基于主动式时间反转镜的声呐目标强度测量研究∗

赵安邦　何　呈　惠　娟　牛　芳

（1哈尔滨工程大学　水声技术重点实验室　哈尔滨　150001）

（2哈尔滨工程大学　水声工程学院　哈尔滨　150001）

基于主动式时间反转镜的声呐目标强度测量研究∗

赵安邦1,2何呈1,2惠娟1,2†牛芳1,2

（1哈尔滨工程大学水声技术重点实验室哈尔滨150001）

（2哈尔滨工程大学水声工程学院哈尔滨150001）

为提高目标强度测量过程中的抗噪声、混响以及浅海多途干扰性能，从军标文件中的目标强度测量方法以及主动式时间反转镜的基本原理出发，经过研究和推演，发现可将基于单阵元的主动式时间反转镜与相关器结合应用于目标强度测量过程，提出了一种新的目标强度测量方法。该方法利用了主动式时间反转镜的抗多途特性，使得测量具有抗多途的性能；利用噪声与信号的不相关特性，算法结合相关器起到了很好的抗随机噪声效果；混响中的体积混响是随机的，算法具有抗体积混响的性能。论文分别从理论仿真和水池实验验证了算法的有效性和正确性。

时间反转镜，目标强度测量，应答器，抗干扰

1　引言

声呐系统的探测性能、材料的吸声性能以及目标的隐身性能都需要以测量目标强度（Target strength，TS）作为参考依据。TS在声纳方程中占据重要地位。用于评测声纳的目标探测距离，或在一定距离范围内分析声纳的探测性能。TS的准确测量具有重要的理论意义和实用价值。

目前关于实艇TS测量的研究主要集中在三个方面，建模仿真测试［1-2］、分解为亮点模型［3］以及实艇海试［4］。其中以实艇海试为最直接有效的方法。由于实际测量环境的复杂性，由不同人员操作、在不同时间测试或不同环境测试的结果都相差较远，TS的测量结果总是偏差大，起伏高达十几dB。海洋环境噪声、混响干扰以及浅海多途效应是造成TS测量误差大的最重要因素。如何降低TS测量过程中的干扰以及提高TS的测量精度成为了本文研究的重点。

文章从主动时间反转镜（Active time reversal mirror，ATRM）的原理出发，多次精简时间反转镜的布置方式，使之适用于TS测量。分别推导ATRM与TS测量的表达公式，发现将ATRM的回波与发射信号做卷积刚好与TS的表达式一致。然后对提出的新方法进行了全面深入的分析，重点讨论了算法的抗干扰性能。

2　主动式时间反转镜

时间反转镜技术［5-8］利用了声场中互易原理。图1是时间反转镜的研究模型。图中PS（Point source）为一个点声源，SRA（Source-receive array）为收发合置换能器阵，VRA（Vertical receive array，VRA）为垂直接收阵。

图1　时间反转镜试验示意Fig.1 Time reversal mirror test schematic

图1中SRA由多个收发合置的换能器组成，用于接收信号并发射时反信号，VAR由多个接收水听器组成，记录不同深度的能量信号，用于验证时间反转镜的聚焦性能。

由互易原理得到原声源处的时间反转声场为

式中，zps为PS的位置，zj为阵元j的位置，Gω（zj，zs）为声源与接收阵元间的声场，Gω（zs，zj）为接收阵元与声源间的声场。

式中，当z=zps时，时间反转声场Ppc（zs，ω）为声场格林函数的频域相位共轭相乘，即时域自相关输出，具有明显的相关峰值。

对图1进行简化，将图中VRA和PS替换为收发合置换能器A，将SRA换成收发合置换能器B，最终简化图为图2所示。

图2　时间反转镜简化示意Fig.2 TRM simplified schematic

3　声呐目标强度测量

3.1公式推导

在各种声呐目标强度测量方法中，“应答器”法具较好的测量效果，这种方法对换能器不需要绝对校准，也不需要测量声传播损失［9］。文献［10］以“应答器”法为基础，提出了“回声转发器”法，即在待测目标附近安装回声转发器，将接收到的测量信号放大K dB后转发回测量端。TS的计算公式见式（2）。

式中，Ud为接收水听器（阵）接收到的目标回波的有效值电压；Ua为接收水听器（阵）接收到回声转发器发射声脉冲的有效值电压。

使用“回声反转法”测量TS时，回波分为两部分，分别为应答器的回波ya（t）和目标的回波yd（t），如公式（3）、（4）所示。

式（3）中，A表示回声转发器的幅度增益，K=20lgA。

根据有效值的定义，得到

3.2应用主动式时间反转镜

对图2中的模型进一步精简，将换能器A和B放置在同一位置附近，待测目标放置在远场位置，示意图如图3所示。

图3　放入待测目标后进一步精简Fig.3 Further streamlined with a test target

收发合置换能器A发射测量信号x（t），信号经过声信道入射到目标，目标回波经过信道到达换能器B，此时换能器B接收到的信号为

式中，n1（t）为噪声信号，hc（t）为信号两次经过信道的时间响应，ht（t）为待测目标的时间响应。

将信号y（-t）从换能器B发射，目标的回波到达换能器A，此时换能器A接收到的信号为

将信号y′（t）经过函数为x（-t）的匹配滤波器滤波，得到公式（9），

由于信号与噪声几乎没有相关性，公式（9）变为

根据前面时间反转与自相关的关系可知，x（t）∗y′（t）为信号x（t）∗hc（t）∗ht（t）的自相关函数，有明显的相关峰值，且峰值大小Pt为

对比公式（6）和（11）可以发现，

式中，T为测量过程中截取的信号x（-t）∗y′（t）的时间长度。

同理，将公式（11）中的ht（t）换成（A·δ（t）），可得到针对回声转发器做时间反转和匹配滤波后的峰值Pa，

此时，

将公式（12）、（14）带入公式（2），得到

由此可知，TS可应用ATRM进行测量。

由于换能器A和换能器B的位置接近，且均为收发合置换能器，可合并为一套设备。

4　仿真实验

测量示意图如图3所示。图中测量端与目标相距d=400 m，水深H约为110 m，目标和测量端都处于水下h=50 m深度。水域的垂直声速使用某水域的实测值，其分布如图4（a）所示。使用“Sonar206”软件模拟计算出多途水声信道的时间传递函数hc（t），如图4（b）所示。

测量信号使用3～6 kHz的线性调频信号，脉冲宽度为10 ms。应答器的增益为0 dB，待测目标的目标强度值为6.1 dB。图5为使用“回声转发器”法时目标的回波，可以看出测量信号受多途水声信道和待测目标的作用后，回波杂乱，起伏不定。图6为使用“时间反转镜”法时的匹配滤波器的输出，从图6中可以观测到明显的峰值，说明目标的回波能量在测量端得到聚焦。

图4　水声信道参数Fig.4 Underwater acoustic channel parameters

图5　“回声转发器”法目标的回波Fig.5 The target echo of“echo repeater”approach

测量过程中，回波信号包含有用信号和噪声信号，因此公式（2）可变为

式中，Un为噪声作用下产生的额外电压。测量误差如公式（17）所示。

当噪声小时，Un≪Ud，公式（16）接近理想值；当噪声大时，Un≫Ud，公式（16）的计算结果有偏差。通过公式（17）可知，偏差的最大值为lg（Ua/Ud）。如图7（a）所示，为应用“回声转发器”法测得的TS值与信噪比关系的仿真图。从图7中可以看出，随着信噪比的降低，测量误差趋近于6.1 dB。

图6　时间反转镜法目标的回波（经过匹配滤波器）Fig.6　The target echo of time reversal mirror method（after the matched filter）

图7　误差—信噪比曲线Fig.7 Error-SNR curve

图8　测试示意图Fig.8 Test schematic

图9　主动时间反转镜实验Fig.9 ATRM experiment

应用“时间反转镜”法可以使得测量信号在测量位置得到聚焦，具有较强的抗噪声能力。通过仿真所得到误差曲线如图7（b）所示，与图7（a）对比发现，“时间反转镜”法在0信噪比附近仍然有很好的表现。

5　水池实验验证

水池实验示意图如图8所示。水深5 m，发射1和接收1均处于水深2.5 m，目标处于水深5 m，发射2和接收2处于水深3 m。接收2放置在目标的后下方，减小了目标的反射声波对直达声测量的影响，同时能够放置在离目标体较近的位置。图8中，圆柱的直径为0.53 m，长度为2 m。

声纳发射信号为LFM，脉冲时间宽度为2.5 ms，频率范围f=50 kHz～60 kHz。图9（a）为目标端接收到的直达声信号，从图中可看出发射的线性调频信号受多途干扰严重。图9（b）中红色方框内为目标的回波，从图9（b）中可以看出，目标的回波受混响干扰严重，几乎被混响淹没，同时由于回波受到两次多途干扰，在时间轴上被拉长多倍。

图9（f）为ATRM后目标的回波得到了聚焦，在混响干扰下能够观察到明显的矩形脉冲，说明ATRM起到了有效的抗多途干扰作用。图9（h）为图9（f）经过匹配滤波后的输出，从图中可观察到明显的单一峰值，混响的干扰并不明显，说明算法具有很好的抗混响性能。

从图9（h）和图9（i）分别提取峰值的取值，得到Pt=6.1574×105，Pa=5.5630×105，应答器增益为K=21.24dB。将以上参数代入（15），得到

6　结论

对时间反转镜进行了分析和归纳，结合目标强度测量过程的公式推导，得出可将时间反转镜技术用于TS值测量过程的结论。通过进一步仿真研究发现，时间反转镜技术用于TS值测量可明显提高抗噪声能力，且能够在负信噪比情况下测得较准确的目标强度值。同时利用时间反转镜的聚焦作用，将声能聚焦在目标上，能起到提高目标回波信混比，抑制混响的作用。

由于单收发合置换能器的声源级和接收灵敏度有限，且抗混响能力弱，因此结合声阵列进行TS值测量将是下一步研究的重点。

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Sonar target strength measurements using time reversal mirror∗

ZHAO Anbang1，2HE Cheng1，2HUI Juan1，2†NIU Fang1，2

（1 Acoustic Science and Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

（2 College of Underwater Acoustic Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

In order to improve the anti-noise,reverberation and shallow multipath interference performance of target strength measurement,it's found that a single element array based on active time reversal mirror technology and correlator can be used in target strength measurement process after the deduction and research of an army standard file about target strength measurement methods and basic principles of active time reversal mirror.Then,a new target strength measurement method is proposed.The method has the performance of antimultipath by utilizing the multi-path focus characteristics of active anti-time-reversal mirror.The algorithm is able to play a very good performance of relevant anti-random noise effects by utilizing in noise and signal characteristics not related.The algorithm has anti volume reverberation performance because of the random of volume reverberation.The validity and correctness of this algorithm have been confirmed by the theoretical simulation and pool experiment.

Active time reversal mirror,Target strength measurement,Transponder,Immunity

TB56

A

1000-310X（2015）01-0079-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.01.012

2014-03-22收稿；2014-10-05定稿

∗国家自然科学基金（11374072，61371171），公益性行业（海洋）科研专项基金（gz201005001），国家自然科学基金青年科学（51009041）

赵安邦（1978-），男，山东菏泽人，教授，博士生导师，研究方向：水声多媒体通信、水声信号处理、目标检测、定位与导航。

E-mail：huijuan@hrbeu.edu.cn