匹配场反演阵形估计算法的试验研究

    0 引 言

    柔性长阵广泛应用于岸基声纳、拖曳声纳等系统，为提高处理增益，其孔径有不断增大的趋势，孔径的增大导致阵形的维持变得更加困难，在这种情况下，阵形测量成为必须面对的课题。

    常规的阵形测量方法包括非声学测量方法和声学测量方法。非声学测量需要在声阵中加装深度传感器、航向传感器，通过插值或解方程的方法求得阵形[1]；声学测量的方法通过估计各阵元接收信号的时延，反推阵元位置，比如基于时延估计的双源阵形估计算法等[2]。这类基于时延估计的算法假设声传播为平面波或球面波模型，在浅海环境下，算法将受多途效应的影响，造成性能下降。

    匹配场处理(Matched Field Processing, MFP)技术兴起于上世纪 70 年代，是信号处理技术和水声物理的交叉学科，它最大限度地利用了水声信道信息，与传统的信号处理方法相比，有明显的性能优势，得到了广泛研究。匹配场处理技术摒弃了平面波模型，采用简正波模型或射线模型对声场建模，多途在模型中对应于不同模态号的简正波或不同的射线路径，从而消除了多途在信号处理中的影响。

    有学者已经进行了基于 MFP 的阵形估计的研究，得到了很好的效果。Hodgkiss 等对垂直阵做了基于 MFP 的阵形估计，测量结果与非声学测量方法、高频声学测量方法的结果一致[3]；Dosso 等采用射线模型，求得爆破声源信号相对于各阵元的时延，再利用局部线性化技术和规整化技术，对水平长线阵实现了阵形估计；Morley 等采用的也是射线模型[5]，利用船噪声对垂直阵实现了阵形估计。

    本文尝试用匹配场反演(Matched Field Inver-sion, MFI)的思想估计阵形，匹配场处理对声源与阵列的几何参数、环境参数都很敏感，相对而言，算法对几何参数的敏感度更高。文中通过设计合适的目标函数，使算法对几何参数的扰动宽容，并且该方法仅需要知道大致的声源距离和深度即可，对方位信息也没有要求，另外，算法采取简正波建模的方法，消除了多途效应的影响，提高了估计精度。

    1 基于 MFI 的阵形估计算法

    1.1 算法原理

    以 N 元直线阵为例，第 n 号阵元的理想坐标为( , 0)nx ，假设阵列仅发生在水平面的阵形畸变，而且畸变后的阵形可以建模为一段圆弧。试验处理结果表明，在阵列布放海区不存在强烈水流的情况下，这种近似是合适的，并且将使问题简化。畸变前后的阵列如图 1 所示。

    图 1 中圆点表示理想情况下的阵元位置，菱形点表示弯曲畸变后的阵元位置，D 为阵列最大的弯曲量，根据图 1，经几何运算得到畸变后的坐标为