Page 15 - 《应用声学》2021年第6期

第 40 卷 第 6 期 刘帅京等： 稳健声线扰动特征用于浅海小目标定位 811

变化的影响较小，因此提出了基于稳健声线扰动特
0 引言
征的目标定位方法，该方法利用蛙人穿越发射阵和
港口浅海区域的水下监视系统对港口的安全 接收阵组成的垂直平面时引起的稳健声线扰动特
防护具有重要的意义。北约水下研究中心 (NATO 征，从而实现动态信道变化条件下的小目标定位。
Undersea Research Centre, NURC) 提出了将垂直
发射阵和垂直接收阵组成的声学绊网用于水下入 1 基于稳健声线扰动的目标定位方法
侵目标的探测 [1] 。前向散射信号的强度比其他方向
1.1 目标引起声场扰动的波动理论
的信号强度更强更稳健，应用前向散射信号进行目
令G(ω; r r , r s )表示声源r s 到接收点r r 之间的
标探测具有探测距离远、受其他方向影响小等优点，
格林函数，ω 为信号的角频率，在各向同性的介质
然而前向散射信号受到强直达波的干扰造成前向
中，格林函数满足亥姆霍兹方程，即
散射信号的检测十分困难 [2−3] 。在近距离的小目标
( )
探测问题中，信道起伏变化引起的声场扰动可能会 ρ(r r )∇ · 1 ∇G(ω; r r , r s )
ρ(r r )
淹没前向散射信号引起的扰动，因此需要研究稳健
ω 2
的目标探测和定位算法，以适用于动态的海洋环境。 + G(ω; r r , r s ) = −δ(r r − r s ). (1)
2
c (r r )
当目标位于发射和接收的连接线附近时，目标
当介质中的传播速度 c 和密度 ρ 发生局部扰动
的前向散射信号与直达波信号产生 “遮蔽效应”，造
变为c + δc和ρ + δρ时，扰动后的格林函数 G + δG
成接收信号的能量减小，引起一些特定路径的声线
满足
发生扰动，应用这一特性，可采用扰动声线类的方
( )
法实现浅海的目标定位。Folegot 等 [1] 提出将目标 1
(ρ + δρ)∇ · ∇(G + δG)
引起的扰动声线进行几何交汇实现目标定位，并通 ρ + δρ
ω 2
过处理 BARRIER-04 的实验数据验证了算法的有 + (G + δG) = −δ(r r − r s ). (2)
(c + δc) 2
效性。Marandet 等 [4] 开展了应用超声波的等比缩
根据文献 [4] 中的推导，在一阶 Born 近似的条
放实验模拟了浅海环境，并利用扰动声场的波动理
件下，位于r 处的小目标引起的扰动格林函数为
′
论将目标定位问题转化为声场波阻抗的反演问题。
Yildiz 等 [5] 应用多基地系统，采用基于数据的扰动 δG(ω; r r , r s , r ) =
′
声压敏感核方法实现了目标定位。 ∫∫∫ ω 2
′
′
唐浩等开展了湖上实验，应用 20 ∼ 28 kHz 的 − G(ω; r r , r )G(ω; r , r s ) 2 ′
V c (r )
线性调频信号将扰动声线类算法用于自然环境中 { δc(r ) δρ(r ) }
′
′
3 ′
× 2 + [1+cos(φ s + φ r )] d r , (3)
的小目标定位，用小尺寸的充水铁球代替目标，利用 c ρ
声压敏感核的空间分布与声线传播路径保持一致 其中，φ s 表示向量 r r − r s 和向量 r − r s 之间的夹
′
的特性实现了基于扰动声压敏感核的目标定位，并 角，φ r 表示向量 r s − r r 和向量 r − r r 之间的夹角，
′
对阵列、海底起伏等因素进行了分析 [6−7] 。 散射角φ s 和φ r 的示意图如图1所示。
以上的研究和实验都是在较为平稳的环境下
进行的，平稳环境中可以假设目标引起的声场扰动
rϕ ϕ s+ϕ r
远大于信道自身变化引起的声场扰动，然而在海洋
环境中，高频条件下的信道起伏对声场的影响较大，
ϕ r
接收信号的到达结构因信道变化存在不稳定性，从 ϕ s r r
而会影响扰动声线类目标定位算法的性能。为此， r s
本文开展了港口浅海环境的蛙人穿越实验，实验中
图 1 目标散射角度的示意图
采用了中心频率为 22.5 kHz、带宽为 15 kHz 的线性
Fig. 1 The illustration of the scatter angles
调频信号。从实验中的声场扰动情况可知，虽然动
态海洋环境中的接收信号存在不同程度的起伏，但 从式 (3) 可以看出，目标引起声场扰动的本质
是仍然有一部分传播声线对应的接收信号受信道 是目标所在位置的声速和密度发生了变化。