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矢量水听器时间反转镜及其在水声通信中的应用研究 葛辉良　翟丽雪* 熊省军　孟洪 （七一五研究所 声纳技术国防科技重点实验室，杭州 310012） (*北海舰队司令部 青岛市香港西路11号四处 266071 摘要：时间反转镜技术是一种利用信道的自匹配实现信号聚焦的技术，被动时反镜处理是利用探针信号获取海洋信道传递函数，在计算机中对接收数据进行时反处理。本文利用声压与振速垂直分量的弱相关性，将矢量水听器声压与振速垂直分量通道进行时反处理。仿真和试验都表明，此种处理方法可有效降低水声通信的误码率。 关键词：矢量水听器、时间反转镜、水声通信 1 引言 时间反转镜技术是一种利用信道的自匹配实现信号聚焦的技术，在频域对应为相轭技术。这种方法的原理在上个世纪80年代就已有发表，但其迅速发展还是在上个世纪90年代以后。时间反转镜技术可分为主动时反镜技术和被动时反镜技术两大类,现已广泛应用于水声通信和主动声纳技术的研究中。主动时反镜技术需要一个引导源和一条收发合置垂直阵，垂直阵收到引导源发射信号后时反或相轭重发出去，声场可在引导源位置聚焦。被动时发镜实际上是一种信道自校准技术，利用垂直基阵接收到的探针信号来校准后续有用信号，以克服多途引起的码间干扰。 时间反转镜技术的效果与对信道中声场采样的信息量有关。因此，时间反转镜技术中的声基阵一般采用垂直阵，阵元间距最好大于声场的垂直相关半径，使每一个阵元采集的信号都含有独立的多径信息。 矢量水听器通常是指拾取水听器所在位置1~3个振速分量的水听器，有的矢量水听器还同时接收该点的声压信号。在自由场中，声压信号与振速信号是完全相关的；但在海洋波导中，振速分量与声压则有可能不完全相关，为时间反转镜技术的实现提供了可能性。 海洋波导中的矢量场 海洋波导中点源激发声场可表示为[1]： (1) 为水平波数，为模深度函数。由(1)式可知，远场3个正交的质点振速矢量[2]： (2) (3) (4) 根据式(2)~式(4)，可以计算海洋波导中质点振速分量。图1给出了声压和质点振速分量传播损失计算的一个实例。计算时，取海深为100m，海底为泥沙底，水听器与声源均深度均为50m，频率为500Hz。由图可见: 振速矢量的两个水平分量的传播损失和声压相当； 振速矢量的垂直分量传播损失与接收位置处的模深度函数梯度有关。由于随着传播距离的增加，高阶模的衰减较快，而低阶简正模的垂直向梯度较小，因此振速矢量的垂直分量的传播损失要大于声压的传播损失。 图1 声压波导中声压和振速分量传播损失 　　 在海洋波导中，由于多途现象的存在，使水声信号的长距离传播后出现时间扩展现象。图3给出了余弦窗[1.2kHz 1.5kHz]线性调频脉冲(见图2)传播5km后波形的仿真结果。比较图2与图3可见，脉冲长度已由原始信号的4ms扩展到了70ms。 图2 余弦窗[1.2kHz 1.5kHz]线性调频脉冲 图3 图2所示线性调频脉冲经5km传播后信号 比较式(1)与式(2)、式(3)，对声压与振速水平分量来说，每一号简正模叠加系数表达式的差异主要表现为相差了水平波数的3/2次幂。由于各号简正模的水平波数差异并不大，因此声压与振速水平分量的差异主要还是表现在求和号外的常系数不同，即声压与振速水平分量应有很好的相关性。和声压相比，振速垂直分量表达式求积号内的叠加系数多了个模深度函数的导数，这将完全破坏各号模叠加的幅相关系，使声压与振速分量的相关性很差。图4给出了各分量相关系数仿真结果，由图可见，声压与振速水平分量相关系数接近1，而声压与振速垂直分量相关系数则不到0.3，验证了以上结论。 (a) 声压与振速水平分量相关系数 声压与振速垂直分量相关系数 图4　声压与振速水平分量、垂直分量的相关系数　 矢量水听器被动时反镜仿真 基于声压阵的时反镜或相轭处理文献众多，文献[2]很详尽地介绍了时反镜的原理和研究工作，且文章后附有大量参考文献。其它最近的工作也可以从IEEE J. Oceanic Eng. 和J. Acoust. Soc. Am. 两本期刊中找到。 被动时反镜的原理是利用一个探针信号估计信道传递函数，将水听器阵接与此信道传播函数的时反信号相乘后再叠加。此过程与主动时反有相似之处，只不过用数据运算替代了主动时反中通过实际信道反向传播过程。因此，被动时反镜同样能实现时间聚焦，即对多途进行压缩。 　　由于原始信号经海洋波导传播后出现了多途扩展，因此，在水声通信中，若直接利用码元的匹配滤波进行解码，在码元间隔小于多途扩展时间情况下，将产生码间干扰，从而导致较高的误码率。 为了考察多途扩展对水声通信的影响，以图2所示信号为码元，通过正反相实现二进制信号的编码，编码速率为250bps。通信