基于虚拟时间反转镜的噪声源近场定位方法研究

    近场聚焦波束形成是根据信源到各个阵元曲率半径的不同,补偿球面波衰减规律的时延差和幅度系数,且时延差值为信源方位角和距离的函数。对线列阵而言,通过在测量范围对聚焦点的扫描,聚焦波束形成可获得平面区域内的声强图,即为聚焦/声图0,当目标出现在扫描区域时,其对应的扫描点的聚焦波束输出出现聚焦峰[1-2]。因此聚焦波束形成可同时获得方位角和距离的联合信息,可以有效地刻画辐射噪声源的空间分布,确定主要噪声源的位置,从而有针对性地采取减震降噪措施。在近场条件下,辐射噪声源往往不可再被视为点源处理,因此,解决非点源目标的定位十分必要。

    虚拟时反镜技术(VTRM),在对信道没有任何先验知识的情况下,与信道自动匹配,其聚焦性能可以减小信道衰落和多途干涉。VTRM需要先估计得到信道的冲激响应函数,并将其时间反转后作为预处理器,因此信道的估计与实际信道的匹配是VTRM技术的关键。

    本文分析了近场水平线列阵的定位原理及数学模型,并对相干多途信道进行建模。提出了采用虚拟时反镜技术的定位方法。它可使用不同的信道估计手段和实际信道良好匹配,从而有效对非点源目标的信道进行准确估计,因此对辐射噪声源定位具有良好的适用性。通过仿真和实测数据分析,充分验证了这种方法的有效性。

    1 近场水平线列阵定位模型

    设一个N+1元等间距均匀线列阵(N为偶数),阵元间距为d,中心阵元为参考阵元。如图1所示建立坐标系,设各个阵元坐标为(xi,0,0)(i=-N/2,,,0,,,N/2),设扫描区域为与目标等深且平行于线列阵的平面,目标深度为z0,信源目标S(x,y,z),Rit为目标到各个阵元的距离,Ri为不同扫描位置到各个阵元的距离,则有:

    限定研究的辐射噪声为一平稳随机过程。设辐射噪声源信号为s(t),c为水中声速。在球面波衰减规律下各个阵元接收到的信号为

    根据不同的扫描位置,分别对各个阵元的接收信号按球面波衰减规律补偿幅度和时延差值,叠加后得到聚焦波束形成输出波形为

    各扫描位置的聚焦波束输出功率为

    当目标位置与某个扫描点吻合时,其对应扫描点的聚焦波束形成的输出波形同相叠加,在声图上形成聚焦峰。因此聚焦波束形成可同时获得方位角和距离的二维信息,从而实现近场定位。

    2 多途信道对非点源目标的定位性能影响分析

    在浅海,由于海洋界面的存在,水声信道可看作是相干多途信道[3]。由于海面海底的反射,除了直达声形成的聚焦峰,反射声同样会形成幅度上相对较弱的峰,叠加上噪声的影响,声图很容易出现/伪峰0以及高的旁瓣级,使定位性能受到很大影响。