徐 瑜, 趙 軍, 苑秉成

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基于方位走向的潛艇亮點(diǎn)分布特征提取與仿真

徐 瑜, 趙 軍, 苑秉成

(海軍工程大學(xué)兵器工程系, 湖北武漢, 430033)

針對(duì)傳統(tǒng)的潛艇目標(biāo)回波亮點(diǎn)特征提取方法, 只計(jì)算有限個(gè)峰值點(diǎn)處的方位值來(lái)分析目標(biāo)亮點(diǎn)特征, 存在魯棒性較差的不足, 本文基于目標(biāo)回波與背景干擾相比幅值較大, 子回波所體現(xiàn)的方位/距離信息相近等特征, 同時(shí)結(jié)合雙通道短時(shí)互譜法, 提出了一種基于方位走向的潛艇目標(biāo)回波亮點(diǎn)特征提取方法。首先, 采用雙通道短時(shí)互譜法提取目標(biāo)回波方位走向特征。然后, 通過(guò)采用能量判決和利用子回波方位/距離信息, 對(duì)子回波序列進(jìn)行分類(lèi), 從而得到潛艇目標(biāo)回波亮點(diǎn)的空間分布特征。經(jīng)仿真驗(yàn)證, 該方法與傳統(tǒng)方法相比具有更好的魯棒性。本文的研究結(jié)果可為分析潛艇目標(biāo)聲學(xué)特性與水聲對(duì)抗提供參考。

分裂波束; 亮點(diǎn); 尺度識(shí)別; 互譜; 目標(biāo)方位

0 引言

現(xiàn)代魚(yú)雷自導(dǎo)與引信的發(fā)展方向是智能化及高精度化, 主要體現(xiàn)在: 1) 在遠(yuǎn)距離上(≥1 km)發(fā)現(xiàn)目標(biāo); 2) 在中距離上(300~1000m)識(shí)別真假目標(biāo); 3) 在近距離上(≤300m)識(shí)別目標(biāo)的要害部位。

智能魚(yú)雷識(shí)別目標(biāo)和攻擊目標(biāo)要害部位時(shí), 恰處在目標(biāo)的近場(chǎng)區(qū)。識(shí)別目標(biāo)需要目標(biāo)整體近場(chǎng)回波特性, 識(shí)別目標(biāo)的要害部位需要從目標(biāo)近場(chǎng)回波中提取要害部位參數(shù)。對(duì)目標(biāo)的尺度信息獲取是建立在目標(biāo)反射回波亮點(diǎn)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的。目前魚(yú)雷的目標(biāo)識(shí)別基本上為模式識(shí)別, 即目標(biāo)的尺度識(shí)別和亮點(diǎn)識(shí)別。

方位走向法是一種常用的潛艇目標(biāo)尺度識(shí)別方法。主動(dòng)聲納的目標(biāo)回波是潛艇目標(biāo)上的多個(gè)散射亮點(diǎn)回波的合成, 在一定舷角觀(guān)測(cè)時(shí), 觀(guān)察到的方位表現(xiàn)出隨時(shí)間的有序分布。

在分裂波束體制下, 可利用分裂波束二通道互譜方法估計(jì)目標(biāo)的短時(shí)方位, 從而得到目標(biāo)的方位走向向量, 估計(jì)目標(biāo)空間視在角度擴(kuò)展量。但采用分裂波束的方法, 單個(gè)亮點(diǎn)回波被分割成了多個(gè)子回波, 因此, 單從方位走向特征上很難提取具體的亮點(diǎn)特征信息, 必須作進(jìn)一步的處理。對(duì)于分裂波束定向系統(tǒng), 當(dāng)發(fā)射信號(hào)形式為線(xiàn)性調(diào)頻(linear frequency modu- lation, LFM)時(shí), 目前一種通用的做法是對(duì)兩通道信號(hào)做副本相關(guān)處理, 進(jìn)而在相關(guān)峰點(diǎn)處提取目標(biāo)回波方位信息。但該方法涉及到峰值點(diǎn)搜索, 因此算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜, 且忽略了大量弱亮點(diǎn)回波和亮點(diǎn)背景等有益信息。

基于此, 本文重點(diǎn)研究了采用雙通道短時(shí)互譜法估計(jì)進(jìn)行目標(biāo)回波方位走向特征提取, 在此基礎(chǔ)上研究對(duì)子回波序列進(jìn)行分類(lèi)的方法, 進(jìn)一步提取目標(biāo)回波亮點(diǎn)的空間分布特征。

1 分裂波束互譜法定向原理

采用分裂波束定向, 一是可增加陣元間距, 從而提高對(duì)時(shí)延的估計(jì)精度, 二是可提高輸入信噪比。均勻線(xiàn)列陣的分裂波束系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。圖中,為信號(hào)的入射角, 由第1至個(gè)陣元輸出求和后得到左波束輸出, 由第+1至2個(gè)陣元輸出求和后得右波束輸出。把和看作是2個(gè)假想基元的輸出, 2個(gè)假想基元的位置稱(chēng)之為等效聲學(xué)中心。目的是要計(jì)算2個(gè)等效聲學(xué)中心的相對(duì)時(shí)延和信號(hào)入射角的關(guān)系。

互譜法主要用于分裂波束系統(tǒng)的精確方位估計(jì), 最初由Allan G Piersol提出, 一般的主動(dòng)聲納情況下多用于窄帶信號(hào)處理。其基本原理是利用接收基陣的分裂波束對(duì)目標(biāo)回波及干擾進(jìn)行空間采樣, 由采樣得到的雙通道數(shù)據(jù)中提取短時(shí)相位差,并由此對(duì)目標(biāo)方位走向進(jìn)行估計(jì), 根據(jù)目標(biāo)的視在張角估計(jì)量進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別目標(biāo)。

圖1 線(xiàn)列陣的分裂波束示意圖

(2)

(4)

對(duì)于數(shù)字系統(tǒng), 其輸入時(shí)離散的時(shí)間序列, 可用快速傅立葉轉(zhuǎn)換(fast Fourier transform, FFT) 算法完成兩路信號(hào)的互功率譜, 估計(jì)時(shí)延并求出其方位。要對(duì)像潛艇一類(lèi)的體目標(biāo)反射回波信號(hào)取得一系列子回波的方位, 其具體實(shí)現(xiàn)方法就是對(duì)目標(biāo)回波的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分割。將目標(biāo)回波和采樣后, 得到離散采樣時(shí)間序列和, 并將其分成段, 每段長(zhǎng)為, 則有序列

(6)

式中:表示段序號(hào);表示在第段中的第個(gè)采樣點(diǎn)。對(duì)每段進(jìn)行FFT變換

式中:=0, 1, 2,…,-1,表示頻率序號(hào)。其互譜為

(8)

從而得到各條譜線(xiàn)所包含的時(shí)延信息

(10)

2 潛艇目標(biāo)回波亮點(diǎn)空間分布特征提取

在魚(yú)雷自導(dǎo)頻率下, 潛艇目標(biāo)的回波可看作若干個(gè)等效散射中心(亮點(diǎn))發(fā)出的回波, 在采用短時(shí)分裂波束互譜法分析目標(biāo)回波方位走向過(guò)程中, 單個(gè)亮點(diǎn)回波被分割為多個(gè)子回波段, 因此有必要對(duì)子回波段進(jìn)行分類(lèi)判決以進(jìn)一步得出潛艇目標(biāo)回波強(qiáng)亮點(diǎn)的空間分布。

對(duì)于來(lái)自同一個(gè)強(qiáng)亮點(diǎn)回波的子回波段而言, 具備以下2個(gè)較為明顯的特征: 目標(biāo)回波與背景干擾相比幅值較大; 子回波所體現(xiàn)的方位/距離信息相近。這里采用以下步驟對(duì)潛艇目標(biāo)回波強(qiáng)亮點(diǎn)的空間分布特征進(jìn)行提取。

2.1 能量判決

能量積分處理一般采用滑動(dòng)平均的方法, 其目的是為了平滑信號(hào)能量, 防止起伏, 以便有利于檢測(cè)。設(shè)積分長(zhǎng)度為, 信號(hào)為(), 其中=1, 2,…,, 積分過(guò)程如下

由于來(lái)自強(qiáng)亮點(diǎn)的子回波序列通常能量較大, 因此可以通過(guò)設(shè)置一定的閾值對(duì)子回波序列進(jìn)行初步判決, 大于閾值的歸為來(lái)自于強(qiáng)亮點(diǎn)回波的子回波, 小于閾值的則歸于弱亮點(diǎn)及亮點(diǎn)背景。

2.2 子回波序列分類(lèi)與亮點(diǎn)特征提取

對(duì)于來(lái)自同一個(gè)強(qiáng)亮點(diǎn)回波的子回波而言, 子回波所體現(xiàn)的方位/距離信息接近。假設(shè)經(jīng)過(guò)能量判決后的子回波序列的方位值為,為子回波序列號(hào)。子回波的序列號(hào), 對(duì)應(yīng)了子回波的距離信息。因此, 對(duì)于能量判決后的子回波序列首先按照序列號(hào)以(為發(fā)射脈沖寬度, floor為取整,為子回波中的樣本數(shù))為間隔進(jìn)行初次分類(lèi), 假設(shè)分類(lèi)后的結(jié)果為(,為類(lèi)的數(shù)量), 則可求取每一類(lèi)子回波序列的平均方位值, 記為。

定義樣本距離

3 數(shù)值計(jì)算與仿真

3.1 潛艇目標(biāo)幾何建模

為方便計(jì)算, 本文以標(biāo)準(zhǔn)潛艇模型(BeTSSi-Sub) 為主要研究對(duì)象。該模型將潛艇目標(biāo)模擬為幾個(gè)簡(jiǎn)單形狀目標(biāo)的組合, 用半橢球體來(lái)模擬艇艏, 圓柱體模擬艇體, 艇艉為圓錐體, 指揮臺(tái)圍殼前半部為半橢圓體, 后半部為錐體, 水平艉舵與垂直艉舵端面均為前半部半橢圓體, 后半部錐體。具體參數(shù)如下: 艇全長(zhǎng)62 m, 艇體直徑7.5 m, 前端半橢球體的長(zhǎng)度為7m, 中段圓柱體的長(zhǎng)度為44.6 m, 后端錐體的長(zhǎng)度為11.4 m。艦橋中心距艇艏頂點(diǎn)22.85 m處, 前端半橢球體長(zhǎng)半軸為3.85 m, 短半軸為2.2 m。在實(shí)際建模時(shí), 先借助AutoCAD軟件對(duì)目標(biāo)進(jìn)行幾何建模, 然后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Ansys軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖2給出了AutoCAD建模后的結(jié)果, 并根據(jù)聲納系統(tǒng)與目標(biāo)之間的相對(duì)位置關(guān)系, 建立了直角坐標(biāo)系。

3.2 仿真結(jié)果與分析

以標(biāo)準(zhǔn)潛艇目標(biāo)模型為研究對(duì)象, 采用板塊元方法進(jìn)行目標(biāo)回波預(yù)報(bào), 仿真不同入射角情況下各通道回波數(shù)據(jù), 根據(jù)各通道仿真回波采用互譜法分析目標(biāo)回波方位走向特征, 同時(shí)針對(duì)目標(biāo)回波亮點(diǎn)分布進(jìn)行分析。

仿真參數(shù)設(shè)置: 發(fā)射信號(hào)為矩形包絡(luò)的LFM波, 中心頻率為25 kHz, 帶寬為1 K, 脈沖寬度為10 ms, 周期為2 s, 采樣率, 聲速, 信噪比SNR=10 dB, 聲納基陣形式為6元水平線(xiàn)陣, 陣元間隔為中心頻率的半波長(zhǎng), 聲納系統(tǒng)距目標(biāo)中心的距離為500 m。

圖3(a)和(c)分別是入射角(基陣法線(xiàn)與目標(biāo)航向的夾角)為0°和60°時(shí)目標(biāo)回波方位走向仿真結(jié)果, 最佳檢測(cè)時(shí)間區(qū)間分別為: 635~720 ms和650~700 ms, 每段子回波樣本數(shù)為500。同時(shí)在仿真過(guò)程中對(duì)每一段子回波進(jìn)行能量檢測(cè), 得到了子回波序列的能量分布圖。

(a) 入射角為0°方位走向

(b) 入射角為0°子回波序列能量分布

(c) 入射角為60°方位走向

(d) 入射角為60°子回波序列能量分布

圖3 標(biāo)準(zhǔn)潛艇目標(biāo)回波方位走向仿真結(jié)果

Fig. 3 Simulation results of azimuth trend of BeTSSi-Sub model

基于亮點(diǎn)出現(xiàn)的距離和角度來(lái)看, 可以判斷對(duì)應(yīng)的分別是艇艏、指揮臺(tái)圍殼和艇艉; 目標(biāo)亮點(diǎn)之間的相對(duì)位置呈現(xiàn)出一定的斜率, 反映出換能器基陣法線(xiàn)與目標(biāo)軸線(xiàn)的夾角姿態(tài)特性; 從子回波能量分布圖可以看出, 艇艉亮點(diǎn)的局部目標(biāo)強(qiáng)度較大, 相對(duì)應(yīng)的亮點(diǎn)回波幅度也較大。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前, 魚(yú)雷自導(dǎo)系統(tǒng)常用的目標(biāo)方位估計(jì)方法多采用基于常規(guī)波束的多波束技術(shù)和基于分裂波束系統(tǒng)的互譜法定位技術(shù), 多陣元分裂波束的互譜測(cè)向法是等效二元陣最大似然測(cè)向系統(tǒng)的次最佳實(shí)現(xiàn), 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 運(yùn)算量小, 定向精度高等優(yōu)點(diǎn), 適用于對(duì)目標(biāo)的高精度定位。本文重點(diǎn)研究了采用雙通道短時(shí)互譜法估計(jì)進(jìn)行目標(biāo)回波方位走向特征提取, 然后在此基礎(chǔ)之上研究對(duì)子回波序列進(jìn)行分類(lèi)的方法, 進(jìn)一步提取目標(biāo)回波亮點(diǎn)的空間分布特征。本文的研究對(duì)于分析潛艇目標(biāo)的聲學(xué)特性以及水聲對(duì)抗具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Distribution Feature Extraction and Simulation of Submarine Echo Highlights Based on Target Azimuth Trend

XU Yu, ZHAO Jun, YUAN Bing-cheng

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Due to the feature extraction method of conventional submarine echo highlight calculates only the azimuth on limited peak points to analyze the target highlight feature, and the robustness is poor. This paper proposes a distribution feature extraction method of submarine echo highlights based on target azimuth trend, by mainly using the characteristics that the amplitude of target echo signal is larger than that of noise and the sub-echo signals from the same strong highlight signal embody approximate azimuth and distance information, and combining with the technique of double-channel short-time cross-spectrum. Firstly, the feature of target azimuth trend is obtained with the technique of double-channel short-time cross-spectrum. Secondly, the sub-echo signal series is classified by mainly using energy decision and the sub-echo signals′ azimuth and distance information, and then the spatial distribution feature of submarine echo highlights is achieved. Simulation results show that the proposed method is more robust than the conventional method. This study may provide a reference for analysis of submarine acoustic characteristics and acoustic countermeasure system.

split beam; highlight; scale identification; cross-spectrum; target azimuth

TJ630.34; TN911

A

1673-1948(2012)06-0419-05

2012-03-11;

2012-04-26.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（61074191）.

徐瑜(1983-), 男, 博士, 研究方向?yàn)檐娪媚繕?biāo)特性與制導(dǎo)技術(shù).