專利名稱：基于高頻時反陣的時反發(fā)射聚焦反波束形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋資源開發(fā)和利用中的聲探測技術(shù)，尤其是一種淺海降低混響、提高信混比的波束形成方法。

背景技術(shù)：
淺海聲場是上有海面、下有海底的波導(dǎo)，聲波在其傳播存在直達和上下界面反射路徑，而現(xiàn)有水聲設(shè)備假設(shè)了海洋是個自由場、無邊界的，采用平面波模型進行處理，因此，在淺?；蚪逗Ｓ蚬ぷ鲿r，它們的性能都要下降。對于主動探測工作方式，存在的缺點是1、多途導(dǎo)致時延擴展嚴重；2、混響大、回混比低；3、探測性能弱。


發(fā)明內(nèi)容
為了抑制混響、適應(yīng)淺海聲場、并提高淺海小信號探測能力，本發(fā)明提供一種采用高頻時反鏡適應(yīng)淺海聲場、降低混響、提高對淺海小目標探測能力的基于高頻時反陣的時反發(fā)射聚焦反波束形成方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種基于高頻時反陣的時反發(fā)射聚焦反波束形成方法，該波束形成方法采用高頻時反陣，通過發(fā)射聲波照射目標，再接收目標的回波信號，將接收到的回波信號在時間上進行翻轉(zhuǎn)然后再發(fā)射出去，時反信號會在目標處聚焦，表現(xiàn)為時間波形壓縮和空間聚焦，再次接收增強的目標回波信號，形成接收聚焦波束。
作為優(yōu)選的一種方案在波導(dǎo)環(huán)境下，基于簡正波模型，在頻域的波動方程，即Helmholtz方程為(1) [▽2-k2]G(r，z)＝0.(1) 式中G(r，z)為格林函數(shù)，r為聲源到測量處的距離，k2＝ω2/c2(z)為波數(shù)，ω為信號源角頻率，c(z)為聲速梯度，利用分離變量法，設(shè)G(r，z)＝Φ(r)Ψ(z)，將其代入式(1)經(jīng)整理可得到深度方程(2)和距離方程(3) 式中kr、kz分別為波數(shù)的水平分量和垂直分量，它們滿足 式(2)是經(jīng)典的Strum-Liouville特征值問題；式(3)是一階Bessel方程，其解為零階Hankel函數(shù)；假設(shè)激勵聲源位于水下zs處，在遠場條件下，忽略時間因子e-jωt，它產(chǎn)生的聲場可近似為(5) 式中ρ為介質(zhì)密度，krm為第m號水平波數(shù)； 時反處理系統(tǒng)由垂直線陣(vertical line array，VLA)、時反陣(timereversal array，TRA)和探察源(probe source，PS)組成，如圖1所示。它將接收的信號按先到后發(fā)、后到先發(fā)的順序完成信號的時間反轉(zhuǎn)發(fā)射，VLA用于監(jiān)測時反發(fā)射信號在聲場中的聚焦特性，PS位于水下zps處，與TRA的距離為R。
設(shè)PS發(fā)射信號為s(t)，從PS到TRA中第j(j＝1，2，…J)個陣元處的信道格林函數(shù)可表示為G(R，zj，ω)，則第j個陣元接收的聲壓場在頻域表示為(6) Pj(ω)＝S(ω)G(R，zj，ω). (6) 式中為信號的頻譜，TRA將接收到的信號進行時間反轉(zhuǎn)發(fā)射，對應(yīng)于頻域內(nèi)進行共軛；因而時反發(fā)射信號表示為(7) 時反發(fā)射后在觀測點r的聲壓場在頻域表示為(8) 它是N個陣元產(chǎn)生的時反聲場的綜合效果，其對應(yīng)的時域表示為(9) 參照式(5)，整理式(8)得(10) TRA垂直布滿整個波導(dǎo)且充分采樣，利用模深度函數(shù)的正交性質(zhì)得到(11) 取n＝m并在j上積分得到(12) 當r＝R時， 式(13)對于能在波導(dǎo)中傳播的有效簡正模，krm近似為常數(shù)，同時， 最后，式(13)近似為(15) PTR(R，z，ω)＝Aδ(z-zs)S*(ω)(15) 式中A為一常量，求式(15)的傅立葉反變換得到時域的聲壓場如下(16) pTR(R，z，t)＝Aδ(z-zs)s(-t). (16) 當z＝zs時，有下式(17)成立 pTR(R，zs，t)＝As(-t).(17) 由式(13)和式(17)可見，通過r＝R和z＝zs完成時反發(fā)射信號在聲源位置處的空間聚焦，進而完成時反發(fā)射聚焦反波束形成。
從式(17)又可見，時反發(fā)射信號在聲源位置處的信號波形表現(xiàn)為源信號在時間上的翻褶，克服了多途徑傳播產(chǎn)生的信號在時間上的擴展。因此，時反處理利用時反發(fā)射信號在聲場中聚焦點所對應(yīng)的距離和深度信息完成對目標的定位。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為波導(dǎo)的多路徑包含目標的位置信息，若能利用這種多路徑結(jié)構(gòu)知識則可以提高水聲設(shè)備的探測性能。波動方程的時反不變性和聲場的收發(fā)互易性確保了穩(wěn)定聲場具有時反聚焦特性。時反處理則利用時反聚焦特性完成對目標在距離和深度上的定位。
高頻時反鏡適應(yīng)淺海聲場分布特性，基于波動方程的時反不變性和穩(wěn)定聲場的收發(fā)互易性，利用時反發(fā)射聚焦反波束形成將更多的能量照射目標、實現(xiàn)混響降低。高頻時反鏡是收發(fā)合置的垂直線陣，可以單基元發(fā)射也可以全陣發(fā)射，通過發(fā)射聲波照射目標，再接收目標的回波信號，將接收到的回波信號在時間上進行翻轉(zhuǎn)然后再發(fā)射出去，時反信號會在目標處聚焦，表現(xiàn)為時間波形壓縮和空間聚焦，再次接收增強的目標回波信號，通過接收聚焦波束形成結(jié)合匹配濾波完成對目標的檢測與定位。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、采用高頻時反鏡適應(yīng)淺海聲場；2、降低混響；3、提高對淺海的探測能力。



圖1是時反處理示意圖。
圖2是實驗室波導(dǎo)聲學(xué)參數(shù)示意圖。
圖3是基于波導(dǎo)環(huán)境模擬的時反聚焦結(jié)果示意圖。
圖4是實驗室波導(dǎo)環(huán)境實測的時反聚焦結(jié)果示意圖。
圖5是抑制混響的湖上實驗結(jié)果示意圖。
圖6是實驗室波導(dǎo)探測弱目標實驗結(jié)果示意圖。
圖7是BS發(fā)射情況下對目標進行估距的結(jié)果示意圖。
圖8是TR發(fā)射情況下對目標進行估距的結(jié)果示意圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
參照圖2，高頻時反鏡性能參數(shù)設(shè)計及實測結(jié)果表1列出了高頻時反鏡的物理參數(shù)。圖2為實驗室波導(dǎo)實驗環(huán)境的聲學(xué)參數(shù)模型，采用時反陣、探查源以及監(jiān)視聲場時反聚焦的垂直線陣。在時反聚焦實驗中各設(shè)備布置如圖1所示。TRA和VLA從水下4cm布到水下128cm，兩陣相距9.6m。PS與TRA相距9.6m，位于水下74cm處。PS源發(fā)射一個中心頻率為20kHz，帶寬為2.4kHz的窄帶升余弦包絡(luò)PCW信號。圖3和圖4分別給出了實驗室波導(dǎo)環(huán)境模擬的和實測的時反處理空間(深度-距離)聚焦結(jié)果。表2為對應(yīng)的垂直分辨力和水平分辨力的理論值和實際測量值。從空間分辨力上可以看出，仿真結(jié)果與實測結(jié)果比較吻合，說明設(shè)計的高頻時反鏡達到設(shè)計目標。
表1為高頻時反鏡性能參數(shù)。
表1 表2為中心頻率為20kHz，帶寬為2.4kHz時仿真和實測時反處理垂直、水平分辨力。
表2 基于時反發(fā)射聚焦反波束形成的混響抑制湖上實驗在湖上實驗中，通過比較BS(broad side，BS)和TR(time reversal，TR)兩種發(fā)射情況下的混響和到達目標處的聲能量，說明時反發(fā)射聚焦反波束形成技術(shù)可以抑制混響、提高回混比。BS發(fā)射，即利用TRA陣在正橫方向發(fā)射一個峰值歸一化的信號；時反發(fā)射聚焦反波束形成利用PS聲源發(fā)射一個信號，用TRA陣接收，時反歸一化后重新發(fā)射，要求其歸一化后最大點的功率與BS發(fā)射時最大點的功率相同。
目標為三個直徑為21cm、長度為51cm的圓柱桶并排組成，PS系在目標中間，位于水下9m，與TRA相距20m。發(fā)射信號形式為5ms、10-15kHz的LFM信號。圖5為兩種情況下的混響衰減曲線。從圖上可以看出，TR發(fā)射產(chǎn)生的總混響級比BS發(fā)射產(chǎn)生的混響約低3-5dB，這是由于時反發(fā)射的功率比BS發(fā)射的功率小。圖6為目標附近錄制的時間波形，從圖上可以看出，TR發(fā)射照射到目標的能量約比BS發(fā)射高出6dB。顯然，若在目標處入射相同的能量，TR發(fā)射只需要較少的發(fā)射功率，因此，它所產(chǎn)生的混響也小。
基于高頻時反鏡的弱目標探測湖上實驗在BS發(fā)射和TR發(fā)射兩種情況下，分別進行多路徑補償波束形成，將它們的輸出與發(fā)射信號的拷貝做相關(guān)，對目標進行檢測，再根據(jù)拷貝時延對目標距離進行估計。發(fā)射信號形式為5ms、10-15kHz的LFM信號，目標為前面三個圓筒的組合體，與TRA相距20m。圖7和圖8分別給出了BS發(fā)射和TR發(fā)射兩種情況下對目標進行估距的結(jié)果。從圖中可以看出，在兩種情況下，對目標都能夠進行有效的檢測與估距。顯然，在TR發(fā)射情況下，利用時反聚焦實現(xiàn)回混比增強后，其對目標的探測性能更具有優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1.一種基于高頻時反陣的時反發(fā)射聚焦反波束形成方法，其特征在于該波束形成方法采用高頻時反陣，通過發(fā)射聲波照射目標，再接收目標的回波信號，將接收到的回波信號在時間上進行翻轉(zhuǎn)然后再發(fā)射出去，時反信號會在目標處聚焦，表現(xiàn)為時間波形壓縮和空間聚焦，再次接收增強的目標回波信號，形成接收聚焦波束。
2.如權(quán)利要求1所述的基于高頻時反陣的時反發(fā)射聚焦反波束形成方法，其特征在于在波導(dǎo)環(huán)境下，基于簡正波模型，在頻域的波動方程，即Helmholtz方程為(2)
[▽2-k2]G(r，z)＝0.(2)
式中G(r，z)為格林函數(shù)，r為聲源到測量處的距離，k2＝ω2/c2(z)為波數(shù)，ω為信號源角頻率，c(z)為聲速梯度，利用分離變量法，設(shè)G(r，z)＝Φ(r)Ψ(z)，將其代入式(2)經(jīng)整理可得到深度方程(3)和距離方程(4)
式中kr、kz分別為波數(shù)的水平分量和垂直分量，它們滿足
式(3)是經(jīng)典的Strum-Liouville特征值問題；式(4)是一階Bessel方程，其解為零階Hankel函數(shù)；假設(shè)激勵聲源位于水下zs處，在遠場條件下，忽略時間因子e-jωt，它產(chǎn)生的聲場可近似為(6)
式中ρ為介質(zhì)密度，krm為第m號水平波數(shù)；
時反處理系統(tǒng)由垂直線陣VLA、時反陣TRA和探察源PS組成，TRA由J個陣元構(gòu)成，它將接收的信號按先到后發(fā)、后到先發(fā)的順序完成信號的時間反轉(zhuǎn)發(fā)射，VLA用于監(jiān)測時反發(fā)射信號在聲場中的聚焦特性，PS位于水下zps處，與TRA的距離為R；
設(shè)PS發(fā)射信號為s(t)，從PS到TRA中第j(j＝1，2，…J)個陣元處的信道格林函數(shù)可表示為G(R，zj，ω)，則第j個陣元接收的聲壓場在頻域表示為(7)
Pj(ω)＝S(ω)G(R，zj，ω). (7)
式中為信號的頻譜，TRA將接收到的信號進行時間反轉(zhuǎn)發(fā)射，對應(yīng)于頻域內(nèi)進行共軛；因而時反發(fā)射信號表示為(8)
時反發(fā)射后在觀測點r的聲壓場在頻域表示為(9)
它是N個陣元產(chǎn)生的時反聲場的綜合效果，其對應(yīng)的時域表示為(10)
參照式(6)，整理式(9)得(11)
TRA垂直布滿整個波導(dǎo)且充分采樣，利用模深度函數(shù)的正交性質(zhì)得到(12)
取n＝m并在j上積分得到(13)
當r＝R時，
式(14)對于能在波導(dǎo)中傳播的有效簡正模，krm近似為常數(shù)，同時，
最后，式(14)近似為(16)
PTR(R，z，ω)＝Aδ(z-zs)S*(ω)(16)
式中A為一常量，求式(16)的傅立葉反變換得到時域的聲壓場如下(17)
pTR(R，z，t)＝Aδ(z-zs)s(-t). (17)
當z＝zs時，有下式(18)成立
pTR(R，zs，t)＝As(-t).(18)
由式(14)和式(18)可見，通過r＝R和z＝zs實現(xiàn)時反發(fā)射信號在聲源位置處的空間聚焦，進而完成時反發(fā)射聚焦反波束形成。
全文摘要
一種基于高頻時反陣的時反發(fā)射聚焦反波束形成方法，該波束形成方法采用高頻時反陣，通過發(fā)射聲波照射目標，再接收目標的回波信號，將接收到的回波信號在時間上進行翻轉(zhuǎn)然后再發(fā)射出去，時反信號會在目標處聚焦，表現(xiàn)為時間波形壓縮和空間聚焦，再次接收增強的目標回波信號，形成接收聚焦波束。本發(fā)明提供一種采用高頻時反鏡適應(yīng)淺海聲場、降低混響、提高對淺海的探測能力的基于高頻時反陣的時反發(fā)射聚焦反波束形成方法。
文檔編號G01S15/00GK101183150SQ200710164438
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者翔 潘, 趙航芳, 李建龍, 宮先儀 申請人:浙江大學(xué)