多途信道中声屏蔽及声聚焦

    基阵视野中若有多个声源,它们将相互干扰而降低对其中任何一个目标的探测能力,称之/多目标相互干扰0.信号处理的理想决策是对期望探测的点源(目标)实施聚焦,对其余声源实施屏蔽.在平面波条件下,既不能实现聚焦,也不能实现屏蔽,所能实现的最优处理是传统的阵处理技术,即将波束对准目标,而将指向性零点对准其余的干扰点源.波束零点(或极小值)抑制了多目标干扰,但零点方向也成为探测盲区[1].这也从另一角度说明阵处理技术无法分辨同一方向上的2个点源.

    阵的空间聚焦和多途信道聚焦本质上都可以采用时间反转镜[2-4](time reversalmirror,TRM)技术来实现,时反聚焦是在一个局部的区域内增强基阵的接收响应,是一空间滤波技术;而声屏蔽是一个与声聚焦相对的概念,在某个局部空间内(而不是扇面内)降低接收响应称为声屏蔽,声屏蔽技术与传统的阵处理技术的本质差别为前者可有效抗相同方位的多目标相干干扰.聚焦和屏蔽均利用了声场的相干性.TRM信号处理在多途信道中既能用来实现声聚焦,又能用来实现声屏蔽.

    W.A.Kuperman等[5-7]采用垂直阵时间反转镜抑制混响并增强回波,称为/reverberation nulling0,该文将其推广为/声屏蔽(acoustic covering)0.由于垂直阵不宜应用于运动平台,而水平阵适合装载于动平台,因而该文关注水平阵的声屏蔽技术,采用水平阵抑制相干源干扰,并应用于抗拖船干扰.作为步的探索仅限于理论和仿真研究.

    1 声屏蔽及声聚焦原理

    简要说明声屏蔽及声聚焦的物理机理,以球面波声场中四元水平阵的声聚焦及声屏蔽为例进行分析.

    声场中若有2个点源S1和S2(见图1),它们的辐射信号分别为zs(t)和zn(t).希望探测zs(t),而屏蔽zn(t),即屏蔽点设置在S2处,而聚焦点在S1处.

    各阵元输出信号的相位差是由球面波传播时延S决定的,分别为

    式中:rsi为S1到第i阵元的距离,rni为S2到第i阵元的距离, c为声速.

    传播时延差为

    对各阵元输出进行相位差(或者时延差)补偿后加权相加即得到聚焦输出.信道可表述为

    式中:$Ssi和$Sni由式(2)、(3)确定.

    聚焦输出的频谱为

Ys(X)=Zs(X)HTsH*s=Zs(X)HTsWop. (6)

    式中:Zs(X)为zs(t)的频谱.设Wop为聚焦权,则由上式可知:

Wop=H*s. (7)

    相应的聚焦峰的功率为

Ps=3[Zs(X)HTsWop]24=3[Zs(X)HTsH*s]24.(8)

    式中:3#4表示频域求和.

    式(7)表明聚焦权矢量为H*s,式(6)即时间反转镜(TRM)相位共轭谱表示.换而言之,TRM实现了球面波声场中阵的声聚焦,与采用相移补偿的球面波声场阵聚焦波束形成处理是异曲同工的.