魚雷稀疏陣高分辨目標(biāo)聲成像方法

樊書宏, 王英民, 岳 玲, 康文鈺

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魚雷稀疏陣高分辨目標(biāo)聲成像方法

樊書宏1,2, 王英民1, 岳 玲1,2, 康文鈺1,2

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072; 2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西 西安, 710075)

魚雷目標(biāo)聲成像和圖像制導(dǎo)是魚雷在現(xiàn)代復(fù)雜水聲對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)條件下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確目標(biāo)識(shí)別和智能化精確制導(dǎo)的最有效途徑。為了實(shí)現(xiàn)魚雷圖像化目標(biāo)識(shí)別和精確圖像制導(dǎo), 針對(duì)魚雷應(yīng)用特點(diǎn), 研究了魚雷利用預(yù)成空間密集窄波束實(shí)現(xiàn)高方位分辨、同時(shí)利用各窄波束寬帶信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)高距離分辨的目標(biāo)聲成像方法, 提出了魚雷聲成像高頻非均勻復(fù)合稀疏陣及其波束形成方法, 分別給出了寬帶信號(hào)高距離分辨成像處理方法和基于雙閾值分割及模糊聚類的目標(biāo)聲圖像優(yōu)化處理方法, 有效實(shí)現(xiàn)了空間方位和距離高分辨的魚雷目標(biāo)聲成像。該方法大大減小了硬件規(guī)模, 易于工程實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)仿真和水池試驗(yàn)結(jié)果表明, 該魚雷目標(biāo)聲成像方法可以有效獲取目標(biāo)聲圖像, 并具有很高的方位和距離分辨能力。

魚雷; 稀疏陣; 水下聲成像; 目標(biāo)識(shí)別; 水聲對(duì)抗

0 引言

現(xiàn)代魚雷實(shí)際面臨的作戰(zhàn)目標(biāo)十分復(fù)雜。一方面, 各種誘餌和干擾器材不斷發(fā)展, 不僅模擬目標(biāo)特性的電聲處理能力不斷提高, 而且出現(xiàn)了拖曳線列陣等新型目標(biāo)模擬裝置。另一方面, 潛艇等水下目標(biāo)抗爆炸和抗毀傷能力大大提高。同時(shí), 現(xiàn)代海戰(zhàn)一般是大型航母戰(zhàn)斗群的集群作戰(zhàn), 魚雷自導(dǎo)檢測(cè)扇面內(nèi)呈現(xiàn)出明顯的多目標(biāo)特征。因此, 魚雷須進(jìn)一步提高真假目標(biāo)識(shí)別能力, 而且具有對(duì)不同目標(biāo)或目標(biāo)不同部位準(zhǔn)確分辨能力, 以有效打擊重要目標(biāo)并選擇攻擊目標(biāo)重點(diǎn)部位[1]。

由于目標(biāo)圖像可以反映最直觀、最全面的目標(biāo)信息, 因此水下目標(biāo)聲成像是水下目標(biāo)識(shí)別的最有效方法[1]。圖像制導(dǎo)因其具有制導(dǎo)精確、抗干擾能力強(qiáng)等無可比擬的優(yōu)勢(shì)也成為提高制導(dǎo)武器目標(biāo)識(shí)別和精確制導(dǎo)能力的有效途徑。對(duì)于水下目標(biāo), 目標(biāo)體結(jié)構(gòu)的空間分布及其形狀尺度特征是各種聲誘餌和干擾對(duì)抗器材很難用電子方法模擬的目標(biāo)本質(zhì)特征。實(shí)踐證明, 目標(biāo)尺度識(shí)別是最為有效的目標(biāo)識(shí)別方法。

因此, 魚雷在末制導(dǎo)階段通過高分辨目標(biāo)檢測(cè)信息處理, 有效獲取工作扇面所有目標(biāo)特征信息, 構(gòu)建目標(biāo)結(jié)構(gòu)空間分布的全景式聲圖像, 根據(jù)目標(biāo)圖像準(zhǔn)確識(shí)別真假目標(biāo), 優(yōu)選重點(diǎn)目標(biāo), 有效識(shí)別目標(biāo)具體部位, 精確攻擊目標(biāo)關(guān)鍵部位, 可極大提高魚雷多目標(biāo)分辨、智能化識(shí)別和精確制導(dǎo)能力。

1 魚雷預(yù)成密集波束目標(biāo)聲成像

與水下成像聲納目標(biāo)成像不同, 魚雷利用聲成像方法進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和精確制導(dǎo), 其成像目的不同于一般聲納成像近距離條件下很精細(xì)的目標(biāo)分辨率, 而在于相對(duì)較遠(yuǎn)距離條件下有效提取目標(biāo)物理結(jié)構(gòu)的空間分布特征。

魚雷聲成像的應(yīng)用條件具有以下主要特點(diǎn)[3]: 1) 魚雷處于高速運(yùn)動(dòng)中; 2) 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)規(guī)律未知,處于隨機(jī)機(jī)動(dòng)中; 3) 大視角自動(dòng)目標(biāo)聲成像; 4) 聲成像基陣受限于魚雷有限物理孔徑; 5) 聲成像系統(tǒng)硬件規(guī)模和復(fù)雜度受限于魚雷有限空間和可承載能力; 6) 高實(shí)時(shí)性的成像算法滿足魚雷單周期目標(biāo)檢測(cè)體制要求。魚雷聲成像這些應(yīng)用條件和特點(diǎn)使得現(xiàn)有多種聲納成像方法難以直接應(yīng)用。

魚雷預(yù)成密集波束目標(biāo)聲成像是可應(yīng)用于魚雷目標(biāo)識(shí)別的聲成像有效途徑之一, 基本原理如圖1。

圖1 魚雷基于預(yù)成密集波束的目標(biāo)聲成像方法

圖1中, 當(dāng)魚雷跟蹤目標(biāo)到一定距離開始聲成像目標(biāo)識(shí)別時(shí), 通過聲成像基陣發(fā)射寬波束信號(hào)覆蓋目標(biāo)空間, 并接收目標(biāo)回波, 在魚雷檢測(cè)扇面內(nèi)同時(shí)形成覆蓋目標(biāo)空間的密集接收波束。魚雷通過對(duì)各個(gè)窄波束信號(hào)進(jìn)行高分辨距離成像處理, 可以獲取檢測(cè)扇面內(nèi)各個(gè)方向不同距離處目標(biāo)結(jié)構(gòu)的空間分布情況, 有效構(gòu)建目標(biāo)方位-距離分布聲圖像。該方法穩(wěn)健性強(qiáng), 可以適用于魚雷高速運(yùn)動(dòng)和目標(biāo)隨機(jī)機(jī)動(dòng)的應(yīng)用條件。

2 非均勻復(fù)合稀疏陣波束方位分辨

2.1 魚雷聲成像高頻非均勻復(fù)合稀疏陣

相同陣列孔徑條件下, 提高工作頻率, 有利于減小波束寬度, 改善空間方位分辨率。因此, 魚雷聲成像系統(tǒng)可在保證一定成像距離的條件下, 適當(dāng)提高成像工作頻率。但是, 如果采用一般魚雷自導(dǎo)陣元間距半波長或一個(gè)波長的均勻平面陣, 由于成像頻率高, 對(duì)應(yīng)波長小, 陣元數(shù)和信號(hào)處理通道數(shù)將增加, 復(fù)雜的硬件規(guī)模將極大影響魚雷聲成像的工程實(shí)現(xiàn)的可行性。

研究中采用了一種魚雷聲成像高頻非均勻復(fù)合稀疏陣[3]。魚雷在水平或垂直平面形成密集波束時(shí), 該基陣等效原理模型如圖2所示。

圖2中, 設(shè)基陣工作中心頻率對(duì)應(yīng)的波長為, 基陣分別由陣元數(shù)1、陣元間距1=2和陣元

圖2 非均勻復(fù)合基陣原理模型

數(shù)2、陣元間距2=/2的2個(gè)子陣復(fù)合而成。兩均勻子陣具有相同等效聲陣中心, 中間部分陣元共用, 組成總體上非均勻魚雷聲成像復(fù)合基陣。

2.2 非均勻復(fù)合陣波束形成方法

以頻率為的信號(hào)說明非均勻復(fù)合陣波束形成基本方法。設(shè)為平面波入射方向,為單個(gè)換能器接收信號(hào)幅度,為信號(hào)角頻率,1為相鄰陣元接收信號(hào)間的相位差,01為相鄰陣元之間插入延時(shí)附加的相移, 對(duì)于陣元數(shù)1、間距1=2均勻陣, 其0方向波束輸出為[4-5]

對(duì)于中間陣元數(shù)2、2=/2的均勻陣, 其0方向波束輸出為

式中:D為兩子陣參考點(diǎn)接收信號(hào)的相位差。

根據(jù)1(,)，2(,)的輸出結(jié)果, 進(jìn)行乘積復(fù)合處理, 總的波束輸出為

式中: |2(,)|為信號(hào)2(,)的包絡(luò)。將幅度歸一化, 可以得到基陣在0方向的指向性函數(shù)為

由式(4)可見, 當(dāng)=0時(shí), 各陣元的接收信號(hào)同相疊加, 波束輸出最大。當(dāng)10時(shí), 波束輸出減小。

2.3 波束分析與仿真

根據(jù)式(4)0方向指向性函數(shù), 令

可得唯一解

因此, 波束不會(huì)出現(xiàn)柵瓣。

選取聲成像系統(tǒng)工作中心頻率=100 kHz, 聲速=1 500 m/s。同時(shí), 如果取1=21,2=17, 則共需要33個(gè)信號(hào)接收處理通道。

設(shè)波束的半功率點(diǎn)方向?yàn)?i>, 波束的銳度角方向?yàn)?i>, 則分別由

可解得?0.6°,?1.36°。

因此, 0°方向主波束-3 dB波束寬度為

0°方向主波束的方向銳度角為

0°波束圖仿真結(jié)果見圖3。由圖中可知, 主瓣指向性準(zhǔn)確, 波束無柵瓣, 魚雷聲成像高頻非均勻復(fù)合稀疏陣是可行的。

圖3 0°波束圖仿真結(jié)果

3 基于寬帶信號(hào)處理的距離分辨

3.1 寬帶信號(hào)處理距離分辨原理

聲成像系統(tǒng)采用寬頻帶信號(hào)可大大提高距離分辨率, 當(dāng)距離分辨率很高時(shí), 從大尺度目標(biāo)(如潛艇等)接收到的不再是“點(diǎn)目標(biāo)”回波, 而是沿距離分布開的1D距離像[6]。

根據(jù)目標(biāo)聲散射的“亮點(diǎn)”模型理論, 目標(biāo)回波信號(hào)是目標(biāo)體上多個(gè)聲散射亮點(diǎn)子回波線性疊加的結(jié)果。魚雷聲成像系統(tǒng)采用時(shí)寬較大的寬頻帶信號(hào)(如線性調(diào)頻信號(hào)), 通過脈沖壓縮, 強(qiáng)散射點(diǎn)的子回波表現(xiàn)為尖峰。在平面波的條件下, 目標(biāo)回波內(nèi)眾多散射點(diǎn)子回波的窄脈沖分布構(gòu)成目標(biāo)各散射點(diǎn)投影到魚雷波束方向的距離像。目標(biāo)1D距離像的波形隨視角緩慢變化。然而, 當(dāng)同一距離單元中有多個(gè)散射點(diǎn)子回波作向量和時(shí), 尖峰的幅度可能是快變的。這種目標(biāo)多散射亮點(diǎn)回波窄脈沖沿距離向分布構(gòu)成1D距離像, 以及距離像隨視角變化而具有的峰值位置緩變性和峰值幅度快變性, 可作為魚雷目標(biāo)特性識(shí)別的基礎(chǔ)[6]。

設(shè)魚雷聲成像系統(tǒng)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào), 帶寬, 脈寬, 中心頻率為f, 調(diào)頻斜率為=/, 信號(hào)具體表達(dá)式為

其中

基帶線性調(diào)頻(linear frequency modulation, LFM)脈沖信號(hào)為

其對(duì)應(yīng)的頻譜為

采用相關(guān)處理的匹配濾波方法對(duì)上述LFM信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理, 可以得到

()的-3 dB主瓣寬度為

因此, 采用寬帶信號(hào)相關(guān)處理方法的目標(biāo)成像距離分辨率為

由此可見, 對(duì)于不同距離處的目標(biāo)亮點(diǎn), 可以通過寬帶信號(hào)相關(guān)處理進(jìn)行分辨。

3.2 寬帶信號(hào)距離分辨成像仿真

假設(shè)目標(biāo)潛艇長度100 m, 艇體上6個(gè)聲散射亮點(diǎn)均勻分布, 魚雷距離目標(biāo)1 000 m, 攻擊舷角60°。魚雷發(fā)射LFM信號(hào),=100 ms,=20 kHz。則魚雷發(fā)射信號(hào)以及接收到目標(biāo)各聲散射亮點(diǎn)的子回波信號(hào)分別如圖4所示。圖中, 最上端信號(hào)為發(fā)射信號(hào)。根據(jù)發(fā)射時(shí)刻魚雷與目標(biāo)的相對(duì)位置, 目標(biāo)各亮點(diǎn)分別分布于970～1 030 m不同距離處, 其反射子回波分別具有與其距離對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲。圖中，各小圖縱坐標(biāo)均表示亮點(diǎn)回波，橫坐標(biāo)均表示時(shí)間。

圖4 發(fā)射信號(hào)及接收的各亮點(diǎn)子回波信號(hào)

目標(biāo)總回波信號(hào)為各亮點(diǎn)子回波信號(hào)的迭加和, 如圖5所示。圖中, 目標(biāo)各亮點(diǎn)子回波信號(hào)迭加在一起, 難以分辨。

圖5 目標(biāo)總回波信號(hào)

圖6給出了目標(biāo)各亮點(diǎn)的實(shí)際位置以及距離分辨成像處理得到的目標(biāo)距離像。

圖6 目標(biāo)各亮點(diǎn)位置及其距離像

圖中, 上圖給出了目標(biāo)各亮點(diǎn)的實(shí)際位置關(guān)系, 可見各亮點(diǎn)距離依次增大, 信號(hào)強(qiáng)度依次降低。下圖給出了目標(biāo)各亮點(diǎn)距離像, 可見目標(biāo)各亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)際距離位置處均出現(xiàn)峰值, 目標(biāo)距離像清楚分辨出了目標(biāo)體上所有亮點(diǎn), 顯示了各亮點(diǎn)精確距離坐標(biāo)。

4 目標(biāo)圖像優(yōu)化處理

水聲信道具有時(shí)變、空變的復(fù)雜特性, 海洋環(huán)境中實(shí)際獲取的目標(biāo)聲圖像經(jīng)常受到多途、混響以及各種海洋環(huán)境噪聲的影響, 存在著較嚴(yán)重的干擾, 與光學(xué)圖像相比分辨率低, 一般不能直接用于目標(biāo)分辨和識(shí)別, 需要進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化處理。

水聲圖像處理一般包括圖像平滑、增強(qiáng)、恢復(fù)、邊緣檢測(cè)和分割等圖像操作, 從圖像中提取有用測(cè)度、數(shù)據(jù)或信息, 使魚雷可以根據(jù)目標(biāo)聲圖像自動(dòng)完成目標(biāo)識(shí)別和選擇攻擊。研究中采用了基于雙閾值分割和模糊聚類的圖像優(yōu)化處理方法。

首先采用雙閾值1和2(1<2)實(shí)現(xiàn)圖像分割, 通過髙閾值2選擇目標(biāo)的亮區(qū), 再通過選擇髙于低閾值1和與亮區(qū)相鄰的次亮區(qū), 亮區(qū)和次亮區(qū)整個(gè)區(qū)域即為目標(biāo)區(qū)域。同時(shí)使用2個(gè)閾值可以較好地把背景與目標(biāo)分割開來。在此基礎(chǔ)上, 采用聚類分析方法實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步圖像優(yōu)化處理。聚類分析是研究“物以類聚”規(guī)律的一種多元統(tǒng)計(jì)方法。基于原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化變換, 采用距離系數(shù)作為分類統(tǒng)計(jì)量, 兩樣本距離越近, 相似性越好, 距離越遠(yuǎn)則相似性越差。

設(shè)目標(biāo)圖像各像素點(diǎn)的灰度值分別為x,=1,2,…,, 凝聚點(diǎn)重心分別為X和X, 模糊聚類的距離計(jì)算式為

在模糊聚類過程中, 凝聚點(diǎn)重心坐標(biāo)隨不斷加入該類新元素的值而持續(xù)更新, 這樣通過循序漸進(jìn)的圖像處理過程, 可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)和干擾背景的有效分離, 達(dá)到目標(biāo)圖像優(yōu)化處理的目的。

5 水池試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

為了測(cè)試目標(biāo)聲成像系統(tǒng)對(duì)位于同一工作扇面內(nèi)不同聲源的成像與分辨性能, 采用了如圖7所示的試驗(yàn)系統(tǒng)。在消聲水池中, 利用隨機(jī)布放的多個(gè)不同發(fā)射換能器分別代表目標(biāo)體上處于不同空間位置的聲反射亮點(diǎn)。各發(fā)射換能器與聲成像基陣均位于水下同一深度處, 與聲成像基陣中心的距離為。信號(hào)源信號(hào)經(jīng)過功率放大后通過水密電纜傳輸給各發(fā)射換能器發(fā)射出去, 作為目標(biāo)聲源。聲成像基陣接收目標(biāo)聲源信號(hào), 并經(jīng)過固定增益放大后通過水密電纜傳輸?shù)侥M信號(hào)處理機(jī)。根據(jù)聲源信號(hào)強(qiáng)度完成可變?cè)鲆娣糯蠛蜑V波后, 由信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換。最后對(duì)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)聲成像數(shù)據(jù)處理。

圖7 聲成像水池試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中, 分別對(duì)圖8(a)所示的斜線形聲源目標(biāo)和圖8(b)所示的三角形聲源目標(biāo)進(jìn)行了聲成像試驗(yàn)。圖8(a)和(b)中分別示出了不同點(diǎn)目標(biāo)聲源的相對(duì)位置關(guān)系, 其中,123分別為點(diǎn)目標(biāo)聲源,1234分別為相對(duì)距離。

圖8 不同分布的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)模型

試驗(yàn)中分布目標(biāo)的各具體參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)中, 分布目標(biāo)幾何中心與聲成像系統(tǒng)接收基陣等效聲中心平均距離約4.0 m, 發(fā)射信號(hào)為LFM信號(hào), 脈寬=2 ms, 帶寬=6 kHz, 中心頻率f=112.5 kHz, 采樣頻率f=50 kHz。

表1 試驗(yàn)分布目標(biāo)的實(shí)際參數(shù)

圖9給出了試驗(yàn)中采集的單通道實(shí)信號(hào)時(shí)域波形及其頻域分析結(jié)果。由圖可見, 目標(biāo)聲源信號(hào)的時(shí)域延遲、脈沖寬度等與實(shí)際目標(biāo)位置一致, 頻域波形正確。

圖10給出了圖9所示該通道信號(hào)經(jīng)數(shù)字處理后獲取的復(fù)基帶信號(hào)時(shí)頻域波形。

圖11顯示了基于圖10各通道復(fù)基帶信號(hào)形成-60°～60°檢測(cè)扇面內(nèi)密集波束進(jìn)行目標(biāo)聲成像的方位分辨結(jié)果。由圖可見, 目標(biāo)聲源所在方位的波束輸出明顯高于無目標(biāo)聲源方向的波束輸出。而且, 目標(biāo)聲源的強(qiáng)度越大, 該方向波束輸出越高。

圖9 試驗(yàn)采集單通道實(shí)信號(hào)時(shí)頻域波形

圖12顯示了試驗(yàn)中對(duì)第1個(gè)目標(biāo)亮點(diǎn)所在波束利用信號(hào)相關(guān)處理進(jìn)行目標(biāo)聲成像的距離分辨結(jié)果。試驗(yàn)中, 第1個(gè)目標(biāo)亮點(diǎn)聲源實(shí)際位于-14°方向波束, 其距離最近, 實(shí)際距離約為3 m。由圖可見, 該波束經(jīng)相關(guān)處理后, 在3 m位置處出現(xiàn)峰值, 精確顯示了目標(biāo)實(shí)際距離位置。

圖12 試驗(yàn)中距離成像處理的目標(biāo)距離分辨結(jié)果

圖13和圖14分別給出了對(duì)圖8 (a)和圖8 (b)所示不同分布目標(biāo)的聲成像試驗(yàn)結(jié)果。其中, 左邊分別為聲成像系統(tǒng)直接獲取未經(jīng)優(yōu)化處理的斜線形分布目標(biāo)和三角形分布目標(biāo)的原始聲圖像, 而且上圖為側(cè)視圖, 下圖為俯視圖, 可見明顯存在較大噪點(diǎn)。右圖分別為2種分布目標(biāo)左圖經(jīng)過優(yōu)化處理后對(duì)應(yīng)目標(biāo)聲圖像的側(cè)視圖和俯視圖, 可見明顯提高了目標(biāo)圖像質(zhì)量, 改善了目標(biāo)成像效果。

圖13、圖14表明, 試驗(yàn)結(jié)果與前述理論分析及計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果一致。因此, 基于非均勻乘積復(fù)合稀疏陣的魚雷聲成像方法可行且有效。

6 結(jié)束語

目標(biāo)聲成像是水下目標(biāo)識(shí)別的最有效途徑。本文針對(duì)魚雷以及水下高速UUV等聲成像載體平臺(tái)的聲成像應(yīng)用條件, 提出了基于非均勻乘積復(fù)合稀疏陣預(yù)成空間密集波束的方位高分辨與寬帶信號(hào)處理距離高分辨的聲成像方法。理論計(jì)算分析了該方法的性能, 進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和水池試驗(yàn)研究, 驗(yàn)證了該聲成像方法的可行性和有效性。研究結(jié)果表明, 該方法減小了硬件規(guī)模, 增強(qiáng)了工程應(yīng)用可行性, 同時(shí)可以有效實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)聲成像, 為魚雷目標(biāo)識(shí)別工程應(yīng)用提供參考。

圖13 斜線形分布目標(biāo)聲成像試驗(yàn)結(jié)果

圖14 三角形分布目標(biāo)聲成像試驗(yàn)結(jié)果

[1] Sutton L. Underwater Acoustic Imaging[J]. Proceedings of the IEEE, 1979, 67(4): 554-566.

[2] 張靜遠(yuǎn), 金裕紅, 張群飛, 等. 寬帶距離-伸縮聲成像實(shí)驗(yàn)研究[J]. 魚雷技術(shù), 2002, 10(4): 47-50.

[3] 樊書宏, 王英民, 岳玲. 基于復(fù)合陣魚雷聲成像方位分辨率提高方法[J]. 魚雷技術(shù), 2009, 17(1): 26-30.

Fan Shu-hong,Wang Ying-min,Yue Ling.A Method for Azimuth Resolution Improvement of Torpedo Acoustic Imaging Based on Complex Array[J]. Torpedo Techn- ology, 2009, 17(1): 26-30.

[4] 欒桂冬, 張金鐸. 壓電換能器和換能器陣[M]. 1版. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2005.

[5] 田坦, 劉國枝, 孫大軍. 聲納技術(shù)[M]. 1版. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2000.

[6] 保錚, 邢孟道, 王彤. 雷達(dá)成像技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005.

High Resolution Acoustic Imaging for Torpedo Target Recognition with Sparse Array

FAN Shu-hong1,2, WANG Ying-min1, YUE Ling1, KANG Wen-yu1,2

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072，China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Underwateracoustic imaging and image guidance are the most effective ways to torpedo target recognition and intelligent precision guidance in modern complex underwater acoustic countermeasure of battlefield environment. In order to realize target image recognition and precise image guidance in torpedoes, aiming at torpedo applications, this study presented an acoustic imaging method with high azimuth and range resolutions by means of preformed dense narrow beams and image signal processing of each narrow beam. A novel high frequency non-uniform sparse array and the beamforming method were put forward to generate dense narrow beams and achieve high azimuth resolution. Andthe algorithms of high range resolution imaging processing with wideband signal were proposed for each beam further processing and achieving high range resolution. Additionally, a method for target acoustic image optimization based on double thresholds segmentation and fuzzy clustering analysis was developed. Hence, target high resolution acoustic imaging was implemented with lower hardware complexity of the imaging system and convenience. Computer simulations and experiments indicate that the acoustic imaging scheme is effective to achieve target acoustic images with high azimuth and range resolutions.

torpedo; sparse array; underwater acoustic imaging；target recognition；underwater acoustic countermeasure

TJ630.34

A

1673-1948(2011)01-0020-07

2010-08-19;

2010-11-01.

國防科技預(yù)先研究資助項(xiàng)目.

樊書宏(1975-), 男, 在讀博士, 主要研究方向?yàn)樗曅盘?hào)處理及水下目標(biāo)識(shí)別等.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)