水中近场目标位置确定方法仿真研究

张明伟

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

0 引 言

阵列信号处理是声呐、雷达、通信等领域的研究热点之一。而基于平面波假设，适用于远场的常规波束形成是阵列信号处理的重要组成部分，它只需要补偿平面波到达各阵元的时延差，因此时延差只与方位有关，被称为空间的方位滤波器，只让指定方位的信号通过[1]。聚焦波束形成声图测量方法[2-4]适用于近场，可通过补偿球面波的时延差形成同相位叠加得到聚焦点，实现对目标的定位。但在实际信号处理中发现，若不知道目标的深度信息，无法实现目标二维分布图的精确测量及水中近场目标的三维精确定位。本文通过在目标声源深度变化时聚焦波束形成声图法二维定位的特点，给出2种目标声源的深度动态扫描方法，分析并比较2种扫描方法的适用范围，根据上述分析可以实现目标声源的二维和三维精确定位。

1 二维声图定位原理

聚焦波束形成[5-8]是将一定几何形状排列的多元阵各阵元接收信号经过适当处理(例如延时， 加权， 求和等)形成空间指向性。在近场条件下，由于信号呈球面波衰减，因此需对各阵元接收信号按球面波扩展进行时延或相移补偿。声图即为目标声源的分布图，测量区为扫描区，声图测量系统对点声源的响应称之为“探针”。

聚焦波束形成二维声图法原理如图1所示。在测量平面p上有一目标声源s， 一等间隔的m元水平直线阵与X轴重合，假设目标产生的信号为s(t)， 设声速为c， 由于是近场信号，在不考虑多途时，各阵元接收的信号呈球面波衰减。

图1 二维声图定位模型Fig.1 Model of two-dimensional focus beaming

探针扫描测量区时，将各阵元接收信号按扫描点的位置进行球面波时延补偿、加权，迭加后聚焦波束形成器的输出为：

(1)

单点波束形成器输出的功率：

当探针扫描到目标真实声源位置时，x=x0,y=y0， 此时Ri=Ric， 所有阵元经时延补偿后得到同相位输出，迭加之后在声图的(x0,y0)处出现输出峰值(亮点)。

经过理论仿真[2,6-7]与实验数据验证[9]，聚焦波束形成二维声图定位法可以已知目标真实深度时，在高频段实现目标定位，即在已知目标深度的情况下实现目标二维定位。若可以动态扫描到目标的深度，即可实现水中目标的三维定位。

2 三维声图定位原理

通过2种动态扫描方法实现目标的深度探测及水中目标的三维定位。

2.1 水中目标深度定位原理

如图2所示，当水平直线阵布放在海底，若目标噪声源深度已知，各阵元接收到目标声源信号的时延是一个定值，但当目标噪声源深度不确定，各阵元接收的是同圆周上各测量位置的假定声源，即目标真实点S(x,y,H-z0)与测量深度位置点S′(x′,y′,H-z)有相同的时延值，相同时延补偿后可带来相同的相位输出，叠加之后声图探针同样具有相同的声图探针输出。

图2 目标深度定位原理Fig.2 Diagram of target depth localization

由于同时延圆周面垂直于x轴，在整个同时延圆周上有相同的x值，y值随着深度的不同会有相应的变化，在整个同时延圆周测量平面上有：

2.2 过阵过程深度探测法

在进行水中目标实时运行轨迹研究中发现，当目标以恒定航速通过沉底直线阵的上方时，若采用扫描平面处在目标真实深度位置时的二维声图法进行定位，目标的定位轨迹也是一个以恒定航速运动的过阵过程(即是一个平稳的过阵过程)，但是当目标扫描平面深度不准时，即进行声图测量时的扫描平面不在目标真实深度位置时，目标过阵的过程就不再是一个平稳过程，从式(3)中可以得到随着扫描平面的不同，定位结果的3种不同的情况。表1给出过阵时不同测量深度下定位情况分析，可以利用目标声源过阵原理进行目标声源的深度测量。

表1 过阵时不同测量深度下定位情况分析表

当扫描平面处在目标真实深度位置时(见图2)，目标真实点S(x,y,H-z0)与测量深度位置点S′(x′,y′,H-z)重合。此时通过聚焦波束形成声图法进行目标声源的定位轨迹是一个平稳的过阵过程。当扫描平面在目标真实深度下方，此时对于每个x值y'都大于真实值，当目标正横时(即过阵时)，y′也同样大于真实值，若进行目标运动轨迹测量时，目标不能通过正横位置；当扫描平面在目标真实深度上方，此时对于每个x值y′都小于真实值。y不断减小接近正横时，当

y2<(H-z)2-(H-z0)2，

(4)

y′即出现随机跳动点，此时在聚焦波束形成二维声图中给出的定位点即为随机点，不可作为正确定位结果输出。只有当

y2>(H-z)2-(H-z0)2

(5)

时才会得到一个较稳定的定位轨迹，但对于每个x值y′都小于真实值y。

图3 目标真实深度扫描流程Fig.3 Flowchart of target real depth scanning

可以通过如图3目标真实深度扫描过程的流程图进行目标声源的全自动扫描。图3显示，可以根据目标实际情况预先假定目标深度，当在假定目标声源深度进行二维声图定位时，通过分析目标声源定位的3种情况进行目标真实深度的扫描。若随着目标越接近正横位置时，y′越偏离目标真实位置，但可以看出目标的运动轨迹与方向，此时目标真实位置应该处于扫描平面上方，需要减小目标被测深度；若随着目标越接近正横位置时，y′越偏离目标真实位置，且y′会出现随机跳动点，此时目标真实位置应该处于扫描平面下方，需要增加目标被测深度；若目标平稳通过水平直线阵的上方，此时目标真实位置与扫描平面重合，即得到目标声源的真实深度，可以给出精确的三维坐标值，此时目标三维定位结果为(x,y,H-z0)。

2.3 正横时能量最大深度探测法

能量最大深度探测法首先需要知道目标的正横位置，在实际数据处理中可以通过DGPS或通过被动定位轨迹得到。通过分析聚焦波束形成二维声图法在正横位置、不同深度时能量变化的特点，给出目标的真实深度。如图2所示，在正横位置时，当扫描平面在测量平面上方时，y′会出现随机散点，不能实现各阵元信号的同相位输出，能量不叠加，此时能量会较低；当扫描平面与测量平面重合时，相同时延补偿后可带来相同的相位输出，叠加之后声图探针输出最大值；当扫描平面在目标真实深度下方时，聚焦波束形成声图法测量的是目标真实值的同时延圆周上的假定声源，但也有同相位输出，叠加之后有一定的能量输出。因此可以通过判断能量的大小扫描到目标的真实深度。表2给出了正横时不同测量深度下能量输出分析情况。

表2 正横时不同测量深度能量输出情况分析表

2.4 两种深度探测法的应用范围

2种深度探测法都是通过分析声图探针输出结果，但不同的是：过阵过程深度探测法需要给出目标声源在不同深度时的定位轨迹，经过反复判断过阵时的情况，最终给出目标声源的真实深度，因为需要经过反复的判断，计算时间会较长；能量最大法首先需要知道目标的正横位置，此时通过判断不同深度下能量的变化，找到能量最大值，给出目标声源的真实深度。2种探测法通过不同形式给出目标声源的深度，各有优缺点，因此进行目标声源深度判别可以根据不同情况采用不同的方法。

3 仿真结果及分析

仿真条件：10元水平直线阵布放在海深H=20 m的海底，阵元间距d=5 m，目标实际深度z0=5 m，y坐标值-50 m～50 m，采样频率fs=50 kHz，积分时间T=0.1 s，背景干扰为高斯白噪声，信噪比为15 dB。假定水层为等声速水层，声速c=1 450 m/s。

3.1 过阵过程深度探测法仿真

根据理论公式算得的不同扫描深度情况下定位结果如图4所示。

图4 不同扫描深度情况下定位结果图Fig.4 Localization result under different survey depth

图4中，“-*-”为目标声源真实点S(x,y,H-z0)与测量深度位置点S′(x′,y′,H-z)重合时所得到的目标声源运动轨迹图，此时由于y=y′、H-z0=H-z， 定位轨迹与目标真实运动轨迹一致，目标平稳通过水平直线阵的上方。“×”与“◆”为扫描平面在目标声源真实深度下方时二维声图算法定位轨迹，此时由于H-z0>H-z，在此扫描平面的定位轨迹中yy′， 且z越小，y′越小于真实值y， 随着y′越接近正横位置时，y′越偏离目标声源真实位置，当y2<(H-z)2-(H-z0)2时，y′即出现随机跳动点(图4中大虚圆所示)，此时聚焦波束形成二维声图法得到的定位点即为随机点，不可作为正确定位结果输出。

3.2 正横时能量最大深度探测法

目标声源正横时，即目标声源位置点为(0,0,15)时，若假定目标声源的实际深度H-z=15 m，当扫描平面在实际目标深度上方时(扫描深度为16～20 m时)，根据理论分析知道此时定位点为随机散点，能量最低。在图5正横位置y-z平面能量输出结果的声图中基本看不到能量输出；在图6正横位置z平面能量输出曲线图中能量显示最低。当扫描平面在实际目标深度下方时(扫描深度为10～14 m)，在图5中显示所得到的定位点中的y′要大于目标真实值y， 随着扫描深度的加大，定位点中的y′更大于目标真实值y，在图6中能量输出值中显示随着深度的加深，能量输出变低；只有当扫描平面在实际目标深度位置时，即扫描深度为15 m时，由于信号同相位叠加，能量输出最大，在图6曲线中可以看到能量突然增加到最大。通过分析可以得到目标的真实深度H-z=15 m。

图5 正横位置y-z平面能量输出结果Fig.5 Abeam energy output on y-z plane

图6 正横位置z平面能量输出曲线图Fig.6 Graph of abeam energy output on z plane

3.3 三维定位结果

因为同一目标每个单程的吃水深度相同，可以通过过阵时的深度测量法或能量测量法探测到目标的真实深度，再对目标的整个单程进行精确的定位，这样可以更大限度地提高目标的定位精度，即可以实现目标二维和三维精确定位。

图7给出了三维定位仿真结果示意图，首先通过过阵过程深度探测法或正横时能量最大探测法得到目标的真实深度，再进行目标其他位置点的定位。图中目标声源三维真实位置为(10,20,15)，通过深度探测法得到目标的真实深度为水下15 m，再进行目标的二维定位。图中显示经过计算得到的定位结果与预先设置目标的实际位置一致，不但实现了目标声源二维精确定位，还实现了目标声源的三维精确定位。

图7 三维定位结果示意图Fig.7 Three-dimensional localization results

4 结 语

聚焦波束形成二维声图法是对已知扫描深度的水中近场辐射目标进行二维平面区域的动态扫描补偿，当扫描点与水中噪声源位置一致时，波束形成器输出的能量最大，通过这种方法可以对已知扫描深度的目标噪声源进行动态检测。本文分别采用目标声源的过阵过程与正横时二维声图探针输出的特点，给出2种水中近场目标深度扫描方法，即过阵过程深度探测法和正横时能量最大深度探测法，并给出了2种方法的适用范围。通过深度探测法知道目标声源深度信息后，不但可以实现目标二维精确的定位，还可以实现水中近场目标三维精确定位。文中通过仿真方法验证了2种深度探测算法的正确性，可以根据实际情况，采用最适合的深度探测法进行目标声源深度的动态扫描，进行目标声源的三维精确定位。

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