基於高頻時反陣的時反發射聚焦反波束形成方法
2023-10-19 21:41:17 1
專利名稱：基於高頻時反陣的時反發射聚焦反波束形成方法
技術領域：
本發明涉及海洋資源開發和利用中的聲探測技術，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：
淺海聲場是上有海面、下有海底的波導，聲波在其傳播存在直達和上下界面反射路徑，而現有水聲設備假設了海洋是個自由場、無邊界的，採用平面波模型進行處理，因此，在淺海或近岸海域工作時，它們的性能都要下降。對於主動探測工作方式，存在的缺點是1、多途導致時延擴展嚴重；2、混響大、回混比低；3、探測性能弱。
發明內容
為了抑制混響、適應淺海聲場、並提高淺海小信號探測能力，本發明提供一種採用高頻時反鏡適應淺海聲場、降低混響、提高對淺海小目標探測能力的基於高頻時反陣的時反發射聚焦反波束形成方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是 一種基於高頻時反陣的時反發射聚焦反波束形成方法，該波束形成方法採用高頻時反陣，通過發射聲波照射目標，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然後再發射出去，時反信號會在目標處聚焦，表現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。
作為優選的一種方案在波導環境下，基於簡正波模型，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，r為聲源到測量處的距離，k2＝ω2/c2(z)為波數，ω為信號源角頻率，c(z)為聲速梯度，利用分離變量法，設G(r，z)＝Φ(r)Ψ(z)，將其代入式(1)經整理可得到深度方程(2)和距離方程(3) 式中kr、kz分別為波數的水平分量和垂直分量，它們滿足 式(2)是經典的Strum-Liouville特徵值問題；式(3)是一階Bessel方程，其解為零階Hankel函數；假設激勵聲源位於水下zs處，在遠場條件下，忽略時間因子e-jωt，它產生的聲場可近似為(5) 式中ρ為介質密度，krm為第m號水平波數； 時反處理系統由垂直線陣(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後發、後到先發的順序完成信號的時間反轉發射，VLA用於監測時反發射信號在聲場中的聚焦特性，PS位於水下zps處，與TRA的距離為R。
設PS發射信號為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發射，對應於頻域內進行共軛；因而時反發射信號表示為(7) 時反發射後在觀測點r的聲壓場在頻域表示為(8) 它是N個陣元產生的時反聲場的綜合效果，其對應的時域表示為(9) 參照式(5)，整理式(8)得(10) TRA垂直布滿整個波導且充分採樣，利用模深度函數的正交性質得到(11) 取n＝m並在j上積分得到(12) 當r＝R時， 式(13)對於能在波導中傳播的有效簡正模，krm近似為常數，同時， 最後，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完成時反發射信號在聲源位置處的空間聚焦，進而完成時反發射聚焦反波束形成。
從式(17)又可見，時反發射信號在聲源位置處的信號波形表現為源信號在時間上的翻褶，克服了多途徑傳播產生的信號在時間上的擴展。因此，時反處理利用時反發射信號在聲場中聚焦點所對應的距離和深度信息完成對目標的定位。
本發明的技術構思為波導的多路徑包含目標的位置信息，若能利用這種多路徑結構知識則可以提高水聲設備的探測性能。波動方程的時反不變性和聲場的收發互易性確保了穩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。
高頻時反鏡適應淺海聲場分布特性，基于波動方程的時反不變性和穩定聲場的收發互易性，利用時反發射聚焦反波束形成將更多的能量照射目標、實現混響降低。高頻時反鏡是收發合置的垂直線陣，可以單基元發射也可以全陣發射，通過發射聲波照射目標，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然後再發射出去，時反信號會在目標處聚焦，表現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合匹配濾波完成對目標的檢測與定位。
本發明的有益效果主要表現在1、採用高頻時反鏡適應淺海聲場；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是實驗室波導聲學參數示意圖。
圖3是基于波導環境模擬的時反聚焦結果示意圖。
圖4是實驗室波導環境實測的時反聚焦結果示意圖。
圖5是抑制混響的湖上實驗結果示意圖。
圖6是實驗室波導探測弱目標實驗結果示意圖。
圖7是BS發射情況下對目標進行估距的結果示意圖。
圖8是TR發射情況下對目標進行估距的結果示意圖。
具體實施例方式 下面結合附圖對本發明作進一步描述。
參照圖2，高頻時反鏡性能參數設計及實測結果表1列出了高頻時反鏡的物理參數。圖2為實驗室波導實驗環境的聲學參數模型，採用時反陣、探查源以及監視聲場時反聚焦的垂直線陣。在時反聚焦實驗中各設備布置如圖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，位於水下74cm處。PS源發射一個中心頻率為20kHz，帶寬為2.4kHz的窄帶升餘弦包絡PCW信號。圖3和圖4分別給出了實驗室波導環境模擬的和實測的時反處理空間(深度-距離)聚焦結果。表2為對應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，仿真結果與實測結果比較吻合，說明設計的高頻時反鏡達到設計目標。
表1為高頻時反鏡性能參數。
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 基於時反發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)兩種發射情況下的混響和到達目標處的聲能量，說明時反發射聚焦反波束形成技術可以抑制混響、提高回混比。BS發射，即利用TRA陣在正橫方向發射一個峰值歸一化的信號；時反發射聚焦反波束形成利用PS聲源發射一個信號，用TRA陣接收，時反歸一化後重新發射，要求其歸一化後最大點的功率與BS發射時最大點的功率相同。
目標為三個直徑為21cm、長度為51cm的圓柱桶並排組成，PS系在目標中間，位於水下9m，與TRA相距20m。發射信號形式為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發射產生的總混響級比BS發射產生的混響約低3-5dB，這是由於時反發射的功率比BS發射的功率小。圖6為目標附近錄製的時間波形，從圖上可以看出，TR發射照射到目標的能量約比BS發射高出6dB。顯然，若在目標處入射相同的能量，TR發射只需要較少的發射功率，因此，它所產生的混響也小。
基於高頻時反鏡的弱目標探測湖上實驗在BS發射和TR發射兩種情況下，分別進行多路徑補償波束形成，將它們的輸出與發射信號的拷貝做相關，對目標進行檢測，再根據拷貝時延對目標距離進行估計。發射信號形式為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發射和TR發射兩種情況下對目標進行估距的結果。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發射情況下，利用時反聚焦實現回混比增強後，其對目標的探測性能更具有優勢。
權利要求
1.一種基於高頻時反陣的時反發射聚焦反波束形成方法，其特徵在於該波束形成方法採用高頻時反陣，通過發射聲波照射目標，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然後再發射出去，時反信號會在目標處聚焦，表現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.如權利要求1所述的基於高頻時反陣的時反發射聚焦反波束形成方法，其特徵在於在波導環境下，基於簡正波模型，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，r為聲源到測量處的距離，k2＝ω2/c2(z)為波數，ω為信號源角頻率，c(z)為聲速梯度，利用分離變量法，設G(r，z)＝Φ(r)Ψ(z)，將其代入式(2)經整理可得到深度方程(3)和距離方程(4)
式中kr、kz分別為波數的水平分量和垂直分量，它們滿足
式(3)是經典的Strum-Liouville特徵值問題；式(4)是一階Bessel方程，其解為零階Hankel函數；假設激勵聲源位於水下zs處，在遠場條件下，忽略時間因子e-jωt，它產生的聲場可近似為(6)
式中ρ為介質密度，krm為第m號水平波數；
時反處理系統由垂直線陣VLA、時反陣TRA和探察源PS組成，TRA由J個陣元構成，它將接收的信號按先到後發、後到先發的順序完成信號的時間反轉發射，VLA用於監測時反發射信號在聲場中的聚焦特性，PS位於水下zps處，與TRA的距離為R；
設PS發射信號為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發射，對應於頻域內進行共軛；因而時反發射信號表示為(8)
時反發射後在觀測點r的聲壓場在頻域表示為(9)
它是N個陣元產生的時反聲場的綜合效果，其對應的時域表示為(10)
參照式(6)，整理式(9)得(11)
TRA垂直布滿整個波導且充分採樣，利用模深度函數的正交性質得到(12)
取n＝m並在j上積分得到(13)
當r＝R時，
式(14)對於能在波導中傳播的有效簡正模，krm近似為常數，同時，
最後，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實現時反發射信號在聲源位置處的空間聚焦，進而完成時反發射聚焦反波束形成。
全文摘要
一種基於高頻時反陣的時反發射聚焦反波束形成方法，該波束形成方法採用高頻時反陣，通過發射聲波照射目標，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然後再發射出去，時反信號會在目標處聚焦，表現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。本發明提供一種採用高頻時反鏡適應淺海聲場、降低混響、提高對淺海的探測能力的基於高頻時反陣的時反發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 優先權日2007年11月30日
發明者翔 潘, 趙航芳, 李建龍, 宮先儀 申請人:浙江大學