基于时反处理法的水下目标主动探测研究

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1、基于时间反转法的水下目标探测指导老师：廖成学生：周亮学号：12111043概论时反处理技术是一种新颖的自适应信道匹配技术，它可以在不预先知道信道特性的基础上对信道进行自适应匹配。时反处理能在不均匀的波导环境下将信号能量聚焦在特定的目标处，其聚焦功能主要通过时反阵列来实现。信道越不均匀，其聚焦性能越好。时反阵列是由多个垂直分布的时反阵元组成，每个时反阵元都具有接收、存储、处理和发射波信号的功能，它能是对接收到的信号进行时间反转，然后再重新发射到原信道中。通过时间反转和重新发射实现对未知信道的自适应匹配，消除不均匀介质产生的多径效应。由于降低了多径效应对通信的影响，因而所以增强了通信系统的抗干扰性

2、能。在水声通信中如果能充分利用时反处理法的聚集特性，将能有效的克服水声信道因声速不均匀和水面及水底反射的多径效应以及相对移动产生的多普勒频移等因素引起的信号畸变，能极大地提高通信的速率和扩大通信距离。信道特点海洋覆盖了地球表面百分之七十以上的面积，蕴藏着丰富的生物和矿产资源，海洋资源的探测与开发，日益受到世界各国的重视。虽然卫星定位系统的发展使整个地球表面以及地球的大部分外部空间实现全天候定位、导航，为太空探索和开发提供了方便的导航和定位定轨手段。但是无线电波无法穿透水，特别是海水。因此，卫星定位系统无法之间满足对于广大的江河、湖泊、海洋等水下导航和定位的需求。尽管无线电波不能够在海水中传播，

3、但是，声音信号在海水中却确有很好的传播特性。通过水声信号在水中的传，可以实现水下定位、导航、探测等。水下声(UWA，UnderWaterAcoustic)通信在军用通信、海洋环境监测、海上石油开采和遥感勘测等方面都有广泛应用。信道特点在海洋这个特殊的传输介质中，通信信道除受到带宽的限制外，信号还会受到海面、海底沉积层的反射和散射以及水流、暗涌及其它混响的影响，这使海洋信道有明显的多途特征，最终导致信号能量的衰减、波形在时间、空间发生畸变，产生码间干扰(ISI)。由于声传播的几何损失与海水介质声吸收相关，因此水声通信的距离和工作频段都受到限制。频率越低、声衰减就越小，作用距离也就越远。然而，通信

4、的数据传输速率与带宽成正比，工作频率越高，可以携带的信息就越多。因此，如何解决作用距离与数据传输速率之间的矛盾成为水声通信研究的首要课题。信道特点从通信的观点看，海洋是目标信号传播至接收点所经的声信道。理想的信道应该能无畸变的传递信息。但海洋是复杂多变的，海底、海面的反射和散射使得海中任何一点接收到的声信号都是许多传播途径的叠加，即所谓的多途效应。多途效应会使接收信号的时域特性畸变(时延扩展)、振幅和相位起伏(频率扩展)、以及去相关，从而影响声呐信号处理的性能。海洋介质是非均匀的，海水中各自的声速随该处的温度、盐度和深度的不同而异。这种不均匀性使得海洋中的任何一点的声速都是一个时间的随机变量，

5、这样会使声束产生弯曲，同时使声音的聚焦点散焦，造成图像的失真或模糊，最终导致检测能力的降低和估计的精确度下降。信道特点在水声信道中，信号的传播过程受到水体对声能的吸收和波阵面的扩展，导致信号的衰落；水面和水底对声波的散射和反射导致了多途现象，使信号传输到达目的地时有时延差及重叠；声源和目标之间的相对移动导致多卜勒频偏，还有水体的不均匀性以及水下存在大量的干扰噪声，都使水声信号产生畸变。因此，水声信道的时、空、频变特性给水声通信技术提出了很高的要求。水声通信技术在近几年发展很快，人们对水声通信的研究取得了一定的成果，但不能同时满足通信距离、通信速率的要求。如何消除干扰，抑制混响，提取有效的目标信

6、号用于目标的探测和定位；如何进行有效而高速的通信一直是研究的重点。如何有效地消除水声信道中的多径效应，多普勒频偏及各种噪声干扰，学者们提出了利用时反处理法来补偿抵消这些负面效应。经验公式基线定位系统起源和发展时间反转技术来源于光学中不均匀介质的相位共扼(PC:PhaseConjugate)成像法，其后又将连续波的相位共扼法发展到脉冲波的时间反转(TR:timeReversal)法，以实现对目标的自适应聚焦和聚焦检测。声学时间反转法(TRATimeReversalAcoustic)是由多个收发合置的传感器组成的基阵对入射声波进行采样、量化、存储、时反和再发射，它所完成的这些内容可以使不均匀介质中

7、的入射声波在原声波发射的位置形成聚焦。完成时反过程的主要装置称时间反转镜TRM（TimeReversalMirror），TRM是由多个具有线性响应的收发合置的传感器组成的基阵，对入射声波进行采样，量化，存储，时反和再发射。时反处理水下波导中,用换能器阵列激发一个声脉冲时,由于多径传播,在一定距离处接收到的信号中包含多个脉冲,如果阵列发射的是一个脉冲串的编码序列,则接收到的编码信号将产生严重的畸变,