陳云飛李桂娟王振山張明偉賈兵

1)(大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院,大連 116024)

2)(水下測控技術(shù)重點實驗室,大連 116013)

1 引言

目標(biāo)回波是主動聲納對水中目標(biāo)探測、識別的主要信息源,而目標(biāo)回波亮點特征則是目標(biāo)特征信息的體現(xiàn)形式之一,對目標(biāo)回波亮點所表征的目標(biāo)信息的利用程度影響主動聲納對水中目標(biāo)的識別性能.主動聲納工作過程中,礁石和海洋動物引起的混響是最嚴(yán)重的干擾.礁石和海洋動物的回波,不僅信號的頻率與目標(biāo)回波頻率相同,而且也存在亮點特性.因此,如何區(qū)分礁石、魚群和水中目標(biāo)一直是制約主動聲納識別技術(shù)的難點問題.從聲納目標(biāo)識別的角度來說,希望能夠利用穩(wěn)健性好、區(qū)分度明顯的特征實現(xiàn)對水中目標(biāo)、礁石和魚群目標(biāo)的區(qū)分.理論和實測研究已經(jīng)表明,水中復(fù)雜目標(biāo)是一個多亮點目標(biāo),并且復(fù)雜目標(biāo)的亮點特征是隨方位角變化的,同時礁石和魚群也具有亮點特性,這導(dǎo)致在實際的聲納目標(biāo)識別中難以獲取一個穩(wěn)定的用于不同種類目標(biāo)區(qū)分的特征.

目前對于水中復(fù)雜目標(biāo)回聲亮點特性的研究主要分為三個大的方面:水中目標(biāo)回聲亮點特性理論和預(yù)報研究[1-4],從機理上揭示目標(biāo)回波亮點特性與目標(biāo)物理屬性之間的關(guān)系;縮比模型和實尺度目標(biāo)的測試研究[5-8],一方面對理論研究結(jié)果進(jìn)行驗證,另一方面也通過實測分析,發(fā)現(xiàn)了理論研究尚未能預(yù)報的現(xiàn)象;基于理論和實驗研究的結(jié)果,研究目標(biāo)回波亮點特性的模擬和特征利用[9-12].綜合目前已有的研究,理論和實測研究已經(jīng)能夠獲取復(fù)雜目標(biāo)隨方位角變化的回波亮點特征,并且相關(guān)研究也表明海豚能夠利用回波亮點的幅度和位置關(guān)系進(jìn)行不同目標(biāo)定位[13,14],但由于水中復(fù)雜目標(biāo)回波亮點特征的舷角變化特性,目標(biāo)回波亮點特征(目標(biāo)回波亮點的數(shù)量、目標(biāo)回波亮點的強度分布、目標(biāo)回波亮點的間隔)難以直接被主動聲納識別所利用,導(dǎo)致特征研究與實際應(yīng)用轉(zhuǎn)化之間的困難.

本文主要從主動聲納識別的應(yīng)用角度,研究水中目標(biāo)(主要針對Benchmark潛艇模型)的回波亮點特征的定量表征方式,提取了標(biāo)準(zhǔn)潛艇目標(biāo)亮點統(tǒng)計特征,并與礁石目標(biāo)進(jìn)行對比.

2 目標(biāo)回波亮點統(tǒng)計特征理論模型

通常用亮點個數(shù)、亮點空間分布、亮點的強度分布來表征水中復(fù)雜目標(biāo)的回波亮點特征,由于水中復(fù)雜目標(biāo)回波亮點特征是目標(biāo)舷角的函數(shù),因此單純使用上述三個參量很難滿足識別的要求.本文基于水中復(fù)雜目標(biāo)回波亮點模型,提出并研究了一種目標(biāo)亮點統(tǒng)計特征的分析方法,并對國際上廣泛研究的標(biāo)準(zhǔn)潛艇目標(biāo)回波亮點特征進(jìn)行統(tǒng)計分析,定量提取隨方位變化的亮點統(tǒng)計特征,為主動聲納目標(biāo)識別提供易于應(yīng)用的水中復(fù)雜目標(biāo)回波特征集.

圖1為本文定義的復(fù)雜目標(biāo)回波亮點統(tǒng)計特征提取的信號處理流程.圖中θ為目標(biāo)的舷角,n為亮點個數(shù),r為亮點間的位置關(guān)系系數(shù),v為亮點間的強度系數(shù),l為亮點集中度.由目標(biāo)全方位回波特性和目標(biāo)回波亮點模型,重點討論不同舷角情況下的目標(biāo)回波亮點定量個數(shù)、亮點間的定量位置關(guān)系、亮點間的定量強度分布特性,通過定量的方式進(jìn)行目標(biāo)回波亮點的特征描述,并通過對標(biāo)準(zhǔn)潛艇模型實測數(shù)據(jù)的分析處理,建立標(biāo)準(zhǔn)潛艇定量回波亮點統(tǒng)計特征模型.

2.1 基于亮點模型的目標(biāo)散射函數(shù)估計

圖2為復(fù)雜體目標(biāo)的回波亮點示意圖,以目標(biāo)幾何中心點為坐標(biāo)原點,以目標(biāo)艏艉方向作為x軸,以目標(biāo)垂直方向作為y軸.目標(biāo)的多亮點模型[1,5]可表示為反向回波的沖擊響應(yīng)函數(shù)(或稱為目標(biāo)散射函數(shù))與入射聲波的卷積,其中目標(biāo)的沖擊響應(yīng)函數(shù) h(τ,θ)為

其中 δ(x)為 Dirac函數(shù),ai(θ,τi)是亮點強度,θ為入射舷角,正橫入射時θ=90?,艏方向入射時θ=0?,τi為亮點時間間隔,N為亮點總數(shù).

由(1)式,接收陣接收到的目標(biāo)回波信號y0(t,θ)可表示為

圖1 水中目標(biāo)亮點統(tǒng)計特征分析框架

圖2 復(fù)雜體目標(biāo)回波亮點示意圖

其中x(t)為發(fā)射信號,上式右邊第一項為多亮點回波,xb(t)為回波亮點背景,n(t)為干擾噪聲背景.(2)式為水中復(fù)雜目標(biāo)的回波亮點模型,對于海中的其他尺度目標(biāo),上式也是成立的.因此,海洋中的礁石和大型海洋動物的回波也將表現(xiàn)出亮點特性,這也是主動聲納很難區(qū)分水中人造目標(biāo)和其他目標(biāo)的原因.目標(biāo)散射函數(shù)包含了目標(biāo)的特征屬性,不同目標(biāo)的散射函數(shù)具體參數(shù)表征了目標(biāo)的固有特征.

一個實際目標(biāo)的散射函數(shù)包括多亮點沖擊響應(yīng)函數(shù)和散射背景,散射背景由目標(biāo)的棱、角、排水孔和肋板等細(xì)碎亮點集構(gòu)成.由此,(1)式改寫為目標(biāo)的散射函數(shù)B.具體為

其中τi為離散的時延序列,τ為時延差,b(θ,τ)為散射背景項.若入射信號為s(t),則不含干擾的目標(biāo)回波y1(t)為

其中?表示卷積運算.而對于接收陣接收到的目標(biāo)回波信號的拷貝相關(guān)器輸出w(t)為

上式中n(t)?s?(t)為拷貝相關(guān)器輸出的干擾噪聲背景,主動聲納的干擾主要由混響干擾和環(huán)境噪聲干擾兩部分組成,其中在近距離主要是混響干擾起主要影響,在中遠(yuǎn)距離環(huán)境噪聲的影響顯著增強,在本文主要考慮環(huán)境噪聲的影響.因此若干擾噪聲n(t)與信號s(t)互相關(guān)獨立,則該項較小,通?？梢院雎?(6)式則可表示為

(7)式表明可以通過對目標(biāo)回波的拷貝相關(guān)器輸出對目標(biāo)散射函數(shù)進(jìn)行估計.

2.2 目標(biāo)散射函數(shù)統(tǒng)計特征

從(7)式可以看出,確定目標(biāo)散射函數(shù)主要有三個參數(shù),分別為亮點個數(shù)N,亮點幅度系數(shù)ai(θ)和亮點間距τi,基于目標(biāo)散射函數(shù)的估計,本文定義了水中復(fù)雜目標(biāo)回波亮點統(tǒng)計特征:

1)亮點個數(shù)n(θ);

2)亮點間的位置關(guān)系系數(shù)

通過對復(fù)雜目標(biāo)全方位(0?-180?)下目標(biāo)散射函數(shù)的四個主要特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,建立不同方位角條件下的復(fù)雜目標(biāo)回波亮點特征樣本集.水中復(fù)雜體目標(biāo)與礁石回波特性的最大區(qū)別就在于目標(biāo)亮點統(tǒng)計特征值的不同,即通過多維的定量特征對水中目標(biāo)和礁石等目標(biāo)進(jìn)行區(qū)分.按照上述定義,基于模型實驗對標(biāo)準(zhǔn)潛艇模型目標(biāo)回波亮點統(tǒng)計特征進(jìn)行提取.

3 實驗測試

圖3 實驗水域

圖4 標(biāo)準(zhǔn)潛艇縮比模型照片

Benchmark模型[15]與礁石的回波特性測試試驗在中船重工726研究所德清縣對河口水庫實驗站完成,實驗區(qū)水域開闊水深24 m左右,實驗區(qū)如圖3所示.圖4為Benchmark潛艇模型照片,該模型長3 m,按照1:20的縮比尺度制作,材料為不銹鋼.測試實驗的發(fā)射信號為40-80kHz寬帶線性調(diào)頻信號,脈沖寬度為2 ms.被測目標(biāo)模型從艇艏開始旋轉(zhuǎn)180?,數(shù)據(jù)采集采用連續(xù)記錄的方式.實驗布放如圖5所示,模型通過兩根直徑為7 mm的軟繩吊掛在模型轉(zhuǎn)臺上,通過轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動改變潛艇模型的舷角,收發(fā)合置換能器布放在距目標(biāo)10.5 m位置,二者布放深度為3 m,滿足遠(yuǎn)場要求,發(fā)射波束中心對準(zhǔn)模型位置固定不動.圖6為發(fā)射換能器的發(fā)送電壓響應(yīng),可以看出換能器在工作頻段范圍內(nèi),頻響曲線相對平坦,適合于發(fā)射寬帶線性調(diào)頻信號.發(fā)射換能器的水平指向性開角和垂直指向性開角分別為20?和10?,能夠較好地抑制混響的干擾.

圖5 實驗設(shè)備布置示意圖

圖6 發(fā)射換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)

4 標(biāo)準(zhǔn)潛艇縮比模型亮點統(tǒng)計特征提取

基于本文研究的目標(biāo)亮點統(tǒng)計特征理論模型,對Benchmark模型的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理.由于被測目標(biāo)為連續(xù)旋轉(zhuǎn),數(shù)據(jù)采集采用連續(xù)記錄的方式,為了能夠?qū)⒛繕?biāo)舷角與相應(yīng)測試數(shù)據(jù)對應(yīng),在數(shù)據(jù)處理中實際數(shù)據(jù)的選取是根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度與采集數(shù)據(jù)的時間長度的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行截取.圖7為目標(biāo)亮點統(tǒng)計特征提取信號處理流程,具體為:

1)截取目標(biāo)各舷角對應(yīng)的回波數(shù)據(jù),對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝相關(guān)處理,輸出相應(yīng)舷角的目標(biāo)散射函數(shù)估計;

2)對輸出的散射函數(shù)估計進(jìn)行歸一化和低通濾波;

3)結(jié)合亮點閾值分析進(jìn)行目標(biāo)回波亮點判別;

4)根據(jù)實驗的聲場配置情況和目標(biāo)二維散射函數(shù)圖,對由外部干擾信號造成的偽亮點進(jìn)行去除;

5)對亮點個數(shù)、位置關(guān)系和強度分布特征進(jìn)行提取.

4.1 目標(biāo)二維散射函數(shù)圖

對所有舷角的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝相關(guān)處理,可得到如圖8所示的標(biāo)準(zhǔn)潛艇模型目標(biāo)二維散射函數(shù)圖,其中圖8(a)為試驗測得的標(biāo)準(zhǔn)潛艇模型二維散射函數(shù)圖,圖8(b)為理論計算的標(biāo)準(zhǔn)潛艇模型二維散射函數(shù)圖.理論計算與實驗結(jié)果符合較好,圖中艏艉方向細(xì)碎亮點背景及離散亮點散布的尺度大,正橫方向上的亮點強度大,亮點數(shù)少,亮點背景弱.

圖7 亮點統(tǒng)計特征提取流程圖

從圖8可以看出,隨著舷角的變化,目標(biāo)回波亮點的個數(shù)和強弱顯著變化,單一角度下的目標(biāo)回波特征難以表征目標(biāo)回波的全面特征.由潛艇目標(biāo)回波亮點形成機理可以知道潛艇目標(biāo)回波亮點分為固定亮點和移動亮點兩種,由艇艏、艇艉和指揮臺反射區(qū)構(gòu)成的固定亮點,對應(yīng)艇體上的固定位置,艇體表面的鏡反射區(qū)構(gòu)成的移動亮點,移動亮點和固定亮點強度均隨舷角變化,從而體現(xiàn)了定量的數(shù)值變化.在穩(wěn)態(tài)情況下,目標(biāo)亮點統(tǒng)計特征是固定的,體現(xiàn)了潛艇復(fù)雜體目標(biāo)的固有屬性,因此可以通過實測的方法定量的確定目標(biāo)亮點的統(tǒng)計特征.

4.2 目標(biāo)散射函數(shù)B(θ,τ)的估計

圖9-15為不同舷角的回波進(jìn)行相關(guān)處理和低通濾波后得到的標(biāo)準(zhǔn)潛艇縮比模型目標(biāo)散射函數(shù)估計.通過對比,可以看出不同舷角情況下的目標(biāo)散射函數(shù)顯著不同,按照目標(biāo)回波亮點的統(tǒng)計特征模型對不同舷角情況下的亮點參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析.

圖8 單層殼體Benchmark潛艇時域回波結(jié)構(gòu) (a)實驗結(jié)果;(b)理論計算結(jié)果

圖9 0?舷角目標(biāo)散射函數(shù)

圖10 30?舷角目標(biāo)散射函數(shù)

圖11 60?舷角目標(biāo)散射函數(shù)

圖12 90?舷角目標(biāo)散射函數(shù)

4.3 回波亮點個數(shù)n(θ)

圖13 120?舷角目標(biāo)散射函數(shù)

圖14 150?舷角目標(biāo)散射函數(shù)

圖15 180?舷角目標(biāo)散射函數(shù)

從(7)式中可以看出,目標(biāo)散射函數(shù)中除了亮點特征項之外也包含了散射背景項,因此在進(jìn)行亮點參數(shù)提取時,首先需要確定亮點與散射背景之間的比例關(guān)系,即亮點判別的閾值.這里采用一種以類間方差和類內(nèi)方差為判斷準(zhǔn)則的閾值確定方法[16].對于給定的閾值k,可以將回波數(shù)據(jù)分為亮點數(shù)據(jù)與非亮點數(shù)據(jù)兩類,亮點類數(shù)據(jù)個數(shù)為W1(k),平均值為M1(k),方差為σ21(k);非亮點類數(shù)據(jù)個數(shù)為W2(k),平均值為M2(k),方差為整個數(shù)平均值為Mr(k),則類內(nèi)方差計算公式為

表1 不同舷角回波亮點個數(shù)

圖16 亮點個數(shù)隨舷角分布

依照選定的閾值對不同舷角的下的散射函數(shù)進(jìn)行回波亮點個數(shù)統(tǒng)計,并將作為目標(biāo)分類的重要特征參量.表1為實際提取的不同舷角亮點個數(shù),圖16為亮點個數(shù)隨方位變化分布圖,其中每個舷角參與統(tǒng)計分析的回波個數(shù)為5個.通過對不同舷角下的回波亮點個數(shù)的對比分析可以看出,在正橫方位,目標(biāo)體上各部位的反射回波幾乎同時到達(dá)接收陣,只表現(xiàn)出兩個亮點,隨著角度偏離正橫位置,各部位反射回波到達(dá)接收陣的時間差逐漸增大,表現(xiàn)為亮點個數(shù)的增加,亮點個數(shù)的變化體現(xiàn)了水中復(fù)雜體目標(biāo)的方位信息,可作為目標(biāo)識別的特征之一.

4.4 亮點間的位置關(guān)系特征r(θ)

亮點在散射函數(shù)中的位置及時序是決定目標(biāo)散射函數(shù)的另一個重要參數(shù),亮點的絕對時序間隔隨目標(biāo)的尺度而變化,因此亮點的絕對位置信息不具有普遍意義,但是對于形狀相同目標(biāo),亮點間的相對位置關(guān)系是一個固定的比例關(guān)系,表征了目標(biāo)的形狀信息,因此其可以作為目標(biāo)識別的重要參數(shù)之一.

表2 不同舷角回波亮點位置關(guān)系

基于已經(jīng)得到的不同舷角的散射函數(shù)估計,將高于閾值的第一個亮點作為基準(zhǔn)亮點,高于閾值的最后一個亮點作為結(jié)束亮點,各亮點位置進(jìn)行歸一化處理得到表2所示的不同舷角亮點之間的位置關(guān)系.可以看出,舷角不同,亮點分布各不相同,亮點間的定量位置關(guān)系是目標(biāo)形狀的特征體現(xiàn).

4.5 亮點間的強度系數(shù)特征υ(θ)

亮點強度是決定目標(biāo)散射函數(shù)的另一個重要參數(shù),體現(xiàn)了目標(biāo)幾何散射和彈性散射的綜合影響,將高于閾值的亮點強度進(jìn)行歸一化處理,得到如表3所示的不同舷角亮點間的相對強弱關(guān)系.通過對比可以看出,不同舷角的亮點強度分布各不相同,回波亮點強度變化關(guān)系是表征目標(biāo)形狀、材質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要特征,該特征對于水中復(fù)雜體目標(biāo)回波與礁石和海洋動物回波的識別具有重要意義.

表3 不同舷角回波亮點強度變化關(guān)系

4.6 亮點集中度特征l(θ)

基于散射函數(shù)估計,對不同舷角下的亮點集中度進(jìn)行計算,圖17為不同舷角下的亮點集中度分布圖,可以看出,對潛艇類目標(biāo)隨著舷角偏離正橫位置,回波亮點的集中度逐漸降低.

圖17 標(biāo)準(zhǔn)潛艇模型回波亮點集中度隨舷角分布

5 海邊礁石亮點統(tǒng)計特征

為了對比人造目標(biāo)和礁石目標(biāo)亮點分布特征,本文同時也測試分析了如圖18所示的海邊礁石的亮點統(tǒng)計特征,試驗測量所用礁石的最大尺度為60 cm.由于礁石目標(biāo)形狀不規(guī)則,沒有潛艇目標(biāo)舷角的概念,因此選定礁石某方位為起始角度,旋轉(zhuǎn)180?測量回波數(shù)據(jù),具體測量方法與標(biāo)準(zhǔn)潛艇縮比模型散射特性測量方法相同.測試實驗的發(fā)射信號為40-80 kHz寬帶線性調(diào)頻信號,脈沖寬度為2 ms.

5.1 目標(biāo)二維散射函數(shù)圖

圖19為海邊礁石目標(biāo)的二維散射函數(shù)圖,與人造目標(biāo)不同,礁石目標(biāo)不存在規(guī)則的幾何形狀,礁石目標(biāo)亮點細(xì)碎,與人造目標(biāo)亮點特征差異明顯.

圖18 試驗測試的海邊礁石照片

圖19 礁石目標(biāo)二維散射函數(shù)圖

5.2 目標(biāo)散射函數(shù)B(θ,τ)的估計

圖20-23分別為礁石目標(biāo)四個不同角度下的目標(biāo)散射函數(shù)估計.通過對比,可以看出礁石目標(biāo)亮點細(xì)碎,亮點間隔小,且不同方位角情況下,礁石目標(biāo)散射函數(shù)與人造目標(biāo)散射函數(shù)相比,變化不明顯,這是由于礁石目標(biāo)沒有人造目標(biāo)的規(guī)則外形和復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu),目標(biāo)的細(xì)碎亮點主要是由目標(biāo)的不規(guī)則外形散射引起的.

圖20 0?方位角礁石目標(biāo)散射函數(shù)

圖21 60?方位角礁石目標(biāo)散射函數(shù)

5.3 亮點集中度特征l(θ)

基于散射函數(shù)估計,對礁石目標(biāo)不同方位下的亮點集中度進(jìn)行計算.圖24為不同方位角下的礁石目標(biāo)亮點集中度分布圖,可以看出,對于礁石類目標(biāo),其回波主要表現(xiàn)為細(xì)碎亮點,并且亮點分布無明顯的方位變化特性.因此礁石類目標(biāo)的亮點集中度隨方位變化相對較小,與之相對應(yīng),潛艇目標(biāo)的亮點集中度具有顯著的方位變化特征,這也是人造目標(biāo)與礁石區(qū)分的重要特征.

6 結(jié)論

本文從水中目標(biāo)分類識別的應(yīng)用角度出發(fā),研究了水中目標(biāo)不同舷角下的回波亮點統(tǒng)計特征,通過分析可以得出如下結(jié)論:

1)目標(biāo)回波亮點是水中復(fù)雜體目標(biāo)回波的重要特征,基于目標(biāo)散射函數(shù)的目標(biāo)回波亮點統(tǒng)計特征是對目標(biāo)回波的細(xì)致描述和表征,體現(xiàn)了水中復(fù)雜體目標(biāo)回波亮點更為精細(xì)的特征;

圖22 120?方位角礁石目標(biāo)散射函數(shù)

圖23 180?方位角礁石目標(biāo)散射函數(shù)

2)通過對不同舷角的目標(biāo)回波進(jìn)行散射函數(shù)估計,并基于目標(biāo)散射函數(shù)估計進(jìn)行目標(biāo)回波亮點參數(shù)統(tǒng)計分析,可以獲得目標(biāo)回波亮點特征的定量描述和表征;

圖24 礁石目標(biāo)亮點集中度隨角度分布

3)通過不同舷角的目標(biāo)回波亮點統(tǒng)計特征,可以建立目標(biāo)回波特征樣本庫,使得目前廣為研究的目標(biāo)時間-角度譜圖中所蘊含的目標(biāo)特征信息能夠很直接的轉(zhuǎn)化為主動聲納易于應(yīng)用的目標(biāo)特征;

4)本文提出的基于亮點模型的水中復(fù)雜目標(biāo)散射函數(shù)估計方法中重點考慮了目標(biāo)的艏艉方向回波亮點的統(tǒng)計特征,尚未考慮目標(biāo)的橫向(徑向)尺度對回波亮點的影響,因此,進(jìn)一步的工作需要綜合考慮復(fù)雜目標(biāo)的橫向和縱向尺度對回波亮點特征的影響.

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[9]He X Y,Jiang X Z,Lin J Y 2001 Torpedo Technology 9 15(in Chinese)[何心怡,蔣興舟,林建域2001魚雷技術(shù)9 15]

[10]Liu C H,Ma G Q,Zhou M 2005 J.Dalian Navy Academy 28 60(in Chinese)[劉朝暉,馬國強,周明2005海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)報28 60]

[11]Liu C H,Li Z S,Ma G Q 2004 Ship Engineering 26 68(in Chinese)[劉朝暉,李志舜,馬國強2004船舶工程26 68]

[12]Yan W,Huang J G,Wang X X,Hu F 2005 Computer Simulation 22 23(in Chinese)[閆偉,黃建國,王新曉,胡方2005計算機仿真22 23]

[13]Mark W M,Whitlow W L,Paul E N,John S A 2007 J.Acoustic.Soc.Am.122 2255

[14]Lois A D,David A H,Pattrick W M,Justine M Z 2002 J.Acoustic.Soc.Am.112 1702

[15]Nell W,Gilroy L E 2003 DRDC Atlantic Technical Repor.Canada TR2003-199 p10

[16]Gao M 2009 M.Eng.Dissertation(Harbin:Harbin Engineering University)(in Chinese)[高苗2009碩士學(xué)位論文(哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué))]