深海聲傳播信道和目標被動定位研究現狀
|
|
深海被動定位
水聲信號處理發展歷程可以分為兩個階段：第一階段為傳統水聲信號處理方法，聲波假設為平面波，并且假設聲場各向同性，在此基礎上發展了豐富的陣列信號處理方法，并且使用匹配濾波技術提高處理增益。第二階段將水聲物理納入水聲信號處理體系中，這一階段海洋聲學和水聲傳播理論成為研究熱點，匹配場處理（matched field processing，MFP）是這一時期最具代表性的目標定位方法。
在深海環境中，多途干涉是聲傳播的重要特征之一，在時域和空域分別用多途時延和多途到達角表征。本部分首先介紹匹配場處理在深海的應用情況，然后結合深海聲傳播的多途特征，概述可靠聲路徑條件下目標被動定位的研究進展。
匹配場定位
對水聲信道傳播特性的深入研究，使人們逐漸重視海洋波導環境的復雜性對水聲信號處理的影響。匹配場處理將海洋物理場納入到信號處理框架中，將實際測量的水聲數據與由模型得到的拷貝場作互相關，求得一個模糊表面，實現目標定位。
匹配場定位方法在深海被動定位中的應用，最早的實驗研究可追溯至?20?世紀?80?年代，Fizell?和?Wales使用一個垂直線列陣成功定位到?260?km?遠處的低頻聲源信號；隨后，Yang使用同一組數據利用模態分解的方法也成功實現了聲源距離和深度的估計。Transfer?和?Hodgkiss報道了在太平洋東北部進行的深海匹配場被動定位實驗結果。實驗中使用了兩種聲源：一種是定深拖曳聲源；另一種是聲源距離固定，聲源深度變化。研究結果表明，無論常規匹配場處理器還是最小方差無畸變匹配場處理器都能在聲源距離估計上取得較好的效果，但是聲源深度估計結果模糊太大。Westwood報道了在墨西哥灣進行的寬帶匹配場定位實驗結果，利用寬帶頻間相關匹配場處理，成功實現了?43?km?以內聲源的定位，實驗結果表明增加信號帶寬可以提高定位精度。陳連榮等研究了高斯射線束方法在深海匹配場定位中計算拷貝場時的適用性問題。
盡管有諸多實驗成功驗證了匹配場處理在深海被動定位中的有效性，但是匹配場處理對模型誤差的敏感性問題一直沒有很好的解決辦法；此外，為了得到更好的定位效果，理論上需要大孔徑陣列以減小定位模糊，然而這種陣列的工程實現也非常困難，因此傳統匹配場處理技術在深海定位應用中難以取得突破性進展。