施丹枰 肖魁

（第七一五研究所，杭州，310023）

由于現(xiàn)代潛艇的隱蔽性和巨大威脅性，反潛已經(jīng)成為現(xiàn)代海上軍事斗爭中的主要環(huán)節(jié)和重要作戰(zhàn)任務(wù)。在各種反潛裝備中，聲吶浮標(biāo)裝備在固定翼反潛巡邏飛機(jī)、反潛直升機(jī)、水面艦船等平臺上使用，具有反應(yīng)迅速、搜索效率高、攻擊能力強(qiáng)、覆蓋海域廣、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為世界各海軍強(qiáng)國戰(zhàn)術(shù)反潛的主要手段。

在聲吶浮標(biāo)搜潛過程中，能夠積累獲取到大量的目標(biāo)水聲和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有重要的研究價(jià)值[1]。當(dāng)前我國聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集體制尚未完善，數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)機(jī)制沒有建立，導(dǎo)致聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，處理難度較大，還不能滿足水下作戰(zhàn)、訓(xùn)練和裝備研制及技術(shù)發(fā)展對水聲數(shù)據(jù)的保障需求。鑒于此，本文就聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)的采集記錄、分析處理、建庫管理、數(shù)據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用等方面進(jìn)行初步的研究和探討。數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程如圖1所示。

圖1 聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程

1 浮標(biāo)數(shù)據(jù)記錄和整編

1.1 數(shù)據(jù)記錄規(guī)范

聲吶浮標(biāo)搜潛裝備由聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)、聲吶浮標(biāo)組成，聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)裝備在飛機(jī)或艦船平臺上，完成浮標(biāo)信號接收、處理和顯示。聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)組態(tài)數(shù)據(jù)規(guī)范要求設(shè)計(jì)記錄接口，一般通過飛機(jī)及艦船平臺的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備進(jìn)行采集和記錄。浮標(biāo)記錄信息應(yīng)包含浮標(biāo)任務(wù)信息、聲吶浮標(biāo)信息、平臺信息、環(huán)境信息及外部信息。

（1）任務(wù)信息由編號、名稱、時(shí)間、任務(wù)描述及各類標(biāo)注信息組成。

（2）聲吶浮標(biāo)信息是記錄數(shù)據(jù)中的主要組成部分，由浮標(biāo)陣元數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、場景數(shù)據(jù)（音視頻）組成。其中浮標(biāo)陣元數(shù)據(jù)包含聲傳感器及溫深等各類傳感器數(shù)據(jù)；聲吶浮標(biāo)操作數(shù)據(jù)包含投放時(shí)間、浮標(biāo)編號、浮標(biāo)類型、無線電通道、浮標(biāo)位置等；浮標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)包含浮標(biāo)無線電工作狀態(tài)、浮標(biāo)定位信息、浮標(biāo)成活狀態(tài)等；浮標(biāo)場景數(shù)據(jù)包含信號處理送顯數(shù)據(jù)、收聽數(shù)據(jù)、顯控音視頻等。

（3）平臺信息由探測目標(biāo)數(shù)據(jù)、平臺導(dǎo)航數(shù)據(jù)、聲吶狀態(tài)數(shù)據(jù)組成。探測目標(biāo)數(shù)據(jù)包含位置、方位、距離、航速等；平臺導(dǎo)航數(shù)據(jù)包含經(jīng)緯度、航向、航速、高度等；聲吶狀態(tài)數(shù)據(jù)包含聲吶性能、系統(tǒng)/分機(jī)狀態(tài)。

（4）水聲環(huán)境信息包含海深、聲速剖面、海底類型、洋流狀況、海洋背景噪聲等。

（5）外部信息由雷達(dá)信息、AIS（Automatic Identification System）信息、其它聲吶平臺探測信息、值更信息等情報(bào)數(shù)據(jù)組成。

完成聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)記錄后，需要快速高效的渠道將聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲到地面處理和存儲設(shè)備，現(xiàn)階段主要通過拆卸記錄設(shè)備的專用存儲介質(zhì)，在地面通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲裝置讀取導(dǎo)入到地面設(shè)備。由現(xiàn)有浮標(biāo)的數(shù)據(jù)采樣率和編碼形式，統(tǒng)計(jì)浮標(biāo)數(shù)據(jù)的存儲量如表1所示。

表1 浮標(biāo)數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)

1.2 數(shù)據(jù)整編方法

目前，聲吶浮標(biāo)在不同的平臺上使用，浮標(biāo)接收處理系統(tǒng)和記錄設(shè)備型號不一，記錄的浮標(biāo)數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式尚不統(tǒng)一，需要對浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行整編，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的格式和規(guī)范化文件包內(nèi)容，便于后續(xù)處理和管理。

數(shù)據(jù)整編包含數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、音頻提取、文件內(nèi)容補(bǔ)充、數(shù)據(jù)架構(gòu)整理等步驟：

（1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是將不同記錄格式的記錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式；

（2）音頻提取是將聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為音頻文件，便于直接解碼播放和保存；

（3）通過按規(guī)范補(bǔ)充缺少的相關(guān)信息，并生成相應(yīng)文件，完成內(nèi)容補(bǔ)充，如含AIS信息的文本文件，含情報(bào)獲取的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡文本文件等；

（4）提出數(shù)據(jù)文件目錄架構(gòu)的規(guī)范要求，對單次任務(wù)浮標(biāo)數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)文件名和文件目錄架構(gòu)進(jìn)行整理，形成格式統(tǒng)一、內(nèi)容完整的數(shù)據(jù)文件素材。

通過制定聲吶浮標(biāo)組態(tài)數(shù)據(jù)記錄規(guī)范，完善聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容，在各浮標(biāo)使用平臺上廣泛采集記錄組態(tài)化的聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)，并整編成規(guī)范化的聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)包，保證聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)質(zhì)量，能夠有效提高后續(xù)數(shù)據(jù)分析、處理和使用效率。

2 浮標(biāo)數(shù)據(jù)復(fù)盤和分析

2.1 浮標(biāo)數(shù)據(jù)復(fù)盤

在聲吶浮標(biāo)搜潛任務(wù)過程中，由于浮標(biāo)工作時(shí)間短，接收處理資源有限、外部獲取情報(bào)信息不夠等原因，聲吶員不能保證對每一枚浮標(biāo)在工作時(shí)段獲取的信息進(jìn)行觀察和甄別，因此在任務(wù)結(jié)束后，需要根據(jù)記錄的浮標(biāo)組態(tài)數(shù)據(jù)，對聲吶浮標(biāo)搜潛任務(wù)情況進(jìn)行復(fù)盤確認(rèn)，評估浮標(biāo)使用效能，并快速形成戰(zhàn)斗要報(bào)。聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)復(fù)盤可分為綜合態(tài)勢復(fù)盤、目標(biāo)探測復(fù)盤、音視頻回放復(fù)盤三種方式。

2.1.1 綜合態(tài)勢復(fù)盤

綜合態(tài)勢復(fù)盤基于組態(tài)記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在海圖上動(dòng)態(tài)展示任務(wù)過程中聲吶浮標(biāo)、探測目標(biāo)、水面/水下平臺及飛機(jī)平臺的位置、深/高度信息及其它工作狀態(tài)信息。

通過解析任務(wù)數(shù)據(jù)，生成浮標(biāo)射頻通道號、處理通道號、處理起始結(jié)束時(shí)間三者的對應(yīng)關(guān)系，顯示作戰(zhàn)綜合態(tài)勢。綜合態(tài)勢要素包括：浮標(biāo)投放信息、溫深信息、可疑目標(biāo)信號頻率、有接觸浮標(biāo)在態(tài)勢圖上的位置對應(yīng)關(guān)系。

由外部情報(bào)信息在海圖上進(jìn)行手動(dòng)標(biāo)繪，增加、刪除、修改態(tài)勢顯示元素，進(jìn)行距離方位測量等操作。定位關(guān)注的任務(wù)時(shí)刻，控制復(fù)盤進(jìn)度。綜合態(tài)勢復(fù)盤界面如圖2所示。

圖2 綜合態(tài)勢復(fù)盤界面

2.1.2 目標(biāo)探測復(fù)盤

目標(biāo)探測復(fù)盤基于組態(tài)記錄數(shù)據(jù)中的浮標(biāo)陣元數(shù)據(jù)和浮標(biāo)操作數(shù)據(jù)，進(jìn)行聲吶浮標(biāo)信號處理和顯控處理的模擬仿真，通過靈活的浮標(biāo)通道、時(shí)刻點(diǎn)、處理參數(shù)選擇等進(jìn)行復(fù)盤觀察收聽，對聲吶浮標(biāo)的探測結(jié)果進(jìn)行分析確認(rèn)。

聲吶浮標(biāo)信號處理方法和顯控界面與真實(shí)裝備一致，完成各型浮標(biāo)的處理結(jié)果顯示和控制，完成浮標(biāo)管理、定位作圖功能。

2.1.3 音視頻回放復(fù)盤

基于記錄的音視頻數(shù)據(jù)，通過音視頻解碼軟件回放聲吶浮標(biāo)操作臺的音視頻，對任務(wù)過程進(jìn)行確認(rèn)，對聲吶浮標(biāo)搜潛任務(wù)過程中的探測場景和聲吶員操作進(jìn)行復(fù)盤確認(rèn)。此項(xiàng)操作簡單快速，同樣是聲吶浮標(biāo)任務(wù)復(fù)盤的一種重要手段。

通過以上數(shù)據(jù)復(fù)盤方式，同步再現(xiàn)聲吶浮標(biāo)的作戰(zhàn)環(huán)境和目標(biāo)探測情況，能夠?qū)β晠雀?biāo)探測到的目標(biāo)信號視聽特征進(jìn)行確認(rèn)，對聲吶浮標(biāo)搜潛任務(wù)過程和探測結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)，從而為聲吶浮標(biāo)搜潛信號處理算法、探潛戰(zhàn)法及作戰(zhàn)效能評估等研究內(nèi)容提供重要技術(shù)支撐。

2.2 浮標(biāo)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)階段，主要基于裝備信號處理算法，利用低頻線譜分析（Low Frequency Analysis and Record，LOFAR）、噪聲解調(diào)譜分析（Demodulated Noise，DEMON）、定向低頻線譜分析（Directional Low Frequency Analysis and Record，DIFAR）、測向定位分析（Correlation Display Analyzing and Recording，CODAR）、主動(dòng)全向分析、海洋環(huán)境噪聲測量分析（Ambient Noise Measurement，ANM）、溫度深度測量分析（Bathythermograph，BT）等浮標(biāo)數(shù)據(jù)分析手段，持續(xù)迭代地開展聲吶浮標(biāo)目標(biāo)識別、目標(biāo)特征提取方面的研究。LOFAR分析工具界面如圖3所示。

圖3 LOFAR分析工具界面

2.2.1 目標(biāo)檢測識別

一方面利用目標(biāo)輻射噪聲 LOFAR譜和DEMON譜等常用特征，提取目標(biāo)軸頻、葉頻和葉片數(shù)等物理特征。另一方面利用時(shí)頻聯(lián)合域變換、功率譜分析等信號處理方法進(jìn)行數(shù)值特征提取。在此基礎(chǔ)上，人工判斷目標(biāo)類型，將多枚浮標(biāo)測得的目標(biāo)方位角、線譜頻率、多普勒頻移、距離等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，對單個(gè)或者多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，獲得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)路徑、航速、航向等估計(jì)值，以進(jìn)行目標(biāo)定位與跟蹤。

2.2.2 目標(biāo)特征提取

● 研究和掌握不同噪聲源輻射噪聲特性與運(yùn)動(dòng)工況、海洋信道傳輸?shù)扔绊懸?guī)律。

● 研究水聲目標(biāo)散射特征，融合多傳感器信息建立目標(biāo)樣本數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析與處理框架。

● 研究深度學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘?yàn)榇淼娜斯ぶ悄芊椒ǎㄟ^對目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維、關(guān)聯(lián)、分類等處理，擬合目標(biāo)數(shù)據(jù)與目標(biāo)類型之間的非線性關(guān)系，自動(dòng)完成特征提取與識別。

通過對聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，完成目標(biāo)特征分析、提取，為特征庫提供素材，為裝備信號處理算法完善和目標(biāo)識別性能提升提供技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)的利用價(jià)值最大化。

3 浮標(biāo)數(shù)據(jù)建庫和管理

浮標(biāo)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)的存儲管理與服務(wù)。廠站建設(shè)的數(shù)據(jù)庫通常采用典型中小規(guī)模數(shù)據(jù)存儲服務(wù)方案。浮標(biāo)數(shù)據(jù)庫劃分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（原始數(shù)據(jù)庫）、上報(bào)數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用支持?jǐn)?shù)據(jù)庫三類。

3.1 數(shù)據(jù)庫功能

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建庫：實(shí)現(xiàn)聲吶浮標(biāo)各類信息的錄入、存儲、加載、更新。

（2）上報(bào)數(shù)據(jù)庫的建庫：實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)報(bào)及相應(yīng)支撐數(shù)據(jù)的錄入、存儲、加載、更新。

（3）應(yīng)用支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的導(dǎo)入：實(shí)現(xiàn)聲吶浮標(biāo)目標(biāo)特征數(shù)據(jù)、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、聲吶浮標(biāo)系統(tǒng)使用性能數(shù)據(jù)的導(dǎo)入操作。

（4）數(shù)據(jù)查詢：實(shí)現(xiàn)對三類數(shù)據(jù)庫的相關(guān)信息檢索和查詢。

（5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。

（6）數(shù)據(jù)備份/恢復(fù)：數(shù)據(jù)庫采用 RAID（Redundant Arrays of Independent Disks）物理備份技術(shù)，能夠在數(shù)據(jù)庫遭到破壞后用備份數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。

（7）數(shù)據(jù)導(dǎo)出：實(shí)現(xiàn)三類數(shù)據(jù)庫的按需導(dǎo)出。

（8）用戶管理模塊：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的用戶管理，提供用戶添加/刪除/權(quán)限修改等功能。

3.2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)聲吶浮標(biāo)系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)特點(diǎn)，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫表的實(shí)體關(guān)系模型?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫的實(shí)體包括任務(wù)、平臺信息、聲吶、海洋環(huán)境、目標(biāo)、雷達(dá)探測信息、AIS目標(biāo)信息、裝備使用性能等。

上報(bào)數(shù)據(jù)庫庫表是上報(bào)數(shù)據(jù)管理部門的標(biāo)準(zhǔn)庫表，主要用于疑似目標(biāo)的二次綜合分析，要求上報(bào)數(shù)據(jù)要覆蓋水聲數(shù)據(jù)分析全要素。數(shù)據(jù)以任務(wù)批次上報(bào)，主要數(shù)據(jù)包括目標(biāo)特性數(shù)據(jù)及同步信息、水聲環(huán)境數(shù)據(jù)、裝備性能庫表以及任務(wù)執(zhí)行相關(guān)信息等。

應(yīng)用支持?jǐn)?shù)據(jù)庫表是數(shù)據(jù)管理部門下發(fā)數(shù)據(jù)使用的標(biāo)準(zhǔn)庫表，包括目標(biāo)特性數(shù)據(jù)、水聲環(huán)境數(shù)據(jù)、裝備性能庫表等，如表2所示。

表2 應(yīng)用支持庫數(shù)據(jù)要素

通過聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)的建庫和管理，提供浮標(biāo)分析前后數(shù)據(jù)快速查詢及下載服務(wù)，對樣本數(shù)據(jù)和目標(biāo)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、分類，最終形成目標(biāo)特征庫、聽音數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，從而為目標(biāo)識別研究和模擬訓(xùn)練提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)作為水聲數(shù)據(jù)中的一種，具備大數(shù)據(jù)特征，具有重要的研究價(jià)值。重視和規(guī)范記錄、整編、復(fù)盤、分析、信息挖掘、數(shù)據(jù)建庫、數(shù)據(jù)管理等一系列數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程環(huán)節(jié)，正確運(yùn)用數(shù)據(jù)記錄和處理方法，對聲吶浮標(biāo)數(shù)據(jù)充分利用，掌握數(shù)據(jù)特性、規(guī)律，挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，為聲吶浮標(biāo)搜潛模擬訓(xùn)練、聲吶浮標(biāo)搜潛裝備性能提升、海洋環(huán)境研究提供豐富的數(shù)據(jù)支撐，對聲吶浮標(biāo)搜潛技術(shù)發(fā)展和作戰(zhàn)訓(xùn)練具有重大意義。