基于模式匹配的目标深度分辨分析
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。 20190820211546
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。
关键词：基阵；目标检测；匹配场处理；被动定位
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。
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
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。
关键词：基阵；目标检测；匹配场处理；被动定位
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。
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
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