阵间模基处理被动定位技术研究

　　0 引言　　

　　水下目标定位一直是水声领域研究的重点和难点问题之一，基于隐蔽性考虑，定位声纳多使用被动方式。被动定位的主要方法包括：

　　(1) 基于球面波或柱面波波前的三子阵法[1]，其测距精度依赖于时延估计精度，与目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因素有关;

　　(2) 基于目标方位历程的目标运动分析(Target Motion Analysis, TMA)方法，包括纯方位TMA、频率-方位TMA、多途TMA等多种方法[2];

　　(3) 基于三角测量原理[3]的被动多途测距方法，其定位精度受到多途结构预测的影响;

　　(4)基于球面波假设的聚焦波束形成方式[4]，这是一种近场定位方式;

　　(5) 基于声场模型的模基定位方法，如匹配场(Matched Field Processing, MFP)、匹配模(Matched-mode Processing, MMP)以及被动时间反转(Passive Time Reversal Mirror, PTRM)方法[2,5]，需要根据实际环境参数建立信道模型来计算拷贝声场。

　　上述各方法的性能对比见表1。

　　表1中方法1到4基于平面波、球面波假设，没有利用声速剖面等水声信道环境信息;方法5利用环境信息，基于声场建模来实现被动定位，但限于只使用一个声纳基阵(单点)对目标进行探测，仅有一个视角，而方位分辨力又有限，所以无法分辨同一方向附近不同距离的目标。

　　可见，随着环境噪声级和目标噪声级之间差距的不断增大，常规的基于单节点探测定位方法的固有局限性，已经不能满足声纳探测的需求，迫切需要新的被动探测方法。

　　近年来备受关注的传感器网络技术，给水下被动探测系统提供了一种新的解决方案，可以通过空间分布的多个节点，实现对某一水域的协同探测;而模基处理方法[6-9]由于充分利用了模态间(或多径间)的相干性，其探测性能可以突破Rayleigh限和Fresnel限两个数量级[10,11]。本文提出的基于网络化多节点的阵间模基处理被动定位技术，将网络化探测技术和阵间模基处理技术加以结合。使用多个声纳基阵按照一定规则分布在目标海域，从不同位置以多个不同的视角去观察目标，配合阵间模基处理技术，充分利用海洋环境的复杂性来提高探测能力，必然可以提高对目标的空间分辨能力。

　　本文将对阵间模基处理被动定位技术进行详细阐述，通过数值仿真对阵间模基处理技术进行性能分析，并对MVDR和CBF、阵间相干和非相干处理、宽带和窄带之间的性能优劣进行对比。

　　1 阵间模基处理技术

　　1.1 模基处理技术

　　模基处理技术基于声场波动方程的简正波模型描述。声场的特征可以使用媒质的声压、质点振速以及密度来表征，联系这三个量的数学表示就是波动方程[12]。按照相应的边界条件以及所使用的数学方法，波动方程有多种数值解法，一般常用的有以下几种[13]：射线理论模型、简正波模型、多路径展开模型、快速声场模型和抛物线方程模型等。对于我们所考虑的低频浅海环境下的声传播特性，使用简正波模型来描述比较合适。在声场的简正波方式描述中，海洋波导中点源激发的声场可以表示为若干简正波的模式之和，模式数目的多少随海深和工作频率等因素的变化而不同。