Page 44 - 《应用声学》2025年第1期
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应用于 TMA 运动方程求解。针对收敛时间较长的 算法的收敛速度和定位精度。
问题,需要引入声源距离等额外信息,作为 Kalman
3 MFP方法
滤波中状态方程的约束条件 [44] ,例如,从浅海低频
声场特征中提取声源距离有关的特征量 [45−47] ,引
MFP 是在已知声场模型和接收信号的基础上,
入纯方位 TMA方法,可以缩短算法收敛时间、提高
反演声源位置的一种方法,其原理相当于广义的波
运动参数估计精度。
束形成器 [60] 。首先依据环境参数、利用声传播模型
针对观测阵非机动情形,也需要引入声源方位
计算空间搜索范围内的声压场以构建拷贝场向量,
以外的运动参数信息。声源信号线谱的多普勒频移
再将基阵测量场数据 (通常为频域数据向量或协方
蕴含径向速度信息,方位 -频率 TMA 方法 [48] 联合
差矩阵) 与拷贝场向量进行空间相关得到模糊度表
利用声源方位和多普勒频移估计声源运动参数,该
面,最后通过寻找最大相关系数对应的距离、深度来
方法需要准确估计多普勒频移,比较适合对快速移
估计声源位置。除了常规相关匹配之外,结合高分
动的中高频线谱声源进行定位。考虑到被动探测通
辨波束形成算法,可改进 MFP 定位的性能。例如,
常缺少声源中心频率的先验信息,可将中心频率放
结合最大熵波束形成、最小方差无失真响应等算法,
入状态向量中进行实时估计 [49] ;在多线谱条件下,
可在低信噪比环境下显著降低模糊度表面的旁瓣、
可采用批处理算法融合多线谱频率信息,提升运动
提升主瓣分辨能力 [61−63] 。此外,利用黎曼距离代
参数估计性能 [50] ;当目标声源机动时,航向估计值、 替欧式距离进行匹配,也可达到减小主瓣宽度、抑
滤波残差等参数会发生改变,可动态调整过程噪声 制旁瓣的效果 [64] 。
协方差矩阵以适应机动声源 [51−53] 。方位 -径向速 20 世纪 80 年代开始,MFP 方法被逐渐应用于
度 TMA 方法 [54−55] 无需提取线谱,而是对波束域 深海声源定位。研究人员在东北太平洋海域,利用
信号互相关进行谱分析,直接估计目标径向速度,并 接收深度 400∼1300 m 的垂直阵,对165 km 远的单
联合声源方位进行运动参数估计,但该方法同样要 频连续波声源实现距离估计,但深度估计结果存在
求声源辐射信号存在线谱,难以适用于连续谱信号。 较大模糊;在 25∼325 km 的长距离定位实验中发现
时空累积 TMA 方法 [56−57] 以水听器接收信号作为 了会聚区模糊现象,即模糊度表面在会聚区距离出
输入,通过长时间的时空累积得到平均时空谱,将 现较强旁瓣,如图6所示 [65] 。当阵元数较少时,宽带
信号检测与运动参数估计融为一体,提升低信噪比 相干 MFP 定位方法可对 43 km 内的运动声源进行
下的检测与跟踪能力,其代价是较长的积累时间和 连续测距,且通过增加带宽能够提高定位精度 [66] 。
较大的计算量。对于浅海环境中的水平阵,TMA-匹 随着高斯射线束、广义相积分简正波 (WKBZ) 理论
配场定位方法 [58] 能够结合 TMA 在正横方向的定 以及并行计算技术的发展,深海拷贝场的计算效率
位能力和匹配场在端射方向的定位能力,实现较好 也得到显著提升 [67−69] ,可提高深海匹配场定位的
的全向定位性能,其代价是计算量大幅增加。对于 计算速度。
深海环境中的水平阵,由于方位角估计存在显著偏 由于 MFP 利用声压域的全部信息,其性能受
差 [59] ,TMA方法的适用性有待进一步研究。 到实际海洋环境与声场模型失配的严重影响,因此
综上所述,TMA 方法通过处理序贯信息,不仅 提高定位宽容性至关重要 [70] 。借鉴稳健波束形成
能够实现声源的较准确定位,还能联合估计声源的 器的设计思路,牺牲模糊度表面的主瓣宽度,可换取
运动状态参数。与三元阵方法及聚焦波束形成方法 噪声和旁瓣抑制效果,以降低MFP对环境参数失配
相比,TMA 在远程定位方面展现出较大的优势,其 的敏感性 [71] 。匹配模处理(Match mode processing,
代价是需要较高的目标方位估计精度和较长的连 MMP) 方法是另一种宽容性定位方法,通过模式分
续观测时间。在海底反射声传播模式下,水平阵的 解后筛选对环境参数失配比较宽容的模式来进行
测向偏差会引起定位误差,测向随机误差则会显著 声源定位 [72−73] 。差频匹配场(Frequency-difference
延长算法收敛时间;在会聚区模式下,由于会聚区宽 MFP, FDMFP) 是近年来发展的一种新技术途径,
度往往只有几千米,TMA 方法的观测时间严重受 该方法通过差频自积处理,将匹配处理的声源频率
限。研究人员正致力于优化滤波算法、构建更加合 移动至远低于信号带宽的频率上,对环境失配具有
适的观测模型和运动模型,有望进一步提升 TMA 较好的宽容性 [74−77] 。