水中目標回波亮點統計特征研究*

陳云飛李桂娟王振山張明偉賈兵

1)(大連理工大學船舶工程學院,大連 116024)

2)(水下測控技術重點實驗室,大連 116013)

1 引言

目標回波是主動聲納對水中目標探測、識別的主要信息源,而目標回波亮點特征則是目標特征信息的體現形式之一,對目標回波亮點所表征的目標信息的利用程度影響主動聲納對水中目標的識別性能.主動聲納工作過程中,礁石和海洋動物引起的混響是最嚴重的干擾.礁石和海洋動物的回波,不僅信號的頻率與目標回波頻率相同,而且也存在亮點特性.因此,如何區分礁石、魚群和水中目標一直是制約主動聲納識別技術的難點問題.從聲納目標識別的角度來說,希望能夠利用穩健性好、區分度明顯的特征實現對水中目標、礁石和魚群目標的區分.理論和實測研究已經表明,水中復雜目標是一個多亮點目標,并且復雜目標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,這導致在實際的聲納目標識別中難以獲取一個穩定的用于不同種類目標區分的特征.

目前對于水中復雜目標回聲亮點特性的研究主要分為三個大的方面:水中目標回聲亮點特性理論和預報研究[1-4],從機理上揭示目標回波亮點特性與目標物理屬性之間的關系;縮比模型和實尺度目標的測試研究[5-8],一方面對理論研究結果進行驗證,另一方面也通過實測分析,發現了理論研究尚未能預報的現象;基于理論和實驗研究的結果,研究目標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能夠獲取復雜目標隨方位角變化的回波亮點特征,并且相關研究也表明海豚能夠利用回波亮點的幅度和位置關系進行不同目標定位[13,14],但由于水中復雜目標回波亮點特征的舷角變化特性,目標回波亮點特征(目標回波亮點的數量、目標回波亮點的強度分布、目標回波亮點的間隔)難以直接被主動聲納識別所利用,導致特征研究與實際應用轉化之間的困難.

本文主要從主動聲納識別的應用角度,研究水中目標(主要針對Benchmark潛艇模型)的回波亮點特征的定量表征方式,提取了標準潛艇目標亮點統計特征,并與礁石目標進行對比.

2 目標回波亮點統計特征理論模型

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

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

2.1 基于亮點模型的目標散射函數估計

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

其中 δ(x)為 Dirac函數,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.

由(1)式,接收陣接收到的目標回波信號y0(t,θ)可表示為

圖1 水中目標亮點統計特征分析框架

圖2 復雜體目標回波亮點示意圖

其中x(t)為發射信號,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)式為水中復雜目標的回波亮點模型,對于海中的其他尺度目標,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出亮點特性,這也是主動聲納很難區分水中人造目標和其他目標的原因.目標散射函數包含了目標的特征屬性,不同目標的散射函數具體參數表征了目標的固有特征.

一個實際目標的散射函數包括多亮點沖擊響應函數和散射背景,散射背景由目標的棱、角、排水孔和肋板等細碎亮點集構成.由此,(1)式改寫為目標的散射函數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回波信號的拷貝相關器輸出w(t)為

上式中n(t)?s?(t)為拷貝相關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,在中遠距離環境噪聲的影響顯著增強,在本文主要考慮環境噪聲的影響.因此若干擾噪聲n(t)與信號s(t)互相關獨立,則該項較小,通常可以忽略.(6)式則可表示為

(7)式表明可以通過對目標回波的拷貝相關器輸出對目標散射函數進行估計.

2.2 目標散射函數統計特征

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

1)亮點個數n(θ);

2)亮點間的位置關系系數

通過對復雜目標全方位(0?-180?)下目標散射函數的四個主要特征參數進行統計分析,建立不同方位角條件下的復雜目標回波亮點特征樣本集.水中復雜體目標與礁石回波特性的最大區別就在于目標亮點統計特征值的不同,即通過多維的定量特征對水中目標和礁石等目標進行區分.按照上述定義,基于模型實驗對標準潛艇模型目標回波亮點統計特征進行提取.

3 實驗測試

圖3 實驗水域

圖4 標準潛艇縮比模型照片

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,實驗區水域開闊水深24 m左右,實驗區如圖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.測試實驗的發射信號為40-80kHz寬帶線性調頻信號,脈沖寬度為2 ms.被測目標模型從艇艏開始旋轉180?,數據采集采用連續記錄的方式.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臺上,通過轉臺的轉動改變潛艇模型的舷角,收發合置換能器布放在距目標10.5 m位置,二者布放深度為3 m,滿足遠場要求,發射波束中心對準模型位置固定不動.圖6為發射換能器的發送電壓響應,可以看出換能器在工作頻段范圍內,頻響曲線相對平坦,適合于發射寬帶線性調頻信號.發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 實驗設備布置示意圖

圖6 發射換能器的發送電壓響應

4 標準潛艇縮比模型亮點統計特征提取

基于本文研究的目標亮點統計特征理論模型,對Benchmark模型的實測數據進行分析處理.由于被測目標為連續旋轉,數據采集采用連續記錄的方式,為了能夠將目標舷角與相應測試數據對應,在數據處理中實際數據的選取是根據旋轉角度與采集數據的時間長度的對應關系進行截取.圖7為目標亮點統計特征提取信號處理流程,具體為:

1)截取目標各舷角對應的回波數據,對回波數據進行拷貝相關處理,輸出相應舷角的目標散射函數估計;

2)對輸出的散射函數估計進行歸一化和低通濾波;

3)結合亮點閾值分析進行目標回波亮點判別;

4)根據實驗的聲場配置情況和目標二維散射函數圖,對由外部干擾信號造成的偽亮點進行去除;

5)對亮點個數、位置關系和強度分布特征進行提取.

4.1 目標二維散射函數圖

對所有舷角的回波數據進行拷貝相關處理,可得到如圖8所示的標準潛艇模型目標二維散射函數圖,其中圖8(a)為試驗測得的標準潛艇模型二維散射函數圖,圖8(b)為理論計算的標準潛艇模型二維散射函數圖.理論計算與實驗結果符合較好,圖中艏艉方向細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,亮點數少,亮點背景弱.

圖7 亮點統計特征提取流程圖

從圖8可以看出,隨著舷角的變化,目標回波亮點的個數和強弱顯著變化,單一角度下的目標回波特征難以表征目標回波的全面特征.由潛艇目標回波亮點形成機理可以知道潛艇目標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構成的固定亮點,對應艇體上的固定位置,艇體表面的鏡反射區構成的移動亮點,移動亮點和固定亮點強度均隨舷角變化,從而體現了定量的數值變化.在穩態情況下,目標亮點統計特征是固定的,體現了潛艇復雜體目標的固有屬性,因此可以通過實測的方法定量的確定目標亮點的統計特征.

4.2 目標散射函數B(θ,τ)的估計

圖9-15為不同舷角的回波進行相關處理和低通濾波后得到的標準潛艇縮比模型目標散射函數估計.通過對比,可以看出不同舷角情況下的目標散射函數顯著不同,按照目標回波亮點的統計特征模型對不同舷角情況下的亮點參數進行統計分析.

圖8 單層殼體Benchmark潛艇時域回波結構 (a)實驗結果;(b)理論計算結果

圖9 0?舷角目標散射函數

圖10 30?舷角目標散射函數

圖11 60?舷角目標散射函數

圖12 90?舷角目標散射函數

4.3 回波亮點個數n(θ)

圖13 120?舷角目標散射函數

圖14 150?舷角目標散射函數

圖15 180?舷角目標散射函數

從(7)式中可以看出,目標散射函數中除了亮點特征項之外也包含了散射背景項,因此在進行亮點參數提取時,首先需要確定亮點與散射背景之間的比例關系,即亮點判別的閾值.這里采用一種以類間方差和類內方差為判斷準則的閾值確定方法[16].對于給定的閾值k,可以將回波數據分為亮點數據與非亮點數據兩類,亮點類數據個數為W1(k),平均值為M1(k),方差為σ21(k);非亮點類數據個數為W2(k),平均值為M2(k),方差為整個數平均值為Mr(k),則類內方差計算公式為

表1 不同舷角回波亮點個數

圖16 亮點個數隨舷角分布

依照選定的閾值對不同舷角的下的散射函數進行回波亮點個數統計,并將作為目標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,圖16為亮點個數隨方位變化分布圖,其中每個舷角參與統計分析的回波個數為5個.通過對不同舷角下的回波亮點個數的對比分析可以看出,在正橫方位,目標體上各部位的反射回波幾乎同時到達接收陣,只表現出兩個亮點,隨著角度偏離正橫位置,各部位反射回波到達接收陣的時間差逐漸增大,表現為亮點個數的增加,亮點個數的變化體現了水中復雜體目標的方位信息,可作為目標識別的特征之一.

4.4 亮點間的位置關系特征r(θ)

亮點在散射函數中的位置及時序是決定目標散射函數的另一個重要參數,亮點的絕對時序間隔隨目標的尺度而變化,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,亮點間的相對位置關系是一個固定的比例關系,表征了目標的形狀信息,因此其可以作為目標識別的重要參數之一.

表2 不同舷角回波亮點位置關系

基于已經得到的不同舷角的散射函數估計,將高于閾值的第一個亮點作為基準亮點,高于閾值的最后一個亮點作為結束亮點,各亮點位置進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系是目標形狀的特征體現.

4.5 亮點間的強度系數特征υ(θ)

亮點強度是決定目標散射函數的另一個重要參數,體現了目標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系是表征目標形狀、材質和內部結構的重要特征,該特征對于水中復雜體目標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系

4.6 亮點集中度特征l(θ)

基于散射函數估計,對不同舷角下的亮點集中度進行計算,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 標準潛艇模型回波亮點集中度隨舷角分布

5 海邊礁石亮點統計特征

為了對比人造目標和礁石目標亮點分布特征,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.由于礁石目標形狀不規則,沒有潛艇目標舷角的概念,因此選定礁石某方位為起始角度,旋轉180?測量回波數據,具體測量方法與標準潛艇縮比模型散射特性測量方法相同.測試實驗的發射信號為40-80 kHz寬帶線性調頻信號,脈沖寬度為2 ms.

5.1 目標二維散射函數圖

圖19為海邊礁石目標的二維散射函數圖,與人造目標不同,礁石目標不存在規則的幾何形狀,礁石目標亮點細碎,與人造目標亮點特征差異明顯.

圖18 試驗測試的海邊礁石照片

圖19 礁石目標二維散射函數圖

5.2 目標散射函數B(θ,τ)的估計

圖20-23分別為礁石目標四個不同角度下的目標散射函數估計.通過對比,可以看出礁石目標亮點細碎,亮點間隔小,且不同方位角情況下,礁石目標散射函數與人造目標散射函數相比,變化不明顯,這是由于礁石目標沒有人造目標的規則外形和復雜內部結構,目標的細碎亮點主要是由目標的不規則外形散射引起的.

圖20 0?方位角礁石目標散射函數

圖21 60?方位角礁石目標散射函數

5.3 亮點集中度特征l(θ)

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

6 結論

本文從水中目標分類識別的應用角度出發,研究了水中目標不同舷角下的回波亮點統計特征,通過分析可以得出如下結論:

1)目標回波亮點是水中復雜體目標回波的重要特征,基于目標散射函數的目標回波亮點統計特征是對目標回波的細致描述和表征,體現了水中復雜體目標回波亮點更為精細的特征;

圖22 120?方位角礁石目標散射函數

圖23 180?方位角礁石目標散射函數

2)通過對不同舷角的目標回波進行散射函數估計,并基于目標散射函數估計進行目標回波亮點參數統計分析,可以獲得目標回波亮點特征的定量描述和表征;

圖24 礁石目標亮點集中度隨角度分布

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

4)本文提出的基于亮點模型的水中復雜目標散射函數估計方法中重點考慮了目標的艏艉方向回波亮點的統計特征,尚未考慮目標的橫向(徑向)尺度對回波亮點的影響,因此,進一步的工作需要綜合考慮復雜目標的橫向和縱向尺度對回波亮點特征的影響.

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