管日升，范新剛，楊文瑞

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

0 引 言

我國(guó)海洋資源非常豐富，各國(guó)都在爭(zhēng)相發(fā)展海洋裝備和海洋經(jīng)濟(jì)。因此，海洋的開(kāi)發(fā)對(duì)于中國(guó)的未來(lái)發(fā)展至關(guān)重要[1]。

目標(biāo)在海洋中受到海洋不均勻性和海底海面反射的影響，這樣導(dǎo)致接收到的信號(hào)在時(shí)域和頻域都會(huì)產(chǎn)生畸變，使得最終檢測(cè)能力下降，尤其是對(duì)于淺海的目標(biāo)探測(cè)，噪聲環(huán)境更加復(fù)雜、混響也很?chē)?yán)重，對(duì)探測(cè)的影響極其嚴(yán)重。一般的方法是盡可能消除信道的多途效應(yīng)，但這往往很難辦到，而時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)另辟蹊徑，其利用聲互易性及時(shí)反不變性原理，充分利用信道的多途效應(yīng)，使目標(biāo)散射回波信號(hào)在發(fā)射源位置處達(dá)到空時(shí)聚焦的效果，因此可以達(dá)到提高信噪比的目的，進(jìn)而提高對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和定位能力。

受光學(xué)中相位共扼法的啟發(fā)，將連續(xù)波的相位共扼法拓展到脈沖波的時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)中，并逐漸應(yīng)用到水聲學(xué)，用于解決水下探測(cè)中遇到的一些問(wèn)題。1991年，Dowling[2]對(duì)時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡（TRM）應(yīng)用于水聲作了定義和基本的理論分析，1996年4月，Kuperman等[3]在美國(guó)海軍研究機(jī)構(gòu)（Office of Naval Research）的支持下，在地中海進(jìn)行的時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡淺海試驗(yàn)，證明了海洋中時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡的聚焦效應(yīng)。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于主動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)探測(cè)的文獻(xiàn)[4-7]基本都是利用收發(fā)合置換能器陣列接收目標(biāo)散射信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行時(shí)反變換后，再由換能器陣列發(fā)射出去，使二次發(fā)射信號(hào)在目標(biāo)處形成聚焦，類(lèi)似于增加對(duì)目標(biāo)照射的強(qiáng)度，因此可以使目標(biāo)回波增強(qiáng)、進(jìn)而達(dá)到提高探測(cè)的效果。這種時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)雖然可以在一定程度上提高回波增益，但是依然不能解決由于多途以及陣元之間時(shí)延引起的回波能量擴(kuò)散、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，特別是對(duì)于探測(cè)分辨率要求很高的窄脈沖，這種影響更加嚴(yán)重。另外，通過(guò)研究和工程應(yīng)用實(shí)踐，時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡的方法也存在缺點(diǎn)，而且應(yīng)用到工程中也有一定的難度。主要體現(xiàn)在：1）制作收發(fā)合置的換能器基陣難度很大，實(shí)際操作起來(lái)也很復(fù)雜；2）驅(qū)動(dòng)時(shí)反陣需要采用多通道功放，這使得系統(tǒng)更加復(fù)雜，且能耗較大；3）針對(duì)時(shí)反陣列的信號(hào)處理方法很復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究和分析。由于時(shí)反技術(shù)具有反波束形成的特點(diǎn)，本文提出一種改進(jìn)的時(shí)反探測(cè)技術(shù)，設(shè)法讓時(shí)反后的目標(biāo)回波信號(hào)聚焦在接收陣處。通過(guò)這種改進(jìn)，既可以避開(kāi)上文中提到的時(shí)反技術(shù)的缺點(diǎn)，又可以提高增益、改善回波結(jié)構(gòu)。本文對(duì)這種主動(dòng)時(shí)反技術(shù)進(jìn)行仿真研究。

1 射線理論模型

為了更加深入了解海洋聲信道中聲波的傳播特性，科學(xué)家們?yōu)榇碎_(kāi)展了很多研究，并且建立了聲波的理論傳播模型。一般常用的有射線理論、快速場(chǎng)、多途擴(kuò)展、拋物線和簡(jiǎn)正波理論5種聲場(chǎng)模型。本文的理論分析基于射線理論展開(kāi)。

利用射線理論模型，可以十分直觀地描述聲信號(hào)在介質(zhì)中的傳播規(guī)律。射線理論模型假設(shè)聲波由一束聲線組成，每一條聲線都是垂直于等相位面向外傳播。聲源發(fā)射的聲波中不同方向的聲線經(jīng)過(guò)不同的傳播路徑到達(dá)接收陣列處，不僅接收信號(hào)的幅度會(huì)產(chǎn)生不規(guī)律的起伏，時(shí)延上也會(huì)產(chǎn)生拓展，將此現(xiàn)象稱(chēng)為多徑效應(yīng)。

根據(jù)射線理論模型，建立聲波在水中傳播的多徑信道模型，水聲多徑信道的傳輸響應(yīng)函數(shù)表達(dá)式如下：

1.1 傳統(tǒng)主動(dòng)時(shí)反聚焦過(guò)程分析

將陣元i接收到的信號(hào)作時(shí)反變換處理，得到的信號(hào)為：

陣元i將時(shí)反變換后的信號(hào)再次發(fā)射出去，再次經(jīng)過(guò)多徑信道傳播后到達(dá)目標(biāo)時(shí)可表示為：

在目標(biāo)處的時(shí)反信號(hào)總和可以表示為：

可以看出，經(jīng)過(guò)時(shí)反的聚焦后，對(duì)目標(biāo)的照射強(qiáng)度得到了增強(qiáng)，從而可以達(dá)到增強(qiáng)目標(biāo)回波強(qiáng)度的效果。

上述信號(hào)經(jīng)過(guò)目標(biāo)散射后，到達(dá)接收陣的信號(hào)為：

主相干峰的為：

由式（9）可以知道，因?yàn)榇嬖诙鄰叫诺篮完嚵袝r(shí)延的影響，導(dǎo)致接收陣列處的回波信號(hào)是一個(gè)時(shí)間展寬的脈沖串，具有復(fù)雜的波形結(jié)構(gòu)，且能量不集中，這對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)是很不利的。

1.2 改進(jìn)主動(dòng)時(shí)反聚焦過(guò)程分析

對(duì)時(shí)反聚焦過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，在散射回波第1次到達(dá)接收陣后，將所有陣元的信號(hào)相加求和，得到接收陣的回波總信號(hào)，然后對(duì)其作時(shí)反變換，再由各陣元進(jìn)行發(fā)射。

回波信號(hào)第一次到達(dá)接收陣的信號(hào)總和為：

對(duì)上述求和后的信號(hào)作時(shí)反變換后，變換后的信號(hào)為：

將此信號(hào)由各陣元發(fā)射，經(jīng)過(guò)信道多徑的傳播，到達(dá)目標(biāo)處的信號(hào)可表示為：

信號(hào)經(jīng)過(guò)目標(biāo)的二次散射后，第2次到達(dá)接收陣時(shí)可表示為：

相反地，如果陣元、路徑不同，此時(shí)信號(hào)在時(shí)間上較為分散，不容易相干疊加，信號(hào)幅度相對(duì)主相干峰小很多，這對(duì)檢測(cè)是很有利的。

1.3 接收信號(hào)增益分析

2 仿真設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.1 單陣元主動(dòng)時(shí)反聚焦仿真

信號(hào)流程：聲源第1次發(fā)射信號(hào)，接收到目標(biāo)回波后，對(duì)其作時(shí)反變換后，由發(fā)射陣元發(fā)射出去，然后接收再次被目標(biāo)反射的回波。

仿真條件：?jiǎn)侮囋瞻l(fā)合置，陣元和目標(biāo)距水面和水底的距離都為20 m，陣元和目標(biāo)的水平距離為50 m，水面反射系數(shù)為0.9，水底反射系數(shù)為0.8，忽略吸收損失，只考慮直達(dá)波和一次反射波，忽略二次以上的聲波。發(fā)射信號(hào)是脈寬為1 ms、頻率為10 kHz的CW脈沖波。

計(jì)算可得，經(jīng)過(guò)時(shí)反處理后接收到的回波信號(hào)幅度比未經(jīng)過(guò)時(shí)反處理的回波信號(hào)幅度增加了7.8 dB，說(shuō)明了時(shí)反處理有很好的聚焦效果，但是信號(hào)波形結(jié)構(gòu)比原始發(fā)射波形要更加復(fù)雜，對(duì)于信號(hào)處理和檢測(cè)有一定的干擾。

圖1 發(fā)射信號(hào)Fig. 1 Transmitting signal

圖2 首次到達(dá)目標(biāo)的信號(hào)Fig. 2 First arrival signal

2.2 多陣元主動(dòng)時(shí)反聚焦仿真

信號(hào)流程：聲源第1次發(fā)射信號(hào)，接收到目標(biāo)回波后，將各陣元接收到的回波信號(hào)同相相加，得到接收陣總回波信號(hào)，將其作時(shí)反變換后，由發(fā)射陣元發(fā)射出去，然后接收再次被目標(biāo)反射的回波。

仿真條件：4陣元等間隔分布，收發(fā)合置，陣元間隔為10 m，靠近水面的陣元距離水面10 m，靠近水底的陣元距離水底10 m，目標(biāo)深度為25 m，接收陣和目標(biāo)之間的水平距離為50 m，水面和水底的反射系數(shù)分別為0.9和0.8，只考慮直達(dá)波和一次反射波，忽略2次及以上的反射波。發(fā)射信號(hào)與單陣元時(shí)相同。

在各陣元第1次接收到目標(biāo)的散射回波后，將其時(shí)反再發(fā)射（按照先到后發(fā)的順序），這樣信號(hào)可以在目標(biāo)處形成聚焦，圖10即為信號(hào)在目標(biāo)處聚焦：

圖3 接收陣元首次接收到的回波信號(hào)Fig. 3 The first echo received by the receiving element

圖4 時(shí)反發(fā)射后到達(dá)目標(biāo)的信號(hào)Fig. 4 The signal that arrives at the target after time reversal

圖5 接收陣元第2次接收到的回波信號(hào)Fig. 5 The second received echo signal of the receiving element

圖6 發(fā)射信號(hào)Fig. 6 Transmitting signal

圖7 首次到達(dá)目標(biāo)的信號(hào)Fig. 7 First arrival signal

圖8 接收陣各陣元首次接收到的回波信號(hào)Fig. 8 The first echo signal received by the element of receiving array

圖9 接收陣首次接收到的回波總信號(hào)Fig. 9 The sum of the first echo signals by the receiving array

圖10 第2次到達(dá)目標(biāo)的信號(hào)Fig. 10 The second signal to target

圖11 接收陣第2次接收到的回波總信號(hào)Fig. 11 The sum of the second echo signals by the receiving array

計(jì)算可得，處理后得到的檢測(cè)信號(hào)幅度比未經(jīng)過(guò)時(shí)反處理的信號(hào)幅度增加了12.4 dB，但是信號(hào)波形結(jié)構(gòu)相較于原始波形復(fù)雜得多，對(duì)于信號(hào)處理和檢測(cè)難度也很大。

另一種改進(jìn)的處理方法，將接收陣各陣元首次接收的回波信號(hào)同相相加，得到回波總信號(hào)，作時(shí)反變換后再將其發(fā)射出去，這樣第2次發(fā)射的信號(hào)不會(huì)在目標(biāo)處形成聚焦，而是被目標(biāo)反射后在接收陣處形成聚焦，進(jìn)一步提高接收信號(hào)幅度。

圖12 時(shí)反處理再發(fā)射后到達(dá)目標(biāo)的信號(hào)Fig. 12 Time reverse processing and re-transmitting signals to the target

從仿真結(jié)果計(jì)算可得，時(shí)反處理再發(fā)射后接收到的回波信號(hào)幅度比未經(jīng)時(shí)反處理的回波增加了19 dB，而且信號(hào)波形結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)時(shí)反更加簡(jiǎn)單明了，能夠克服時(shí)間反轉(zhuǎn)的不足，說(shuō)明時(shí)反技術(shù)對(duì)于提高主動(dòng)聲吶的聲聚焦有很好的效果。而且接收信號(hào)的波形對(duì)于后續(xù)檢測(cè)處理有很大的好處。

圖13 時(shí)反處理再發(fā)射后接收陣第2次接收到的回波總信號(hào)Fig. 13 The sum of the second echo signals by the receiving array

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)進(jìn)行理論分析和仿真研究，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)時(shí)反技術(shù)的改進(jìn)，可以使目標(biāo)回波信號(hào)在接收處形成聚焦。從仿真結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的主動(dòng)時(shí)反探測(cè)接收自聚焦技術(shù)不僅比傳統(tǒng)的時(shí)反技術(shù)能得到更高的回波增益，而且還能夠克服傳統(tǒng)時(shí)反技術(shù)中多徑效應(yīng)和陣列時(shí)延造成的信號(hào)時(shí)間展寬和信號(hào)波形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，可以降低信號(hào)處理和目標(biāo)檢測(cè)的難度，一定程度上降低工程應(yīng)用的難度，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。