浅海沉底小目标时的反探测研究

　　随着海洋资源的开发和军事斗争的需要,在浅海进行沉底或半掩埋小目标探测成为水声信号处理研究的热点.在近岸海域的波导环境中,由于海底和海面的多次反射,声信号传播的时延扩展较深海严重得多;航船的增多、其辐射噪声的增加使得海洋背景噪声级增大;此外,在特定海域(如泥沙含量较多的混浊水海域),主动探测面临强大的混响.因此,在浅海进行沉底小目标探测是一项难题.

　　面对挑战,国内外采用的方法主要有以下几种:

　　1)基于线阵或面阵的常规匹配滤波处理;

　　2)采用合成孔径成像的办法,利用水下机器人(如AUV或ROV)进行探测;

　　3)其他非声学办法,如磁探、光成像等.对声探测而言,在浅海进行小目标主动探测关键在于抗混响、提高信混比,结合混响建模,设计宽容的信号检测器.本文从另外一个角度出发,在不减小照射目标能量的前提下,通过降低发射功率来降低混响,提高目标的探测能力,其实现办法在于最近兴起的时反处理.

　　时反处理是利用声场时反聚焦特性的一种处理方法,来源于光学中相位共轭法的引申.利用收发合置阵将接收信号在时间上进行反转形成时反信号,再发射出去,时反信号会在目标处聚焦,表现为时间波形的压缩和空间能量的聚集.利用这种特性可以进行时反通信[2]、时反成像和主动目标探测[1]等研究.在稳定声场中存在的声互易性定理和波动方程解的时反不变性保证了时反处理的成立.与常规波束形成、匹配场处理相比较,时反处理将/海洋自身0而不是/海洋模型0引入信号处理,在不降低处理性能的同时,具有较好的宽容性.

　　近年来国外在时反处理研究方面投入了大量的人力和物力,在军方支持下,Kim等人[1-3]与NATOSACLANT水下研究中心合作,进行了一系列海上实验,包括声场的聚焦特性、时反通信、抑制混响等研究.Takuya等人[4]将时反处理用于水声通信,对水下机器人进行远程控制.Gomes[5]进行了时反跳频水声通信研究.相比较,国内在时反处理方面还处于起步阶段,公开发表的文章很少.本文在探讨时反处理物理机理的基础上,利用湖上试验验证了时反处理具有抑制混响、提高信混比的能力,并将时反处理用于沉底小目标探测进行了实验室波导实验研究,简单分析了时反处理存在的问题,并提出了研究对策.

　　1 时反处理的基本原理

　　在平面波模型下,波动方程可写为

　　式中:c为声速剖面,p(r,t)为时域声压值,r为声源到测量处的距离.

　　假设p(r,t)是式(1)的解,则p(r,-t)同样是式(1)的解,这就是声场的时反不变性.它和声场的收发互易性[6]确保了稳定声场具有时反聚焦特性.时反处理则利用时反聚焦特性完成对目标在距离和深度上的定位.