基于匹配场处理的目标深度分辨分析
基于匹配场处理的目标深度分辨分析
本课题来源于水声探测的实际问题，其目的在于实现典型海域水下目标匹配场处理被动定位，以便适应军事、民用等领域对于水下目标探测与定位的需求。
匹配场处理是利用海洋环境参数和声传播信道特性，通过水下声场模型计算得到接收基阵的声场幅度和相位，形成拷贝场向量，并与基阵接收数据进行“匹配”，从而实现水下目标的被动定位和海洋环境参数的精确估计。匹配场处理技术近年来在水下目标检测、被动定位、海洋环境参数反演等方面的应用受到广泛的关注。在过去的近20年里，国内外许多专家学者进行了这方面的研究，并表现出了极大的兴趣。匹配处理技术自20世纪90年代中期以来，一直是国际上水声学领域的研究热点之一。
匹配场处理技术得益于信号处理技术与水声物理学的交叉。它在处理接收得到的水声信号时，最大限度地利用了水声信道模型、基阵设计以及窄带和宽带相关处理技术，因而与传统的淡化信道的信号处理技术相比，具有鲜明的特色。正是因为匹配场处理技术的性能优势，并且在实际中有重要而广泛的应用前景，因而得到了国内外学者的高度重视与深入研究。至今，从匹配场被动定位和匹配场反演的原理、方法、性能分析，得到实验设计、数据分析等诸多方面都有大量的成果面世。匹配场技术已经进入全面繁荣发展的新阶段，部分匹配场处理方法已经在工程实际中发挥着重要的作用。
本文以典型海域水下目标的匹配场被动定位为主要目的，整个设计过程分为声场建模部分和匹配场实施部分，分别进行理论分析和仿真实验，最终实现水下目标的匹配场定位，同时对于匹配场处理被动定位技术进行进一步的前景展望。20191110213215
关键词：基阵；目标检测；匹配场处理；被动定位
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 被动水声定位技术概述 1
1.2.1 传统被动定位技术 1
1.2.2 传统被动定位技术面临的问题 4
1.3匹配场被动定位技术国内外研究概况 5
1.3.1 国外研究概况 5
1.3.2 国内研究概况 6
1.4本文内容安排 7
第2章 相关基础介绍 8
2.1 AT工具箱简介 8
2.1.1 模型结构 8
2.1.2 算法原理 8
2.2 匹配场处理的基础知识 9
2.2.1 基本概念 9
2.2.2 匹配场技术发展史 10
2.2.3 匹配场被动定位原理 13
2.2.4 匹配场被动定位关键技术及发展趋势 13
第3章 实施匹配场处理被动定位 22
3.1 典型海域的水声声场建模 22
3.1.1 理论分析 22
3.1.2 仿真实现 22
3.2 匹配定位 26
3.2.1 理论分析 26
3.2.2 仿真实现 26
第4章 总结与展望 30
4.1 课题总结 30
4.2 前景展望 30
参考文献 32
致 谢 34
附 录 35
一、声场建模部分源程序 35
二、匹配场处理部分源程序 36
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
众所周知，地球表面百分之七十以上的面积是海洋，海洋中蕴藏着丰富的生物、矿产资源，随着经济社会的飞速发展以及世界各国对于能源需求的猛烈增加，伴随着二十一世纪这个海洋世纪的来临，人们逐渐开始重视海洋资源的探测与合理开发，全面深入地认识、合理适度地利用和保护海洋具有及其重要的战略意义。开发利用海洋资源、海洋与全球变化、海洋生态研究与人类维持自身发展和拓展生存空间有着密切的关联，充分开发和利用海洋资源是最为切实可行的途径。
海洋开发需要获取高精度、大范围的海洋环境数据，需要进行适当的海底勘探、取样、施工等；并且，如今海战也逐步发展成为涉及太空、空中、海面和水下的多空间的立体战争。海洋技术应用的领域广泛，包括：海洋观测、水声研究、资源勘探开发、生物资源开发、海洋能源利用、海上交通、海水利用、海洋空间利用，以及深港技术等现代高新海洋技术。
人们在海洋上进行海洋工程、运输和军事等方面的活动时，对于目标位置的探测起到了至关重要的作用，因此，海洋目标定位特别是水下定位技术是开发海洋资源与发展海洋技术的基础[1]。在今天海洋高新技术的不断引入和支持下，海洋定位技术显得尤为重要，它在探测海底环境、建设海底工程、开发海洋资源、发展海洋科学和维护国家海洋权益等多方面发挥了极其重要的作用。因此，越来越多的专家学者纷纷加入到水下定位技术研究的队伍中，也产生了不少优秀的研究成果，并有相当一部分研究成果已经投入到实际生活实践之中。
1.2 被动水声定位技术概述
声纳按照工作方式一般分为主动声纳和被动声纳。对于被动声纳，由于它不发射声波，它具有很好的隐蔽性，且具有作用距离远、不容易被发现等优点，在军事领域中有着很好的应用前景。近年来，世界各国都加紧了对被动定位技术的研究和开发，被动定位技术受到广泛的重视。随着水中兵器作用距离和打击精度的提高，对被动声纳的定位性能提出了更高的要求，远程定位问题引起人们的广泛关注，出现了多种新型的定位方法。
1.2.1 传统被动定位技术
传统的水声被动定位技术是六十年代研究开发出来的，这类定位技术利用沿不同距离路径传播的水下声脉冲间的时间差或相位差对水面、水中目标进行定位，其典型代表就是三子阵法和球面内插法[2]。三子阵被动测距方法是己经实用化了的被动定位技术，它是六十年代后期出现的噪声测距方法。它利用时延估计技术求出到达三个基阵的相对时延，然后得到目标的方位和距离。但是，三子阵定位方法对水声信道进行了简化，三子阵系统是在同一平面内进行定位的，它不考虑信道声速的垂直分布，也不考虑信道的多途效应。不过这种定位方法算法简单，而且对近距离声源定位能达到较高的精度，目前在工程上已经得到广泛应用。
目前存在的被动定位主要有以下几种主要方法[4]：
1、三子阵法：基于球面波或柱面波波前，测距精度依赖于时延估计精度，与目标方位、距离、基阵安装精度、基阵孔径等因素有关；
2、目标运动分析（TMA）方法：基于目标方位历程，包括纯方位TMA、频率-方位TMA、多途TMA等多种方法；
3、被动多途测距方法：基于三角测量原理，其定位精度受多途结构预测的影响；
4、聚焦波束形成方式：基于球面波假设，这是一种近场定位方式；
5、模基定位方法：基于声场模型，如匹配模（MMP）、匹配场（MFP）、被动时间反转（PTRM）方法，此类方法需要根据实际环境参数建立信道模型来计算拷贝声场。
其中方法1到4基于球面波、平面波假设，没有利用声速剖面等水声信道环境信息；方法5基于声场建模来实现被动定位，利用了环境信息，但限于只使用一个声纳基阵（单点）对目标进行探测，仅有一个视角，而方位分辨力又有限，所以无法分辨同一方向附近不同距离的目标。
传统的被动定位方法，如球面内插法和三子阵法，利用柱面波或球面波波前曲率的变化，通过测量各基元的相对时延，估计目标的距离和方位，测距精度与目标距离、方位、时延估计精度、基阵安装精度、基阵孔径等因素有关，其中时延测量精度是关键，然而对于有限的基阵孔径，随着声纳探测距离的增加，波前曲率的变化越来越小，加上信道传播起伏的影响，距离信息的提取以及时延的精确测量变得越来越困难，因此传统的定位方法难以应用于远程定位，必须寻求新的方法。
目标运动分析（TMA）作为当前声纳系统的一项主要功能，国际上很多专家学者对此进行了广泛而深入的研究，这是目前一种在技术上较为成熟的远程定位方法。传统的目标运动分析（TMA）方法的基础是平面波传播模型，实现方式主要包括纯方位TMA、频率—方位TMA。纯方位TMA仅利用方位信息估计目标运动参数（速度、距离、方位等），为了解决可观测性问题，观测平台要求机动，这限制了该方法的实际应用；频率—方位TMA即利用观方位估计目标运动参数和测量频率，频率信息的引入，使得该方法不要求本机动，实用性有所提高。但传统的TMA检测在先，定位在后，要求足够高的信噪比，以便在短时间内获得方位估计值或可靠的频率和，保证了TMA算法的有效实施。显然，随着声纳作用距离的提高，传统的TMA方法越来越难以满足实用要求。为了在远距离、低信噪比情况下，获得可靠的TMA解，相继出现了许多改进的TMA方法。其中之一就是时空综合被动定位方法(STI)。该方法将检测与定位融为一体，突破了传统的目标运动分析方法的局限性，直接以原始的水听器观测数据进行运动分析，通过对不同时刻频率方位谱的动态合成，同时完成检测、定位、跟踪和运动分析。
因为在能量积累过程中允许方位和频率随时间变化，积分时间不受限制，可充分利用观测数据的长度；而积分时间的增加，很大程度上增强了低信噪比时弱信号的检测能力，而在信号比较弱时，短时频率方位谱无明显谱峰，或者由于传输信道的影响，造成在某段时间内信号衰落的情况下，利用该方法仍可有效地进行检测、定位、跟踪和运动分析，由于不必给出方位和频率的测量值，因而避免了峰值检测、谱峰跟踪等信号处理问题中的难点，便于自动实现运动分析算法。
考虑到浅海中声传播特性复杂，平面波波束形成的性能严重下降，TMA新的发展趋势将是结合环境信息，进一步提高性能，并且出现了联合TMA/MFP定位方法[5]，即在时空综合被动定位方法中考虑传输信道的影响，综合利用信道传播特性、信号幅度及方位和频率的时变性确定目标位置。当声场的波导效应比较明显信噪比很低时，TMA与MFP的有机结合，使之无论在端射方向，还是正横方向都可获得较好的定位性能，但是计算量也显著增加了；另一种研究较多的方法是多途TMA，这种方法利用方位和多径时延进行定位，其主要优点：收敛速度快，具有实现运动目标的快速跟踪的可能性；更适用于处理宽带信号，对于被动定位而言，这一点具有重要的实际意义。
TMA方法定位的关键在于利用目标运动的动态信息。此外，与三子阵定位法相比，TMA算法的计算量显著增加，因此，算法的快速实现也是研究的关键。
另一种解决远程定位问题的方法是匹配场处理（MFP）方法[6]。匹配场处理方法的提出是水声信号处理领域的一个重大进展。由于充分利用了声源、信道和环境等一切可利用的信息资源，有望给声纳性能带来根本性的改变。基本原理是，采集水听器测得的声场数据，选择一个有关输入参数（如声速）已知的传播模型，利用这一模型对选定的不同侯选距离和深度计算声源所产生的相应声场，之后使测量场与拷贝场进行有效地匹配，呈现最大相关的侯选深度和距离，即是该声源的真实深度和距离。三维匹配场定位可以看作是一维平面波波束形成器的推广，平面波波束形成器在所有可能的方位将声场测量值与平面波声场相“匹配”，而广义的匹配场波束形成器是将所有可能的目标位置使得测量场与拷贝场相匹配。
随着人们对传播理论认识和研究的深入，以及阵处理技术，尤其是信息处理技术的飞速发展，匹配场处理技术的研究取得了很多突破性的进展，近年来，随着研究的深入，匹配场处理技术逐步走向实用阶段，稳健、宽带、自适应的匹配场处理技术成为研究热点。
1.2.2 传统被动定位技术面临的问题
传统被动定位方法在理论和实际应用中都存在很大的缺陷，主要表现在以下两个方面[7]。
1、远程定位精度不高
传统的被动定位方法，利用球面波或柱面波波前曲率的变化，通过测量各基元的相对时延，估计目标的距离和方位。测距精度与时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因素有关，其中时延测量精度是关键，然而对于有限的基阵孔径，随着声纳探测距离的增加，波前曲率的变化越来越小，加上信道传播起伏的影响，时延的精确测量以及距离信息的提取变得越来越困难，因此传统的定位方法难以实现远程定位。此外，由于海洋中的声速分布是不均匀的，特别在远距离定位时，声速的不均匀分布使传统的定位算法存在较大的误差。为此,研究人员必须寻求新的被动定位方法。
2、定位效果受声场环境影响大
由于海水介质的不均匀性，在海水信道中由于温度、盐度、压力的不同，导致了海水介质中各点的声学特性差异很大，特别是不同深度层的声学特性差异很大，导致了声波在海洋中的传播非常复杂，声传播受海洋信道的影响比人们想象的要大得多。要提高声纳的探测效果，必须要充分研究海洋信道特点。
1.3匹配场被动定位技术国内外研究概况
1.3.1 国外研究概况
最早提及匹配场处理被动定位的人是Hinich（1973）和Bucker（1976）[8]。Hinich提出利用垂直阵进行目标定位，他推导了模式幅度系数和信号源深度的最大似然方程和克拉美罗界。他使用的估计器等同于线性化的最小方差估计器。在随后的工作中，他探讨了声源距离的估计。Hinich是第一个研究用垂直阵作声源定位的，他后来将深度的克拉美罗下限推广到距离估计。当引入利润几个重要概念时，由于缺乏可靠的环境模型，他的论文被认为是有趣但不现实的理论。与此同时，Carter也推导了用基阵作声源位置估计的克拉美罗方差下限，但利用的是自由空间模型，基于波前曲率作被动测距。
Bucker被认为是最早将MFP表示成现在使用的形式的人[3]。他的论文在两个方面非常有意义。首先，Hinich的结果只给出一个线性处理器，它对多普勒失配较为敏感，特别是使用长积分间隔的时候。Bucker意识到了这一点，并构造了一个二次型检测器，以降低这一敏感度。更重要的是，他使用了现实的环境模型，引入了模糊表面的概念，并证明了波场含有足够的成分来进行反演、定位。他给出的检测因子本质上就是现在所说的“常规MFP”。随后，Klemm提出了他称作“近似正交投影”自适应处理的最初形式，该形式与线性预测和最小熵法（MEM）的关系密切，但同时遇到了通常与应用MEM进行时间序列分析有关的小信噪比下的复杂的旁瓣问题。
Shang在1985年和1988年分别提出使用垂直阵和本征函数的特性进行深度估计以及利用模态相位特性估计目标距离的方法。这些方法是现代匹配场处理被动定位技术的几个重要算法的前身，后来发展起来的匹配模式处理货模波束形成的概念。但这些算法是非常理想化的算法，需要极高质量的接收信号和稳定性且已知的声传播信道。
苏联的文献长期注重于波导和声传播的简正波表示方法，因此在苏联物理声学杂志上很早就出现了MFP的概念。Krovstov等人于1988年阐述了求解波导中简正波的阵处理问题。
匹配场处理被动定位的综合介绍是IEEE J.Oceanic.Eng[9] 1993年出版的专辑和综述，以及A.Tolstoy关于匹配场处理的第一本专著。所有这些标志着人们对匹配场处理被动定位技术研究给予的极大关注和取得的重大成就。
最早的匹配场处理被动定位演示实验是Fizell和Wales在1985年与Yang在1987年发布的[10]。他们使用的是1983年在FRAM IV冰营中，浮于北冰洋的一个垂直线列记录的数据。他们成功地定位了相距269km的第二个冰营中的低频信号源，其精度与冰营卫星导航系统一致。自此以后，匹配场处理被动定位研究由空想走向现实，进入了全面发展的新阶段。几乎在同时，Bucker也成功地完成了MFP定位实验。
Tran和Hpdgkiss在太平洋东北部成功进行了165km距离上的匹配场处理被动定位实验[11]，他们使用了一个长900m，阵元间距7.5m，总共120个水听器的垂直线列作为接收基阵，放置在水下400m处。声源频率为200Hz，布放深度为400m，整个海深大约5000m。实验数据表明，165km距离上的声源子10dB和-10dB两种信噪比下被正确定位，而在相距300km的定位则给出错误的峰值指示。该实验说明了在较小信噪比上定位也是可行的。
在前还也有类似的实验结果。Ferris和Ingenito的早期试验证实了垂直线列在浅海中可以进行简正波分离。随后，Feuillade在墨西哥进行了匹配场处理被动定位实验，在33m深的浅海中，用布于全深度的16元垂直阵定位了2.2km距离上的声源。Hamson和Heitmeyer在地中海的浅海中进行的实验获得了相类似的结果。Jesus使用Yang的方法，利用模态匹配方法分析了地中海实验数据，获得了比Hamson等人更好地定位结果。他认为，要获得好的定位效果，在浅海中垂直阵的尺度最好等于全海深，至少也要为其一半，而且模态匹配优于常规匹配技术。
Baggeror的工作指出，增加带宽有助于改善匹配场处理被动定位性能。Westwood成功进行了一次宽带定位实验，他在墨西哥湾中使用了一个锚系6元垂直线阵列，定位了相距42km，深度100m以上5m/s速度运动的声源。声源发出55~95Hz的伪随机信号，海深为4500m。在此实验中，Westwood还建立了基于声线理论的宽带匹配场被动定位算法。
1.3.2 国内研究概况
国内在匹配场定位方面也取得了丰富的研究成果。
张仁和，中国科学院声学研究所研究员，声场声信息国家重点实验室主任。对浅海与深海水声物理规律做了系统研究，在国际上领先发表简正波衰减与群速的普遍表式，阐明了浅海声速结构与边界条件对声场影响的规律，给出了清晰的简正波物理图象，已成为射线-简正波理论的基本公式[13]；最先发现负跃层浅海中信号波形的多途结构，给出了简明的计算公式，能准确地预报波形结构；从物理上预言了“在一定距离范围内，浅海声场的空间相关随距离增大而增强，远距离低频声场具有很强的空间相干性”，经海上实验已得到证明，领先获得最大间距达600米、最远距离达130公里的空间相干实验结果。张仁和的课题组采用宽带匹配场方法进行了中国东海爆炸声源的定位，并积累了宝贵的工程实践经验。陈耀明等研究了模式匹配定位。杨坤德等也在基于声线到达结构的匹配场定位、稳健自适应匹配场、稳健线性匹配场定位方面开展了理论研究和实验研究。
1.4本文内容安排
本文以典型海域水下目标的匹配场被动定位为主要目的，进行理论分析和仿真实验，同时对于匹配场处理被动定位技术进行进一步的探讨。
本论文主要内容和安排如下：
第一章主要介绍了本课题的研究背景，表明了本课题研究的重要意义，阐述了传统被动定位技术的分类及面临的问题，由此引出了本课题研究的主要内容——匹配场处理被动定位技术，并且详细介绍了国内外关于匹配场处理被动定位技术的研究现状。
第二章介绍了与本课题相关的部分基础知识，包括声学工具箱的模型结构、算法原理，以及匹配场处理的基本概念、原理、发展史、关键技术等，为后续进行匹配场处理被动定位的实施奠定了理论基础。
第三章是本文的主体部分，也是匹配场处理被动定位的具体实施。这一章节主要分为两大部分：声场建模部分和匹配场定位实施部分。声场建模部分通过理论分析和MATLAB仿真分析两种手段展开。匹配场定位实施部分则由拷贝场的计算、模糊表面的计算等理论分析部分以及仿真分析部分组成，并对输出成果图进行了详细分析。
第四章对本次毕业设计工作和论文全文做了简洁的总结，并对匹配场处理被动定位技术的发展前景进行了展望。
4.1 课题总结
匹配场声源定位是国际上新兴的水声定位方法,它根据海洋声信道性,在声场建模的基础上,运用一定的匹配场处理算法反演声源位置。匹配场定位技术充分利用了海洋信道特点来反演声源位置,因此它可以有效消除信道对定位的影响,它的定位精度比传统的被动定位精度高[28]。
由于传统的被动定位方法在理论和实际应用中都存在一些问题,研究人员致力于研究新的被动定位方法,其中匹配场被动定位技术充分利用了海洋信道,在远距离复杂水文条件下,其定位精度较高,有着诱人的应用前景,因此，近年来，匹配场被动定位技术也成为水声学界各专家学者研究的热点。基于现在水声通信研究的热潮以及我的专业需求，我选择匹配场技术的研究作为我的毕业设计研究课题。本次毕业设计接近尾声，在此，我将我所做的工作总结如下：
1、研读毕业设计任务书，详细了解了课题研究背景，明确了课题研究的重要意义以及具体实现方法和研究流程；
2、深入学习了声学基础知识、典型海域声场建模方法以及匹配场被动定位处理技术基础知识；
3、详尽进行了典型海域声场建模部分和匹配场处理部分的理论分析；
4、顺利完成了声场建模部分的浅海声道传播损失的MatLab仿真图，以及匹配场处理部分的模糊表面输出，实现了水下目标定位的目的。
4.2 前景展望
随着研究的不断深入，匹配场处理技术正逐步走向实用阶段。但是由于本人知识储备不足，实践能力有所欠缺，学术研究经验匮乏，因此，在此次毕业设计过程中也存在不少缺陷。
随着人类对海洋进一步开发的需求,我后续关于匹配场处理被动定位技术的研究将朝着以下的方向进行：
1、更准确、更能适应复杂海区条件的声场模型。本次毕业设计使用的海洋环境参数由AT声学工具箱直接产生，并非由真实海洋环境采集，参数数量有限，后续的研究工作应更加注重海洋声学环境参数的观测与实时估计，以便采集更多、更有效、更真实的环境参数，建立更适应真实海洋条件的声场模型；
2、更快速、更高效的匹配算法。在研究中，匹配场算法的运算速度对匹配场功能的实现和匹配精度的控制有较大的影响，本次研究中所采用的算法并非十分完善，实现的速度还有待进一步提高；
3、稳健性更高、匹配精度更高。本次毕业设计研究过程中，为简化研究条件没有充分考虑环境失配情况、海洋噪声的影响、抑制和匹配稳健方法。环境失配和噪声在研究过程中是不可忽视的影响因素，对匹配精度、稳健性都起到重要作用。因此，在后续工作中应综合考虑环境失配、噪声抑制以及稳健方法等方面的影响并加以深入研究。
本课题来源于水声探测的实际问题，其目的在于实现典型海域水下目标匹配场处理被动定位，以便适应军事、民用等领域对于水下目标探测与定位的需求。
匹配场处理是利用海洋环境参数和声传播信道特性，通过水下声场模型计算得到接收基阵的声场幅度和相位，形成拷贝场向量，并与基阵接收数据进行“匹配”，从而实现水下目标的被动定位和海洋环境参数的精确估计。匹配场处理技术近年来在水下目标检测、被动定位、海洋环境参数反演等方面的应用受到广泛的关注。在过去的近20年里，国内外许多专家学者进行了这方面的研究，并表现出了极大的兴趣。匹配处理技术自20世纪90年代中期以来，一直是国际上水声学领域的研究热点之一。
匹配场处理技术得益于信号处理技术与水声物理学的交叉。它在处理接收得到的水声信号时，最大限度地利用了水声信道模型、基阵设计以及窄带和宽带相关处理技术，因而与传统的淡化信道的信号处理技术相比，具有鲜明的特色。正是因为匹配场处理技术的性能优势，并且在实际中有重要而广泛的应用前景，因而得到了国内外学者的高度重视与深入研究。至今，从匹配场被动定位和匹配场反演的原理、方法、性能分析，得到实验设计、数据分析等诸多方面都有大量的成果面世。匹配场技术已经进入全面繁荣发展的新阶段，部分匹配场处理方法已经在工程实际中发挥着重要的作用。
本文以典型海域水下目标的匹配场被动定位为主要目的，整个设计过程分为声场建模部分和匹配场实施部分，分别进行理论分析和仿真实验，最终实现水下目标的匹配场定位，同时对于匹配场处理被动定位技术进行进一步的前景展望。20191110213215
关键词：基阵；目标检测；匹配场处理；被动定位
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 被动水声定位技术概述 1
1.2.1 传统被动定位技术 1
1.2.2 传统被动定位技术面临的问题 4
1.3匹配场被动定位技术国内外研究概况 5
1.3.1 国外研究概况 5
1.3.2 国内研究概况 6
1.4本文内容安排 7
第2章 相关基础介绍 8
2.1 AT工具箱简介 8
2.1.1 模型结构 8
2.1.2 算法原理 8
2.2 匹配场处理的基础知识 9
2.2.1 基本概念 9
2.2.2 匹配场技术发展史 10
2.2.3 匹配场被动定位原理 13
2.2.4 匹配场被动定位关键技术及发展趋势 13
第3章 实施匹配场处理被动定位 22
3.1 典型海域的水声声场建模 22
3.1.1 理论分析 22
3.1.2 仿真实现 22
3.2 匹配定位 26
3.2.1 理论分析 26
3.2.2 仿真实现 26
第4章 总结与展望 30
4.1 课题总结 30
4.2 前景展望 30
参考文献 32
致 谢 34
附 录 35
一、声场建模部分源程序 35
二、匹配场处理部分源程序 36
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
众所周知，地球表面百分之七十以上的面积是海洋，海洋中蕴藏着丰富的生物、矿产资源，随着经济社会的飞速发展以及世界各国对于能源需求的猛烈增加，伴随着二十一世纪这个海洋世纪的来临，人们逐渐开始重视海洋资源的探测与合理开发，全面深入地认识、合理适度地利用和保护海洋具有及其重要的战略意义。开发利用海洋资源、海洋与全球变化、海洋生态研究与人类维持自身发展和拓展生存空间有着密切的关联，充分开发和利用海洋资源是最为切实可行的途径。
海洋开发需要获取高精度、大范围的海洋环境数据，需要进行适当的海底勘探、取样、施工等；并且，如今海战也逐步发展成为涉及太空、空中、海面和水下的多空间的立体战争。海洋技术应用的领域广泛，包括：海洋观测、水声研究、资源勘探开发、生物资源开发、海洋能源利用、海上交通、海水利用、海洋空间利用，以及深港技术等现代高新海洋技术。
人们在海洋上进行海洋工程、运输和军事等方面的活动时，对于目标位置的探测起到了至关重要的作用，因此，海洋目标定位特别是水下定位技术是开发海洋资源与发展海洋技术的基础[1]。在今天海洋高新技术的不断引入和支持下，海洋定位技术显得尤为重要，它在探测海底环境、建设海底工程、开发海洋资源、发展海洋科学和维护国家海洋权益等多方面发挥了极其重要的作用。因此，越来越多的专家学者纷纷加入到水下定位技术研究的队伍中，也产生了不少优秀的研究成果，并有相当一部分研究成果已经投入到实际生活实践之中。
1.2 被动水声定位技术概述
声纳按照工作方式一般分为主动声纳和被动声纳。对于被动声纳，由于它不发射声波，它具有很好的隐蔽性，且具有作用距离远、不容易被发现等优点，在军事领域中有着很好的应用前景。近年来，世界各国都加紧了对被动定位技术的研究和开发，被动定位技术受到广泛的重视。随着水中兵器作用距离和打击精度的提高，对被动声纳的定位性能提出了更高的要求，远程定位问题引起人们的广泛关注，出现了多种新型的定位方法。
1.2.1 传统被动定位技术
传统的水声被动定位技术是六十年代研究开发出来的，这类定位技术利用沿不同距离路径传播的水下声脉冲间的时间差或相位差对水面、水中目标进行定位，其典型代表就是三子阵法和球面内插法[2]。三子阵被动测距方法是己经实用化了的被动定位技术，它是六十年代后期出现的噪声测距方法。它利用时延估计技术求出到达三个基阵的相对时延，然后得到目标的方位和距离。但是，三子阵定位方法对水声信道进行了简化，三子阵系统是在同一平面内进行定位的，它不考虑信道声速的垂直分布，也不考虑信道的多途效应。不过这种定位方法算法简单，而且对近距离声源定位能达到较高的精度，目前在工程上已经得到广泛应用。
目前存在的被动定位主要有以下几种主要方法[4]：
1、三子阵法：基于球面波或柱面波波前，测距精度依赖于时延估计精度，与目标方位、距离、基阵安装精度、基阵孔径等因素有关；
2、目标运动分析（TMA）方法：基于目标方位历程，包括纯方位TMA、频率-方位TMA、多途TMA等多种方法；
3、被动多途测距方法：基于三角测量原理，其定位精度受多途结构预测的影响；
4、聚焦波束形成方式：基于球面波假设，这是一种近场定位方式；
5、模基定位方法：基于声场模型，如匹配模（MMP）、匹配场（MFP）、被动时间反转（PTRM）方法，此类方法需要根据实际环境参数建立信道模型来计算拷贝声场。
其中方法1到4基于球面波、平面波假设，没有利用声速剖面等水声信道环境信息；方法5基于声场建模来实现被动定位，利用了环境信息，但限于只使用一个声纳基阵（单点）对目标进行探测，仅有一个视角，而方位分辨力又有限，所以无法分辨同一方向附近不同距离的目标。
传统的被动定位方法，如球面内插法和三子阵法，利用柱面波或球面波波前曲率的变化，通过测量各基元的相对时延，估计目标的距离和方位，测距精度与目标距离、方位、时延估计精度、基阵安装精度、基阵孔径等因素有关，其中时延测量精度是关键，然而对于有限的基阵孔径，随着声纳探测距离的增加，波前曲率的变化越来越小，加上信道传播起伏的影响，距离信息的提取以及时延的精确测量变得越来越困难，因此传统的定位方法难以应用于远程定位，必须寻求新的方法。
目标运动分析（TMA）作为当前声纳系统的一项主要功能，国际上很多专家学者对此进行了广泛而深入的研究，这是目前一种在技术上较为成熟的远程定位方法。传统的目标运动分析（TMA）方法的基础是平面波传播模型，实现方式主要包括纯方位TMA、频率—方位TMA。纯方位TMA仅利用方位信息估计目标运动参数（速度、距离、方位等），为了解决可观测性问题，观测平台要求机动，这限制了该方法的实际应用；频率—方位TMA即利用观方位估计目标运动参数和测量频率，频率信息的引入，使得该方法不要求本机动，实用性有所提高。但传统的TMA检测在先，定位在后，要求足够高的信噪比，以便在短时间内获得方位估计值或可靠的频率和，保证了TMA算法的有效实施。显然，随着声纳作用距离的提高，传统的TMA方法越来越难以满足实用要求。为了在远距离、低信噪比情况下，获得可靠的TMA解，相继出现了许多改进的TMA方法。其中之一就是时空综合被动定位方法(STI)。该方法将检测与定位融为一体，突破了传统的目标运动分析方法的局限性，直接以原始的水听器观测数据进行运动分析，通过对不同时刻频率方位谱的动态合成，同时完成检测、定位、跟踪和运动分析。
因为在能量积累过程中允许方位和频率随时间变化，积分时间不受限制，可充分利用观测数据的长度；而积分时间的增加，很大程度上增强了低信噪比时弱信号的检测能力，而在信号比较弱时，短时频率方位谱无明显谱峰，或者由于传输信道的影响，造成在某段时间内信号衰落的情况下，利用该方法仍可有效地进行检测、定位、跟踪和运动分析，由于不必给出方位和频率的测量值，因而避免了峰值检测、谱峰跟踪等信号处理问题中的难点，便于自动实现运动分析算法。
考虑到浅海中声传播特性复杂，平面波波束形成的性能严重下降，TMA新的发展趋势将是结合环境信息，进一步提高性能，并且出现了联合TMA/MFP定位方法[5]，即在时空综合被动定位方法中考虑传输信道的影响，综合利用信道传播特性、信号幅度及方位和频率的时变性确定目标位置。当声场的波导效应比较明显信噪比很低时，TMA与MFP的有机结合，使之无论在端射方向，还是正横方向都可获得较好的定位性能，但是计算量也显著增加了；另一种研究较多的方法是多途TMA，这种方法利用方位和多径时延进行定位，其主要优点：收敛速度快，具有实现运动目标的快速跟踪的可能性；更适用于处理宽带信号，对于被动定位而言，这一点具有重要的实际意义。
TMA方法定位的关键在于利用目标运动的动态信息。此外，与三子阵定位法相比，TMA算法的计算量显著增加，因此，算法的快速实现也是研究的关键。
另一种解决远程定位问题的方法是匹配场处理（MFP）方法[6]。匹配场处理方法的提出是水声信号处理领域的一个重大进展。由于充分利用了声源、信道和环境等一切可利用的信息资源，有望给声纳性能带来根本性的改变。基本原理是，采集水听器测得的声场数据，选择一个有关输入参数（如声速）已知的传播模型，利用这一模型对选定的不同侯选距离和深度计算声源所产生的相应声场，之后使测量场与拷贝场进行有效地匹配，呈现最大相关的侯选深度和距离，即是该声源的真实深度和距离。三维匹配场定位可以看作是一维平面波波束形成器的推广，平面波波束形成器在所有可能的方位将声场测量值与平面波声场相“匹配”，而广义的匹配场波束形成器是将所有可能的目标位置使得测量场与拷贝场相匹配。
随着人们对传播理论认识和研究的深入，以及阵处理技术，尤其是信息处理技术的飞速发展，匹配场处理技术的研究取得了很多突破性的进展，近年来，随着研究的深入，匹配场处理技术逐步走向实用阶段，稳健、宽带、自适应的匹配场处理技术成为研究热点。
1.2.2 传统被动定位技术面临的问题
传统被动定位方法在理论和实际应用中都存在很大的缺陷，主要表现在以下两个方面[7]。
1、远程定位精度不高
传统的被动定位方法，利用球面波或柱面波波前曲率的变化，通过测量各基元的相对时延，估计目标的距离和方位。测距精度与时延估计精度、目标距离、方位、基阵孔径、基阵安装精度等因素有关，其中时延测量精度是关键，然而对于有限的基阵孔径，随着声纳探测距离的增加，波前曲率的变化越来越小，加上信道传播起伏的影响，时延的精确测量以及距离信息的提取变得越来越困难，因此传统的定位方法难以实现远程定位。此外，由于海洋中的声速分布是不均匀的，特别在远距离定位时，声速的不均匀分布使传统的定位算法存在较大的误差。为此,研究人员必须寻求新的被动定位方法。
2、定位效果受声场环境影响大
由于海水介质的不均匀性，在海水信道中由于温度、盐度、压力的不同，导致了海水介质中各点的声学特性差异很大，特别是不同深度层的声学特性差异很大，导致了声波在海洋中的传播非常复杂，声传播受海洋信道的影响比人们想象的要大得多。要提高声纳的探测效果，必须要充分研究海洋信道特点。
1.3匹配场被动定位技术国内外研究概况
1.3.1 国外研究概况
最早提及匹配场处理被动定位的人是Hinich（1973）和Bucker（1976）[8]。Hinich提出利用垂直阵进行目标定位，他推导了模式幅度系数和信号源深度的最大似然方程和克拉美罗界。他使用的估计器等同于线性化的最小方差估计器。在随后的工作中，他探讨了声源距离的估计。Hinich是第一个研究用垂直阵作声源定位的，他后来将深度的克拉美罗下限推广到距离估计。当引入利润几个重要概念时，由于缺乏可靠的环境模型，他的论文被认为是有趣但不现实的理论。与此同时，Carter也推导了用基阵作声源位置估计的克拉美罗方差下限，但利用的是自由空间模型，基于波前曲率作被动测距。
Bucker被认为是最早将MFP表示成现在使用的形式的人[3]。他的论文在两个方面非常有意义。首先，Hinich的结果只给出一个线性处理器，它对多普勒失配较为敏感，特别是使用长积分间隔的时候。Bucker意识到了这一点，并构造了一个二次型检测器，以降低这一敏感度。更重要的是，他使用了现实的环境模型，引入了模糊表面的概念，并证明了波场含有足够的成分来进行反演、定位。他给出的检测因子本质上就是现在所说的“常规MFP”。随后，Klemm提出了他称作“近似正交投影”自适应处理的最初形式，该形式与线性预测和最小熵法（MEM）的关系密切，但同时遇到了通常与应用MEM进行时间序列分析有关的小信噪比下的复杂的旁瓣问题。
Shang在1985年和1988年分别提出使用垂直阵和本征函数的特性进行深度估计以及利用模态相位特性估计目标距离的方法。这些方法是现代匹配场处理被动定位技术的几个重要算法的前身，后来发展起来的匹配模式处理货模波束形成的概念。但这些算法是非常理想化的算法，需要极高质量的接收信号和稳定性且已知的声传播信道。
苏联的文献长期注重于波导和声传播的简正波表示方法，因此在苏联物理声学杂志上很早就出现了MFP的概念。Krovstov等人于1988年阐述了求解波导中简正波的阵处理问题。
匹配场处理被动定位的综合介绍是IEEE J.Oceanic.Eng[9] 1993年出版的专辑和综述，以及A.Tolstoy关于匹配场处理的第一本专著。所有这些标志着人们对匹配场处理被动定位技术研究给予的极大关注和取得的重大成就。
最早的匹配场处理被动定位演示实验是Fizell和Wales在1985年与Yang在1987年发布的[10]。他们使用的是1983年在FRAM IV冰营中，浮于北冰洋的一个垂直线列记录的数据。他们成功地定位了相距269km的第二个冰营中的低频信号源，其精度与冰营卫星导航系统一致。自此以后，匹配场处理被动定位研究由空想走向现实，进入了全面发展的新阶段。几乎在同时，Bucker也成功地完成了MFP定位实验。
Tran和Hpdgkiss在太平洋东北部成功进行了165km距离上的匹配场处理被动定位实验[11]，他们使用了一个长900m，阵元间距7.5m，总共120个水听器的垂直线列作为接收基阵，放置在水下400m处。声源频率为200Hz，布放深度为400m，整个海深大约5000m。实验数据表明，165km距离上的声源子10dB和-10dB两种信噪比下被正确定位，而在相距300km的定位则给出错误的峰值指示。该实验说明了在较小信噪比上定位也是可行的。
在前还也有类似的实验结果。Ferris和Ingenito的早期试验证实了垂直线列在浅海中可以进行简正波分离。随后，Feuillade在墨西哥进行了匹配场处理被动定位实验，在33m深的浅海中，用布于全深度的16元垂直阵定位了2.2km距离上的声源。Hamson和Heitmeyer在地中海的浅海中进行的实验获得了相类似的结果。Jesus使用Yang的方法，利用模态匹配方法分析了地中海实验数据，获得了比Hamson等人更好地定位结果。他认为，要获得好的定位效果，在浅海中垂直阵的尺度最好等于全海深，至少也要为其一半，而且模态匹配优于常规匹配技术。
Baggeror的工作指出，增加带宽有助于改善匹配场处理被动定位性能。Westwood成功进行了一次宽带定位实验，他在墨西哥湾中使用了一个锚系6元垂直线阵列，定位了相距42km，深度100m以上5m/s速度运动的声源。声源发出55~95Hz的伪随机信号，海深为4500m。在此实验中，Westwood还建立了基于声线理论的宽带匹配场被动定位算法。
1.3.2 国内研究概况
国内在匹配场定位方面也取得了丰富的研究成果。
张仁和，中国科学院声学研究所研究员，声场声信息国家重点实验室主任。对浅海与深海水声物理规律做了系统研究，在国际上领先发表简正波衰减与群速的普遍表式，阐明了浅海声速结构与边界条件对声场影响的规律，给出了清晰的简正波物理图象，已成为射线-简正波理论的基本公式[13]；最先发现负跃层浅海中信号波形的多途结构，给出了简明的计算公式，能准确地预报波形结构；从物理上预言了“在一定距离范围内，浅海声场的空间相关随距离增大而增强，远距离低频声场具有很强的空间相干性”，经海上实验已得到证明，领先获得最大间距达600米、最远距离达130公里的空间相干实验结果。张仁和的课题组采用宽带匹配场方法进行了中国东海爆炸声源的定位，并积累了宝贵的工程实践经验。陈耀明等研究了模式匹配定位。杨坤德等也在基于声线到达结构的匹配场定位、稳健自适应匹配场、稳健线性匹配场定位方面开展了理论研究和实验研究。
1.4本文内容安排
本文以典型海域水下目标的匹配场被动定位为主要目的，进行理论分析和仿真实验，同时对于匹配场处理被动定位技术进行进一步的探讨。
本论文主要内容和安排如下：
第一章主要介绍了本课题的研究背景，表明了本课题研究的重要意义，阐述了传统被动定位技术的分类及面临的问题，由此引出了本课题研究的主要内容——匹配场处理被动定位技术，并且详细介绍了国内外关于匹配场处理被动定位技术的研究现状。
第二章介绍了与本课题相关的部分基础知识，包括声学工具箱的模型结构、算法原理，以及匹配场处理的基本概念、原理、发展史、关键技术等，为后续进行匹配场处理被动定位的实施奠定了理论基础。
第三章是本文的主体部分，也是匹配场处理被动定位的具体实施。这一章节主要分为两大部分：声场建模部分和匹配场定位实施部分。声场建模部分通过理论分析和MATLAB仿真分析两种手段展开。匹配场定位实施部分则由拷贝场的计算、模糊表面的计算等理论分析部分以及仿真分析部分组成，并对输出成果图进行了详细分析。
第四章对本次毕业设计工作和论文全文做了简洁的总结，并对匹配场处理被动定位技术的发展前景进行了展望。
4.1 课题总结
匹配场声源定位是国际上新兴的水声定位方法,它根据海洋声信道性,在声场建模的基础上,运用一定的匹配场处理算法反演声源位置。匹配场定位技术充分利用了海洋信道特点来反演声源位置,因此它可以有效消除信道对定位的影响,它的定位精度比传统的被动定位精度高[28]。
由于传统的被动定位方法在理论和实际应用中都存在一些问题,研究人员致力于研究新的被动定位方法,其中匹配场被动定位技术充分利用了海洋信道,在远距离复杂水文条件下,其定位精度较高,有着诱人的应用前景,因此，近年来，匹配场被动定位技术也成为水声学界各专家学者研究的热点。基于现在水声通信研究的热潮以及我的专业需求，我选择匹配场技术的研究作为我的毕业设计研究课题。本次毕业设计接近尾声，在此，我将我所做的工作总结如下：
1、研读毕业设计任务书，详细了解了课题研究背景，明确了课题研究的重要意义以及具体实现方法和研究流程；
2、深入学习了声学基础知识、典型海域声场建模方法以及匹配场被动定位处理技术基础知识；
3、详尽进行了典型海域声场建模部分和匹配场处理部分的理论分析；
4、顺利完成了声场建模部分的浅海声道传播损失的MatLab仿真图，以及匹配场处理部分的模糊表面输出，实现了水下目标定位的目的。
4.2 前景展望
随着研究的不断深入，匹配场处理技术正逐步走向实用阶段。但是由于本人知识储备不足，实践能力有所欠缺，学术研究经验匮乏，因此，在此次毕业设计过程中也存在不少缺陷。
随着人类对海洋进一步开发的需求,我后续关于匹配场处理被动定位技术的研究将朝着以下的方向进行：
1、更准确、更能适应复杂海区条件的声场模型。本次毕业设计使用的海洋环境参数由AT声学工具箱直接产生，并非由真实海洋环境采集，参数数量有限，后续的研究工作应更加注重海洋声学环境参数的观测与实时估计，以便采集更多、更有效、更真实的环境参数，建立更适应真实海洋条件的声场模型；
2、更快速、更高效的匹配算法。在研究中，匹配场算法的运算速度对匹配场功能的实现和匹配精度的控制有较大的影响，本次研究中所采用的算法并非十分完善，实现的速度还有待进一步提高；
3、稳健性更高、匹配精度更高。本次毕业设计研究过程中，为简化研究条件没有充分考虑环境失配情况、海洋噪声的影响、抑制和匹配稳健方法。环境失配和噪声在研究过程中是不可忽视的影响因素，对匹配精度、稳健性都起到重要作用。因此，在后续工作中应综合考虑环境失配、噪声抑制以及稳健方法等方面的影响并加以深入研究。
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