基于主動(dòng)式時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡的聲吶目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量研究?

趙安邦　何　呈　惠　娟　牛　芳

（1哈爾濱工程大學(xué)　水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　哈爾濱　150001）

（2哈爾濱工程大學(xué)　水聲工程學(xué)院　哈爾濱　150001）

基于主動(dòng)式時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡的聲吶目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量研究?

趙安邦1,2何呈1,2惠娟1,2?牛芳1,2

（1哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室哈爾濱150001）

（2哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院哈爾濱150001）

為提高目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量過(guò)程中的抗噪聲、混響以及淺海多途干擾性能，從軍標(biāo)文件中的目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量方法以及主動(dòng)式時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡的基本原理出發(fā)，經(jīng)過(guò)研究和推演，發(fā)現(xiàn)可將基于單陣元的主動(dòng)式時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡與相關(guān)器結(jié)合應(yīng)用于目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量過(guò)程，提出了一種新的目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量方法。該方法利用了主動(dòng)式時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡的抗多途特性，使得測(cè)量具有抗多途的性能；利用噪聲與信號(hào)的不相關(guān)特性，算法結(jié)合相關(guān)器起到了很好的抗隨機(jī)噪聲效果；混響中的體積混響是隨機(jī)的，算法具有抗體積混響的性能。論文分別從理論仿真和水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性和正確性。

時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡，目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量，應(yīng)答器，抗干擾

1　引言

聲吶系統(tǒng)的探測(cè)性能、材料的吸聲性能以及目標(biāo)的隱身性能都需要以測(cè)量目標(biāo)強(qiáng)度（Target strength，TS）作為參考依據(jù)。TS在聲納方程中占據(jù)重要地位。用于評(píng)測(cè)聲納的目標(biāo)探測(cè)距離，或在一定距離范圍內(nèi)分析聲納的探測(cè)性能。TS的準(zhǔn)確測(cè)量具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

目前關(guān)于實(shí)艇TS測(cè)量的研究主要集中在三個(gè)方面，建模仿真測(cè)試［1-2］、分解為亮點(diǎn)模型［3］以及實(shí)艇海試［4］。其中以實(shí)艇海試為最直接有效的方法。由于實(shí)際測(cè)量環(huán)境的復(fù)雜性，由不同人員操作、在不同時(shí)間測(cè)試或不同環(huán)境測(cè)試的結(jié)果都相差較遠(yuǎn)，TS的測(cè)量結(jié)果總是偏差大，起伏高達(dá)十幾dB。海洋環(huán)境噪聲、混響干擾以及淺海多途效應(yīng)是造成TS測(cè)量誤差大的最重要因素。如何降低TS測(cè)量過(guò)程中的干擾以及提高TS的測(cè)量精度成為了本文研究的重點(diǎn)。

文章從主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡（Active time reversal mirror，ATRM）的原理出發(fā)，多次精簡(jiǎn)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡的布置方式，使之適用于TS測(cè)量。分別推導(dǎo)ATRM與TS測(cè)量的表達(dá)公式，發(fā)現(xiàn)將ATRM的回波與發(fā)射信號(hào)做卷積剛好與TS的表達(dá)式一致。然后對(duì)提出的新方法進(jìn)行了全面深入的分析，重點(diǎn)討論了算法的抗干擾性能。

2　主動(dòng)式時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡

時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)［5-8］利用了聲場(chǎng)中互易原理。圖1是時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡的研究模型。圖中PS（Point source）為一個(gè)點(diǎn)聲源，SRA（Source-receive array）為收發(fā)合置換能器陣，VRA（Vertical receive array，VRA）為垂直接收陣。

圖1　時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡試驗(yàn)示意Fig.1 Time reversal mirror test schematic

圖1中SRA由多個(gè)收發(fā)合置的換能器組成，用于接收信號(hào)并發(fā)射時(shí)反信號(hào)，VAR由多個(gè)接收水聽器組成，記錄不同深度的能量信號(hào)，用于驗(yàn)證時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡的聚焦性能。

由互易原理得到原聲源處的時(shí)間反轉(zhuǎn)聲場(chǎng)為

式中，zps為PS的位置，zj為陣元j的位置，Gω（zj，zs）為聲源與接收陣元間的聲場(chǎng)，Gω（zs，zj）為接收陣元與聲源間的聲場(chǎng)。

式中，當(dāng)z=zps時(shí)，時(shí)間反轉(zhuǎn)聲場(chǎng)Ppc（zs，ω）為聲場(chǎng)格林函數(shù)的頻域相位共軛相乘，即時(shí)域自相關(guān)輸出，具有明顯的相關(guān)峰值。

對(duì)圖1進(jìn)行簡(jiǎn)化，將圖中VRA和PS替換為收發(fā)合置換能器A，將SRA換成收發(fā)合置換能器B，最終簡(jiǎn)化圖為圖2所示。

圖2　時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡簡(jiǎn)化示意Fig.2 TRM simplified schematic

3　聲吶目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量

3.1公式推導(dǎo)

在各種聲吶目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量方法中，“應(yīng)答器”法具較好的測(cè)量效果，這種方法對(duì)換能器不需要絕對(duì)校準(zhǔn)，也不需要測(cè)量聲傳播損失［9］。文獻(xiàn)［10］以“應(yīng)答器”法為基礎(chǔ)，提出了“回聲轉(zhuǎn)發(fā)器”法，即在待測(cè)目標(biāo)附近安裝回聲轉(zhuǎn)發(fā)器，將接收到的測(cè)量信號(hào)放大K dB后轉(zhuǎn)發(fā)回測(cè)量端。TS的計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

式中，Ud為接收水聽器（陣）接收到的目標(biāo)回波的有效值電壓；Ua為接收水聽器（陣）接收到回聲轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射聲脈沖的有效值電壓。

使用“回聲反轉(zhuǎn)法”測(cè)量TS時(shí)，回波分為兩部分，分別為應(yīng)答器的回波ya（t）和目標(biāo)的回波yd（t），如公式（3）、（4）所示。

式（3）中，A表示回聲轉(zhuǎn)發(fā)器的幅度增益，K=20lgA。

根據(jù)有效值的定義，得到

3.2應(yīng)用主動(dòng)式時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡

對(duì)圖2中的模型進(jìn)一步精簡(jiǎn)，將換能器A和B放置在同一位置附近，待測(cè)目標(biāo)放置在遠(yuǎn)場(chǎng)位置，示意圖如圖3所示。

圖3　放入待測(cè)目標(biāo)后進(jìn)一步精簡(jiǎn)Fig.3 Further streamlined with a test target

收發(fā)合置換能器A發(fā)射測(cè)量信號(hào)x（t），信號(hào)經(jīng)過(guò)聲信道入射到目標(biāo)，目標(biāo)回波經(jīng)過(guò)信道到達(dá)換能器B，此時(shí)換能器B接收到的信號(hào)為

式中，n1（t）為噪聲信號(hào)，hc（t）為信號(hào)兩次經(jīng)過(guò)信道的時(shí)間響應(yīng)，ht（t）為待測(cè)目標(biāo)的時(shí)間響應(yīng)。

將信號(hào)y（-t）從換能器B發(fā)射，目標(biāo)的回波到達(dá)換能器A，此時(shí)換能器A接收到的信號(hào)為

將信號(hào)y′（t）經(jīng)過(guò)函數(shù)為x（-t）的匹配濾波器濾波，得到公式（9），

由于信號(hào)與噪聲幾乎沒(méi)有相關(guān)性，公式（9）變?yōu)?/p>

根據(jù)前面時(shí)間反轉(zhuǎn)與自相關(guān)的關(guān)系可知，x（t）?y′（t）為信號(hào)x（t）?hc（t）?ht（t）的自相關(guān)函數(shù)，有明顯的相關(guān)峰值，且峰值大小Pt為

對(duì)比公式（6）和（11）可以發(fā)現(xiàn)，

式中，T為測(cè)量過(guò)程中截取的信號(hào)x（-t）?y′（t）的時(shí)間長(zhǎng)度。

同理，將公式（11）中的ht（t）換成（A·δ（t）），可得到針對(duì)回聲轉(zhuǎn)發(fā)器做時(shí)間反轉(zhuǎn)和匹配濾波后的峰值Pa，

此時(shí)，

將公式（12）、（14）帶入公式（2），得到

由此可知，TS可應(yīng)用ATRM進(jìn)行測(cè)量。

由于換能器A和換能器B的位置接近，且均為收發(fā)合置換能器，可合并為一套設(shè)備。

4　仿真實(shí)驗(yàn)

測(cè)量示意圖如圖3所示。圖中測(cè)量端與目標(biāo)相距d=400 m，水深H約為110 m，目標(biāo)和測(cè)量端都處于水下h=50 m深度。水域的垂直聲速使用某水域的實(shí)測(cè)值，其分布如圖4（a）所示。使用“Sonar206”軟件模擬計(jì)算出多途水聲信道的時(shí)間傳遞函數(shù)hc（t），如圖4（b）所示。

測(cè)量信號(hào)使用3～6 kHz的線性調(diào)頻信號(hào)，脈沖寬度為10 ms。應(yīng)答器的增益為0 dB，待測(cè)目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度值為6.1 dB。圖5為使用“回聲轉(zhuǎn)發(fā)器”法時(shí)目標(biāo)的回波，可以看出測(cè)量信號(hào)受多途水聲信道和待測(cè)目標(biāo)的作用后，回波雜亂，起伏不定。圖6為使用“時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡”法時(shí)的匹配濾波器的輸出，從圖6中可以觀測(cè)到明顯的峰值，說(shuō)明目標(biāo)的回波能量在測(cè)量端得到聚焦。

圖4　水聲信道參數(shù)Fig.4 Underwater acoustic channel parameters

圖5　“回聲轉(zhuǎn)發(fā)器”法目標(biāo)的回波Fig.5 The target echo of“echo repeater”approach

測(cè)量過(guò)程中，回波信號(hào)包含有用信號(hào)和噪聲信號(hào)，因此公式（2）可變?yōu)?/p>

式中，Un為噪聲作用下產(chǎn)生的額外電壓。測(cè)量誤差如公式（17）所示。

當(dāng)噪聲小時(shí)，Un?Ud，公式（16）接近理想值；當(dāng)噪聲大時(shí)，Un?Ud，公式（16）的計(jì)算結(jié)果有偏差。通過(guò)公式（17）可知，偏差的最大值為lg（Ua/Ud）。如圖7（a）所示，為應(yīng)用“回聲轉(zhuǎn)發(fā)器”法測(cè)得的TS值與信噪比關(guān)系的仿真圖。從圖7中可以看出，隨著信噪比的降低，測(cè)量誤差趨近于6.1 dB。

圖6　時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡法目標(biāo)的回波（經(jīng)過(guò)匹配濾波器）Fig.6　The target echo of time reversal mirror method（after the matched filter）

圖7　誤差—信噪比曲線Fig.7 Error-SNR curve

圖8　測(cè)試示意圖Fig.8 Test schematic

圖9　主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)Fig.9 ATRM experiment

應(yīng)用“時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡”法可以使得測(cè)量信號(hào)在測(cè)量位置得到聚焦，具有較強(qiáng)的抗噪聲能力。通過(guò)仿真所得到誤差曲線如圖7（b）所示，與圖7（a）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，“時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡”法在0信噪比附近仍然有很好的表現(xiàn)。

5　水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

水池實(shí)驗(yàn)示意圖如圖8所示。水深5 m，發(fā)射1和接收1均處于水深2.5 m，目標(biāo)處于水深5 m，發(fā)射2和接收2處于水深3 m。接收2放置在目標(biāo)的后下方，減小了目標(biāo)的反射聲波對(duì)直達(dá)聲測(cè)量的影響，同時(shí)能夠放置在離目標(biāo)體較近的位置。圖8中，圓柱的直徑為0.53 m，長(zhǎng)度為2 m。

聲納發(fā)射信號(hào)為L(zhǎng)FM，脈沖時(shí)間寬度為2.5 ms，頻率范圍f=50 kHz～60 kHz。圖9（a）為目標(biāo)端接收到的直達(dá)聲信號(hào)，從圖中可看出發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)受多途干擾嚴(yán)重。圖9（b）中紅色方框內(nèi)為目標(biāo)的回波，從圖9（b）中可以看出，目標(biāo)的回波受混響干擾嚴(yán)重，幾乎被混響淹沒(méi)，同時(shí)由于回波受到兩次多途干擾，在時(shí)間軸上被拉長(zhǎng)多倍。

圖9（f）為ATRM后目標(biāo)的回波得到了聚焦，在混響干擾下能夠觀察到明顯的矩形脈沖，說(shuō)明ATRM起到了有效的抗多途干擾作用。圖9（h）為圖9（f）經(jīng)過(guò)匹配濾波后的輸出，從圖中可觀察到明顯的單一峰值，混響的干擾并不明顯，說(shuō)明算法具有很好的抗混響性能。

從圖9（h）和圖9（i）分別提取峰值的取值，得到Pt=6.1574×105，Pa=5.5630×105，應(yīng)答器增益為K=21.24dB。將以上參數(shù)代入（15），得到

6　結(jié)論

對(duì)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行了分析和歸納，結(jié)合目標(biāo)強(qiáng)度測(cè)量過(guò)程的公式推導(dǎo)，得出可將時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)用于TS值測(cè)量過(guò)程的結(jié)論。通過(guò)進(jìn)一步仿真研究發(fā)現(xiàn)，時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)用于TS值測(cè)量可明顯提高抗噪聲能力，且能夠在負(fù)信噪比情況下測(cè)得較準(zhǔn)確的目標(biāo)強(qiáng)度值。同時(shí)利用時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡的聚焦作用，將聲能聚焦在目標(biāo)上，能起到提高目標(biāo)回波信混比，抑制混響的作用。

由于單收發(fā)合置換能器的聲源級(jí)和接收靈敏度有限，且抗混響能力弱，因此結(jié)合聲陣列進(jìn)行TS值測(cè)量將是下一步研究的重點(diǎn)。

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Sonar target strength measurements using time reversal mirror?

ZHAO Anbang1，2HE Cheng1，2HUI Juan1，2?NIU Fang1，2

（1 Acoustic Science and Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

（2 College of Underwater Acoustic Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In order to improve the anti-noise,reverberation and shallow multipath interference performance of target strength measurement,it's found that a single element array based on active time reversal mirror technology and correlator can be used in target strength measurement process after the deduction and research of an army standard file about target strength measurement methods and basic principles of active time reversal mirror.Then,a new target strength measurement method is proposed.The method has the performance of antimultipath by utilizing the multi-path focus characteristics of active anti-time-reversal mirror.The algorithm is able to play a very good performance of relevant anti-random noise effects by utilizing in noise and signal characteristics not related.The algorithm has anti volume reverberation performance because of the random of volume reverberation.The validity and correctness of this algorithm have been confirmed by the theoretical simulation and pool experiment.

Active time reversal mirror,Target strength measurement,Transponder,Immunity

TB56

A

1000-310X（2015）01-0079-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.01.012

2014-03-22收稿；2014-10-05定稿

?國(guó)家自然科學(xué)基金（11374072，61371171），公益性行業(yè)（海洋）科研專項(xiàng)基金（gz201005001），國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)（51009041）

趙安邦（1978-），男，山東菏澤人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：水聲多媒體通信、水聲信號(hào)處理、目標(biāo)檢測(cè)、定位與導(dǎo)航。

E-mail：huijuan@hrbeu.edu.cn