声压时间反转镜matlab,基于声压时间反转镜的水下目标被动定位技术

1引言传统的被动定位方法,如三子阵法和球面内插法,利用球面波或柱面波波阵面曲率的变化,通过测量各基元的相对时延,估计目标的距离和方位。测距精度与时延估计精度与目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因素有关,其中时延测量精度是关键,然而对于有限的基阵孔径,随着声纳探测距离的增加,波阵面曲率越来越大,加上信道传播起伏的影响,时延的精确测量以及距离信息的提取变得越来越困难,因此传统的定位方法难以实现远程定位,同时,传统的目标运动分析方法要求检测在先,定位在后,并且对信噪比的要求也很高。声压时间反转镜(PressureTimeReversalMir-ror,PTRM)是一空间匹配滤波器,无需任何先验知识而减小复杂声信道多途干扰的影响,具有时间压缩和空间聚焦性能。近年来在水声中的应用受到青睐,现已开展了多个领域研究,如自适应时间反转镜[1]、动目标相位共轭阵聚焦定位[2]、抗混响等[3]。其中一些研究成果已在航空航天[4]、医学治疗[5]、水声通信[6,7]等方面得以应用。在对水下非合作目标进行轨迹测量时,主动式反转镜技术的应用往往是受到限制的,所以在此利用被动式时间反转镜进行目标被动定位。2被动声压反转镜定位图1为被动式反转镜检测目标的原理框图。图1被动反转镜被动检测原理框图Fig.1PrincipleofpassivedetectionbasedonPTRM被动反转镜被动检测实现过程如下:(1)信号x(t)从声源S经过真实海洋信道(声道I)传播到接收机R,接收到的信号和本地干扰np(t)叠加成为接收机的输出yp(t)。(2)将yp(t)时反后,不像主动TRM工作方式那样将信号再次发射到海洋中去,而是通过实测的海洋声速分布在计算机中建模,得到声道II,在计算机中模拟获得时反输出信号zp(t)。(3)对其进行能量检波,结果是能量关于坐标的函数,由时间反转法的聚焦原理可知,能量最大的区域对应的坐标点即为声源S的位置。时间反转镜技术自动匹配于水声信道,这是由互易原理导出的。若声道II的冲激响应函数其建模与真实信道匹配,则被动时反镜处理的过程是匹配声场的过程。当观测点(ri,hi)与声源(r0,h0)重合时,空间增益达到最大;而当rr0,hh0时,信道hp(,r0,h0)与信道hp(,r,h)不匹配,空间增益减小或是没有空间增益。这就是水声信道中时间反转镜聚焦的根本原理。以上对被动声压反转镜检测和定位原理的解释可以总结为:时间反转镜技术实现了相干目标的空间匹配滤波。这正是其优势所在。3PTRM定位仿真分析在仿真和实际应用中,我们采用射线声学的基本理论,用本征声线的方法建立海洋声压信道模型,用瑞利参数表征声波在不平整海面的特性,用海底三参数模型来描述海底声学特性。图2给出了在浅海均匀声速分布的水文下反转镜的仿真研究结果,其中声速c=1450ms,水域深度120m,目标位置a0(1000,40),水听器位置r(0,40)。仿真区域为距离目标垂直深度20m,距水平位置20m。从图中可以看出,最强聚焦峰的横、纵坐标对应目标的水平距离和深度。图2浅海均匀声道反转镜伪彩图Fig.2FocusingofTRMinshallowwater聚焦峰的位置直接受到建模误差的影响,建模误差主要来源于声速分布误差和接收基元深度误差,以前者为主。现有的声速度计可在连续深度上精确测量声速度,所以影响最大的是水深的测量,因为实际应用中可能无法得到工作水深的准确值,而且工作水域是不平坦的,这与建模中假设水域等深度不一致,会带来定位误差,下面就水深测量误差对PTRM定位结果的影响进行仿真分析。在