一種基于單陣元階梯變深的目標被動定位方法

韓樹平，馬 鑫，楊 剛

(海軍潛艇學院，山東 青島 266100)

0 引 言

被動目標定位是水聲界的一個難題。已有的試驗表明，匹配場被動定位方法在條件滿足情況下可以獲得良好的被動定位結(jié)果[1]。Hinich的研究證明，匹配場定位的效果與接收陣觀測到模式的數(shù)目有關(guān)，模式越少，定位效果越差[2]。而簡正波各模式是隨深度而變化的，為了盡可能提升定位的效果，傳統(tǒng)的匹配場被動定位通常采用垂直陣列[3–5]。近些年嘗試使用水平陣列進行匹配定位的方法，但水平陣在實際定位過程中同樣存在缺陷，為滿足模式采樣的要求，水平陣列的尺寸要求較大[6–7]，黃勇等[8]利用拖曳短線陣在水平方向的移動合成大的孔徑，結(jié)合匹配場技術(shù)實現(xiàn)了聲源定位。矢量水聽器的出現(xiàn)為匹配場被動定位拓展出一片新的空間，李楠松等[9]將單矢量水聽器與匹配場技術(shù)相結(jié)合，利用圖像處理中的相位相關(guān)算法給出目標的距離信息。同時，十字陣等復雜陣列的使用可以有效提高被動聲測量的準確度，克服目標空間方位模糊的問題[10]。然而對于運動平臺而言，滿足定位要求的水聽器陣列受制于尺寸等的限制，收放困難，布設(shè)復雜，這制約了運動平臺匹配場被動定位技術(shù)的應(yīng)用。

本文在穩(wěn)定噪聲信號的假設(shè)條件之下，將單陣元依次放置于不同深度等效為一個垂直陣列，從而獲得不同觀測深度不同時段目標的聲場數(shù)據(jù)，對該數(shù)據(jù)進行相位補償，估計等效垂直陣測量場，然后利用該測量場結(jié)合匹配場原理，給出目標的位置。最后，通過仿真與實驗數(shù)據(jù)驗證方法的有效性。

1 原理分析

1.1 單陣元階梯變深測量場

如圖1所示，將單陣元按起始點至終點5個深度的順序依次放置，對目標聲場進行采樣。假定在單陣元變深采樣的過程中接收到的信號連續(xù)穩(wěn)定，海洋聲信道緩變，即陣元在某點接收到的不同時間段相同時長的聲信號頻域特性相同。

如圖2所示，在每一深度上的采樣時間為T，若信號的能量集中在L個頻率上，將5個深度上的T時段聲信號等分為M段后轉(zhuǎn)化到頻域，可以得到M組頻域快拍數(shù)據(jù)：

為了使非時間同步數(shù)據(jù)正確估計測量場，需要對各測深的頻域快拍進行相位補償，消除采樣時間不同造成的相位差。以頻率為fj，第一深度頻域快拍與第二深度頻域快拍為例，若，采樣起始時間相差，則對的相位進行補償，補償后，對各頻率、不同測深上的頻域快拍都進行相位補償。

其中：

1.2 單陣元垂向變深拷貝場

KRAKEN模型[11]聲場計算公式為：

若聲源位于（r，z）點，空間中某一采樣點的頻率響應(yīng)用p來表示，單陣元在5個深度上利用KRAKEN模型計算得到頻率為fj時的聲壓值為，則信道頻率響應(yīng)矩陣為：

匹配使用的處理器為最小方差無畸變響應(yīng)匹配場處理器 MVDR（Minimum Variance Distortionless Response）[1]，則頻率為fj時對應(yīng)的拷貝場為：

1.3 聲源被動定位的模糊度函數(shù)

頻率為fj時，基于垂向變深的單水聽器聲源被動定位的模糊度函數(shù)可以表示為：

對每個頻率的定位結(jié)果進行加權(quán)處理，可以有效利用測量信號中的目標聲場信息提高定位精度，聯(lián)合各頻率得到的模糊度函數(shù)為[12]：

加權(quán)原則為頻點能量的相對大小：

其中Sj為第j個頻率對應(yīng)的能量。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

采用實測垂直陣非時間同步數(shù)據(jù)來驗證方法。驗證采用SACLANT研究中心對外公布的地中海垂直陣數(shù)據(jù)[13]。試驗采用48元垂直線列陣接收信號，第1個陣元的深度為18.7 m，最后1個陣元的深度是112.7 m，陣元間距為2 m，陣孔徑為94 m。使用HX-90G聲源，聲源特性保持不變。此聲源發(fā)射帶寬為12 Hz，中心頻率為170 Hz的信號，聲源級163 dB，聲源被錨定在距接收陣5.8 km遠處，深度約為79 m，聲源發(fā)射連續(xù)信號，海底密度為 1.8 g/m3，海底聲速 1 600 m/s，底吸收系數(shù)0.15 dB/λ，沉積層2.5 m，具體的聲速分布、密度與吸收系數(shù)如圖4所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率為1 kHz，試驗采集了10 min內(nèi)線列陣接收到的信號，每分鐘存儲為1個數(shù)據(jù)文件，圖5所示為第2分鐘接收到的8，15，22，29，36，43號水聽器信號經(jīng)過簡單濾波處理后的結(jié)果。

采用圖4中圈出的各水聽器時長10 s的非時間同步接收信號來等效為單水聽器依次放置于8，15，22，29，36，43號水聽器位置時接收到的聲信號，其相應(yīng)的頻譜如圖5所示。為計算簡便，選取頻譜中能量較大的 165.937，168.128，169.921，171.713 Hz 四根線譜對應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)進行聯(lián)合匹配，依次對6個陣元數(shù)據(jù)的4個譜線頻域值進行相位補償使各線譜頻域數(shù)據(jù)矩陣時間對齊，搜索網(wǎng)格選取10 m×2 m。

圖6為利用上述6陣元數(shù)據(jù)變深被動定位與常規(guī)匹配場定位的結(jié)果，匹配計算中兩方法采用相同的環(huán)境參數(shù)和搜索網(wǎng)格設(shè)定，引入常用的匹配處理器性能評估量化評估參數(shù)：峰值背景比（PBR）[14]，結(jié)合2種定位結(jié)果的峰值點，對比該文方法與常規(guī)匹配場被動定位方法，結(jié)果如表1所示。

圖6（a）為利用非時間同步數(shù)據(jù)，通過補償相位時間對齊后匹配得到的定位結(jié)果，從圖中可以看出模糊表面的峰值點為（5 640 m，84.7 m），圖 6（b）為利用6陣元時間同步數(shù)據(jù)進行常規(guī)匹配場被動定位的結(jié)果，模糊表面的峰值點為（5 850 m，76.7 m），圖 6（a）與圖6（b）顯示兩方法的定位結(jié)果與實際聲源位置（5 800 m，79 m）相近，均可實現(xiàn)目標的被動定位。

表1 兩種方法定位結(jié)果對比Tab.1 Comparison between two methods

從表1的對比結(jié)果來看，采用相同陣元數(shù)的情況下，單基陣變深被動定位相較于常規(guī)匹配場被動定位的定位偏差稍大，同時峰值背景噪聲比（PBR）也較常規(guī)匹配場方法要低0.28 dB，2種方法定位結(jié)果出現(xiàn)差異的主要原因是單基陣變深被動定位采用非時間同步數(shù)據(jù)，定位過程中需要對各測深的數(shù)據(jù)進行相位補償，補償后的數(shù)據(jù)相位與真實時間同步數(shù)據(jù)的相位存在一定的偏差，故最終的定位結(jié)果相較于常規(guī)匹配場被動定位偏差稍大，旁瓣能量更高，峰值背景噪聲比（PBR）較低。

圖7為依次使用4，10，15，20個陣元非時間同步數(shù)據(jù)的定位結(jié)果。對各陣元數(shù)情況下定位偏差以及PBR進行統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。對比可以看出，除了4陣元定位結(jié)果偏差較大外，其他陣元數(shù)的定位結(jié)果偏差都較小，且隨著陣元數(shù)的增加，PBR增加，主瓣能量增強，旁瓣能量得到抑制，適當增加變深采樣點數(shù)可以提高定位效果。

采用6陣元數(shù)據(jù)，對1–10 min各分鐘數(shù)據(jù)分別采用2種算法進行定位，并計算相應(yīng)的PBR值，用以相位補償?shù)乃念l點對應(yīng)的頻率保持不變，為165.937，168.128，169.921，171.713 Hz，計算對比結(jié)果如圖 8所示。圖中虛線表示常規(guī)匹配場被動定位結(jié)果的PBR值隨時間的變化，10 min內(nèi)常規(guī)匹配場方法均實現(xiàn)了目標的準確定位，且PBR值穩(wěn)定在3.1 dB左右，實線為利用各分鐘內(nèi)非時間同步數(shù)據(jù)補償后匹配定位結(jié)果，從圖中可以看出，前5 min的數(shù)據(jù)實線了目標的定位，PBR值隨時間呈現(xiàn)減小的趨勢，5 min后定位失效（有效定位的判別標準為：Δr=±500 m，Δz=±10 m），這可能受接收信號隨時間的相關(guān)性減弱的影響，總體上前5 min利用相位補償數(shù)據(jù)匹配后結(jié)果的PBR值要比常規(guī)匹配場被動定位結(jié)果的PBR值小。

表2 利用不同陣元數(shù)據(jù)變深被動定位結(jié)果對比Tab.2 Comparison of passive location results with different array elements

3 結(jié) 語

本文根據(jù)水平合成孔徑被動測向的思想，給出一種將垂直合成孔徑與廣義波束形成相結(jié)合的單陣元變深機動的目標被動定位新方法。通過將單陣元先后放置于不同深度，對目標聲場進行采樣，在連續(xù)穩(wěn)定噪聲信號的假設(shè)條件下，補償采樣數(shù)據(jù)的相位并估計測量場，通過求匹配的方法給出目標的位置，方法擺脫了傳統(tǒng)水聲目標被動定位技術(shù)對水聽器陣列尺寸的限制，為水聲目標被動定位提出了一種新的思路。通過對實測垂直陣數(shù)據(jù)的分析得到了以下結(jié)論：1）本文方法與常規(guī)匹配場被動定位效果相近；2）變深采樣點的增加有助于提高該方法的定位效果；3）時變的海洋信道會造成接收信號時間相關(guān)性減弱，影響數(shù)據(jù)的相位補償。

本文使用實測垂直陣的非時間同步數(shù)據(jù)，等效為單陣元變深采樣，而實際中受潛航器的限制，單陣元變深采樣往往是一個連續(xù)而非階梯的過程，這會產(chǎn)生2個問題：1）是己方存在一定的速度，這會對接收聲場產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，需要通過一定的算法消除多普勒影響；2）是運動中連續(xù)采樣不同于本文假定的定點采樣，采樣數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一定的空間補償，這也涉及到聲場的垂直相關(guān)性問題，下一步工作著手進行單水聽器連續(xù)變深采樣的水池試驗，進一步驗證方法的有效性。