基于三子阵的组合水平时反阵被动定位性能研究

    0 引 言

    理想的信道能无畸变地传递信息。但海洋的多途效应和介质的不均匀性会使接收信号时域特性畸变(时延扩展)、振幅和相位起伏(频率扩展)[1]。为了克服声学不均匀介质中的波形畸变，在声学中引用了源于光学中不均匀介质的相位共轭成像法[2]，并将连续波的相位共轭法发展为时间反转法(TR)。

    1991 年，Dowling 对 TRM 应用于水声作了定义和基本理论分析[3]。1996 年 4 月，Kupermam 等人在地中海进行了首次时反镜浅海试验，实验结果证明了海洋中的时反聚焦性能[4]。

    在浅海波导中，大孔径的水平时反阵能对目标实现有效的被动定位[5]。本文采用计算机仿真分析法，采用 KRAKEN 模型[6]计算时反前后声信号经过的声压信道，进行时反运算并分析单个水平时反阵以及组合式水平时反阵的被动定位性能。经过分析可知，单水平阵的有效孔径随着入射声信号偏离水平阵端射方向的角度增加而迅速下降，直至被动时反定位失效。改进后的组合式水平阵能保证对各个方向的声源都有较大有效孔径，本文中为不小于150 m，从而对各个方向的声源都有较好的被动时反定位性能。

    1 时反技术的基本原理

    时间反转技术是指阵列接收声源发射的信号，将其在时间上取反(频域里取复共轭)，并向外发射出去，声源处时反声场能量明显大于其它区域，即声能量在声源位置出现聚焦，它是声互易性原理的应用之一。

    1.1 水平时反阵工作原理

    如图 1 所示，不考虑噪声影响，PS 为一探针声源，HTRA 为 N 基元收发合置水平时反阵，基元等间隔分布，基元间隔为 d，铺设在海底，接收声源发射的信号，并对其做时反处理后重新发射。VRA是垂直接收阵，与声源处于同一水平距离处，用来接收 HTRA 产生的时反声场，以观测探针声源所在水平距离处声能量垂直分布的情况。

    水平阵被动时反定位工作过程可分为接收、取反、发射三个阶段。

    首先假设声源位于水平阵端射方向，声源发射信号，水平阵各个基元接收信号。若探针声源(0，sz )发射信号的频谱为 S (ω  )，HTRA 第 j 个基元(jr ，0z )的接收信号为

    在水平分层的海洋环境中，当满足远场条件时，由(0，sz )点到(r，z)点的声场系统函数(或称格林函数)为

    式(2)中，mφ 和rmk 分别表示各号简正波模函数和水平波数。

    时域信号取反相当于在频域上取复共轭，将式(1)取复共轭，向外发射，在空间某点(r, z)的时反声场为

    N 基元的时反阵在(r, z)点产生的时反声场为各基元产生时反声场的叠加：