIU Li-wei 3
Expand
  • 1. Naval Military Representative Office of Space System in Shanghai, Shanghai 201109
  • 2. Shanghai Institute of Aerospace Electronic Technology, Shanghai 201109
  • 3. Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061, China

Received date: 2017-11-20

  Revised date: 2017-12-17

  Online published: 2022-05-09

Fold

Abstract

In order to improve the performance of sound pressure vertical array, optimize the hydrophone array structure, the time-reversal passive location technology with vector vertical array is researched and three methods are given in this paper. We compared the vector vertical array and the sound pressure vertical array in processing gain of TRM through computer simulation, and analyzed the relationship between positioning performance and parameters such as SNR, number of array elements and spacing between elements. The simulation results show that, when the detection probability is 0.8, the detection threshold of vector vertical array is 1dB-3 dB better than that of sound pressure vertical array. For the wideband signal of 2kHz-4kHz, the vector vertical array can obtain better time-reversal passive location effect by using four elements array with 2 meters element equal spacing.

Key words： vector vertical array; TRM; localization probability; passive location

Cite this article

LI Shi-gang , LIU Shen , LIU Li-wei . Research on Time-Reversal Passive Location Technology with Vector Vertical Array[J]. Command Control and Simulation, 2018 , 40(2) : 110 -114 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2018.02.021

水下目标定位、跟踪、识别是各国科研人员研究的重点[1],利用声呐基阵对低信噪比目标进行探测时,为保证声压阵列探测性能,常规处理是增加阵元个数、改变阵元间距,这些处理方式增加了系统复杂性,不利于系统工程应用。如何在不增加基阵尺寸的前提下实现对安静型目标高精度定位,是水声科研人员研究的重点。而矢量水听器的出现,为改善这一问题提供可能性。
声场是矢量场,包含声压场和质点振速场,只有同时获得声场中声压和质点振速信息,才能更加准确地描述声场[2]。矢量水听器可以同时获得声场声压和质点振速信息[3],由相同阵元个数组成的矢量阵相较于声压阵,能获得几倍的信息,可改善声压阵探测存在的左右舷模糊问题,提高基阵对水声弱信号的检测能力。由于矢量水听器的性能优势,各国水声学者加大对矢量水听器及其阵列信号处理的研究力度,矢量水听器及其阵列信号处理技术具有广阔的发展空间。
时间反转镜定位技术是一种新兴的目标探测和定位技术,利用模拟信道和实际信道的匹配过程,实现多途聚焦和阵聚焦两种聚焦效应,在目标水平距离和垂直深度上进行定位,结合探测系统对目标的方位估计信息,实现在目标声源位置处的三维聚焦定位[4]。国内外科研人员对时间反转镜技术的理论分析和工程应用方面做了很多研究,但将TRM技术应用于目标被动定位的研究处于刚刚起步阶段。美国科学家Dowling首先提出将TRM应用于水声定位;Kuperman在地中海进行了海试,其研究团队将时间反转聚焦原理应用到抗混响中,提出TRM混响置零方法;2004年以来,国外科研人员在TRM应用于运动目标定位、阵形结构对TRM聚焦性能的影响等方面进行了相关理论研究和试验,得到众多高价值结论。受国外科学家对TRM相关研究的影响,国内相关科研人员对TRM展开一系列研究。在中科院声学所汪承灏院士带领下,先后对各种声传播介质中TRM自适应聚焦和检测做了理论分析和实验研究。哈尔滨工程大学水声学院惠俊英教授指导下,其团队对单阵元声压时间反转镜技术在被动水声定位和水声通信中的应用进行了深入研究。杭州应用声学研究所进行了垂直声压阵时反被动定位技术的海上相关试验,验证了声压阵时反被动定位技术的可行性。文献[4]提出了两种声压垂直阵时反被动定位方法;文献[5]提出了一种三子水平阵时反被动定位方法;文献[6]提出了一种水平变化波导中匹配场定位的被动时反实现方法;以往文献中关于矢量垂直阵时反定位技术的研究较少。本文重点对矢量垂直阵时反被动定位技术进行探索研究,给出三种实现方法,具有较高的研究价值和广阔的应用前景。

1 声压、振速多途信道及建模

海洋信道数学建模是时间反转镜被动定位技术的基础,时反被动定位技术在定位前,需首先研究海洋信道中声传播模型,仿真生成模拟信道,通过模拟信道与真实信道的匹配,实现对目标的被动定位。

1.1 声压、振速多途信道

由于海面海底散射,海洋声场会产生多途效应。在声源到水听器之间,可以将声场看作时空多途滤波器,到达接收点的声信号是各种声线的干涉叠加[7]。表征声线的参数有声线的幅度Ai、传播时延τi以及声线到达接收点的声线掠射角αi。设接收点接收到的声线有N条,得
h p ( τ ) = ∑ i = 1 N A i δ ( τ - τ i ) h v ( τ ) = ∑ i = 1 N A i δ ( τ - τ i ) c o s α i h v x ( τ ) = c o s θ ∑ i = 1 N A i δ ( τ - τ i ) c o s α i = c o s θ h v ( τ ) h v y ( τ ) = s i n θ ∑ i = 1 N A i δ ( τ - τ i ) c o s α i = s i n θ h v ( τ )
式中,hp(τ)为声压信道冲激响应,hv(τ)为振速信道冲激响应, h v x(τ)为vx振速信道冲激响应, h v y(τ)为振速vy信道冲激响应,θ为声源水平方位,αi为声线掠射角。
在浅海声场中,αi通常只有几度,即cosαi≈1,可以认为hv(τ)和hp(τ)近似相等,得到矢量多途信道模型,如图1所示。
图1 矢量多途信道模型
接收点的声压分量和质点振速分量分别为
p t = x ( t ) · h p ( t ) v x t = c o s θ · x ( t ) · h v ( t ) v y t = s i n θ · x ( t ) · h v ( t )

1.2 BELLHOP声场建模软件

时反被动定位需要将接收信号时反经过虚拟信道,进行对声源的定位。虚拟信道主要是根据海洋环境参数,使用声场建模软件对信道进行估计得到。本文使用的声场建模软件是BELLHOP软件,图2为BELLHOP声场建模输入输出示意图。
图2 BELLHOP输入输出示意图
使用BELLHOP输入的海洋环境参数主要有信道几何结构、声速剖面、海底地形、界面反射损失等,计算得到多径的数目、声线幅度、延时及掠射角,求得声源到接收点处的冲激响应。当扫描范围较大时,导致环境文件增加,每次进行循环对环境文件进行访问时,需较长的处理时间,所以应考虑如何使环境文件尽量小一些。由于软件整体设计是根据声源个数、水听器深度、水听器水平扫描范围等参数进行运算的,当进行大范围信道估计时,可以将声源个数和水听器深度置于外循环之中,减少信道估计时间。
BELLHOP声场建模软件默认只能得到声压信道,无法获得振速信道信息。通过分析可知,声压信道和振速信道区别在于本征声线到达接收点处的掠射角,建模过程中可以将掠射角信息提取出来,加到信道中,进而得到振速仿真信道。图3给出了仿真的声压信道和振速信道,两个信道声线之间时延差是对应相等的,而每一条声线的幅度不同。海洋环境设置参数:海底深度200m,声速梯度为等声速分布,声源为单个点声源界面频率为100 Hz,掠射角在(-40°,40°)范围内,射线数为41。
图3 BELLHOP声场信道仿真

2 理论基础及算法实现

2.1 单矢量水听器时反被动定位

图4给出的是单矢量TRM被动定位处理框图,声压通道、振速vx通道和振速vy通道分别进行时间反转镜处理,得
y p ( t ) = p ( t ) ⊗ h i ( t ) = x ( - t ) ⊗ h 0 ( - t ) ⊗ h i ( t ) + n p ( - t ) ⊗ h i ( t ) y v x ( t ) = v x ( t ) ⊗ h i ( t ) = c o s θ · x ( - t ) ⊗ h 0 ( - t ) ⊗ h i ( t ) + n v x ( - t ) ⊗ h i ( t ) y v y ( t ) = v y ( t ) ⊗ h i ( t ) = s i n θ · x ( - t ) ⊗ h 0 ( - t ) ⊗ h i ( t ) + n v y ( - t ) ⊗ h i ( t )
图4 单矢量TRM处理框图
当虚拟仿真信道和真实海洋信道实现时空匹配时,此时时间反转镜输出空间增益获得最大值,信道不相关时,获得的空间增益较低。考虑环境噪声影响,利用声压信道和振速信道噪声的不相关性,分别对声压信道与振速vx和振速vy时间反转镜输出作相乘处理得到声强流,对声强流进行时间积分,得
E p - v x = I x ( t ) ¯ = y p ( t ) · y v x ( t ) ¯ E p - v y = I y ( t ) ¯ = y p ( t ) · y v y ( t ) ¯
根据矢量时间反转镜各个通道输出噪声和信号之间的相关性,时间反转镜和矢量信号处理相结合能够获得更高的空间滤波增益。得到两个声强流积分结果后,对其进行如下处理:
EVTRM= ( E p - v x ) 2 + ( E p - v y ) 2
式中, E p - v x表示声压和振速vx信道的声强流积分, E p - v y表示声压和振速vy信道的声强流积分,EVTRM表示最终VTRM输出。
经仿真发现,当对近距离目标进行探测时,声压TRM和矢量TRM会在目标位置出现比较明显的峰值,但是处理后结果随距离增大呈下降趋势。文献[8]中分析出现这种现象的原因,并给出了改善方法。这主要是因为信道仿真过程中,传播损失与距离密切相关,距离近的信道可能能量较大,距离远的信道能量较小。当对远距离目标进行探测时,传播损失的影响更加明显,所以在使用声场建模软件得到声场虚拟信道后,将信道的能量进行归一化处理,保证每一个信道的总能量都为1,减小信道传播损失对时反处理结果的影响。公式如下:
hh(ri,hi,t)= h ( r i , h i , t ) ∫ 0 + ∞ [ h ( r i , h i , t ) ] 2 d t
式中,h(ri,hi,t)为位置(ri,hi)的信道估计。

2.2 声压垂直阵时反被动定位

考虑多个阵元TRM输出求和平均作为声压阵的时反输出,处理流程如图5(a)所示。每个阵元作单声压时反处理后,对所有单阵元时反输出进行求和运算,最后求能量作为声压阵时反处理输出。该方法原理类似于波束形成技术,先利用每个阵元实现空间滤波,然后对阵元滤波输出相加,实现阵列时空滤波。
图5 声压阵TRM处理
方法1处理结果中包含各个阵元的噪声分量,方法2考虑利用两个声压水听器之间的互相关输出降低阵元噪声分量影响,改善方法1的处理结果。方法2处理流程如图5(b)所示,对每两个阵元时反输出进行互相关取峰值,利用阵元之间噪声和信号的不相关性,可以降低噪声分量对时反处理增益的影响,进而获得更高的处理增益。

2.3 矢量垂直阵时反被动定位

在声压垂直阵TRM定位方法的基础上,对矢量水听器阵TRM定位方法进行研究。下面给出了矢量垂直阵时反被动定位技术的三种实现形式。方法1如图6(a)所示,每个阵元进行单矢量时反处理后,对每个阵元时反处理结果进行阵列求和,作为最终的矢量阵时反输出。方法2如图6(b)所示,对矢量阵所有通道分为声压通道阵列、振速vx通道阵列以及振速vy通道阵列,对每个通道阵列进行声压阵时反方法1处理,最后对三个通道阵列时反处理结果进行通道求和,作为最终矢量阵时反输出。方法3如图6(c)所示,对矢量阵所有通道分为声压通道阵列、振速vx通道阵列以及振速vy通道阵列,对每个通道阵列进行声压阵时反方法2处理,最后对三个通道阵列时反处理结果进行通道求和,作为最终矢量阵时反输出。
图6 矢量阵TRM处理

3 仿真分析

本文针对矢量垂直阵TRM三种实现方法,分别进行仿真验证,比较矢量垂直阵与声压垂直阵时反处理能力的不同,使用定位概率指标进行定量分析;最后通过仿真分析信噪比、阵元个数、阵元间距等参数对矢量垂直阵时反处理性能的影响。

3.1 矢量阵TRM与声压阵TRM定位性能比较

仿真参数:目标信号为2kHz-4kHz的宽带信号,水平方位为30°,声源位置(5000,20);矢量垂直阵阵元个数4个,水平距离0m,垂直分布为16m:2m:22m,对目标进行水平深度二维扫描,水平扫描范围(3000:100:7000),垂直扫描范围(10:2:30);时间反转镜处理数据长度1s;信噪比为(-39dB:2dB:-15dB)变化,声压垂直阵仿真参数与矢量垂直阵相同,分别对矢量垂直阵TRM与声压垂直阵TRM进行计算机仿真。
从结果图7中可以看出,矢量垂直阵时反处理三种方法比声压垂直阵时反处理定位性能更好,当检测概率为0.8时,垂直矢量阵较声压垂直阵检测阈提高了大约1dB-3dB。在高信噪比下,矢量垂直阵TRM方法3的定位性能要优于另外两种矢量阵方法;在低信噪比下,矢量垂直阵方法2相对性能更优,但三种方法定位概率都较低。
图7 矢量阵TRM与信噪比关系

3.2 矢量阵TRM方法3与阵元个数关系

仿真参数:矢量垂直阵阵元间距固定为2m,分别对2元、4元、6元、8元阵列进行仿真,垂直分布分别为:18:2:20、16:2:22、14:2:24以及12:2:36,信噪比为(-39dB:2dB:-15dB)变化。对矢量阵TRM方法3进行研究,其他参数如仿真1,结果如图8所示。
图8 矢量阵TRM方法3与阵元个数关系
仿真结论:随阵元个数增加,矢量阵定位概率依次增高,当阵元个数大于2时,定位概率有明显提高。当检测概率为0.8时,2阵元较其他阵元数检测阈降低至少7dB;当阵元个数大于2时,矢量阵方法3定位性能随阵元个数增加提高幅度不大。考虑阵元尺寸和定位性能,矢量阵阵型设计时可优先选择4阵元。

3.3 矢量阵TRM方法3与阵元间距关系

仿真参数:矢量垂直阵阵元个数4个,分别对垂直深度间距2m、4m、6m以及8m进行仿真,垂直分布分别为:16:2:22、12:4:24、8:6:26以及4:8:28,信噪比为(-39dB:2dB:-15dB)变化。对矢量阵TRM方法3进行研究,其他参数如仿真1,结果如图9所示。
图9 矢量阵TRM方法3与阵元间距关系
仿真结论:间距为2m时,矢量阵定位概率相较于其他间距矢量阵更高。当检测概率为0.8时,间距2较其他间距检测阈提高至少3dB。当阵元间距大于2m时,垂直阵定位性能随阵元间隔改变而变化不大。考虑阵元尺寸和定位性能,矢量阵阵型设计时可优先选择2m阵元间隔。

4 结束语

在保证系统探测性能的前提下,如何减小基阵尺寸提高系统的机动性,一直是水声科研人员的研究目标。矢量水听器较声压水听器能够得到更加全面声场信息,基于矢量垂直阵的时反被动定位技术具有深远的研究价值。为了改善声压垂直阵时反定位性能,尽可能优化水听器阵型结构,本文研究了矢量垂直阵时反被动定位技术,提出了三种矢量阵时反处理方法。通过计算机仿真,验证矢量阵时反处理方法定位性能要优于声压阵;通过分析阵元个数、阵元间距对矢量垂直阵被动定位性能的影响,给出一种在矢量阵阵型设计时优先选择的阵型结构:4阵元间隔2m,在保证矢量阵定位性能的前提下,可减小阵列尺寸,具有较大的工程应用价值。

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