一種氣泡背景下目標檢測算法

吳　雙，楊長生，梁　紅

（西北工業大學 航海學院，陜西 西安，710072）

一種氣泡背景下目標檢測算法

吳雙，楊長生，梁紅

（西北工業大學 航海學院，陜西 西安，710072）

研究發現，海豚在氣泡背景下檢測目標的能力優于人工聲吶。基于海豚在搜索目標時發射的信號都是脈沖串的形式，且有些信號的相鄰2個脈沖相位相反。文中采用Keller-Miksis方程的氣泡模型，使用相位相反的仿海豚喀啦脈沖對，利用雙反脈沖聲吶（TWIPS）研究了其在氣泡背景下探測目標的有效性，并將其與標準聲吶處理進行對比。仿真結果表明，對于文中采用的氣泡云分布，利用TWIPS探測線性目標時其性能優于標準聲吶處理的性能。

氣泡；目標檢測；Keller-Miksis方程；雙反脈沖聲吶

0　引言

在淺海海域以及生物活躍區域等存在大量的氣泡，學術界關于氣泡特性的研究［1-2］也有很多，氣泡的散射和衰減使得人工主動聲吶不能準確地探測到淹沒在水下氣泡云中的目標。氣泡云形成的自然過程包括降水、艦船尾流、波浪破碎、地球物理活動或者生物活動等。通過觀察可以發現，海豚仍然可以在這樣的環境中有效地捕食獵物。文中致力于采用海豚“喀啦”［3］信號，利用雙反脈沖聲吶（twin inverted pulse donar ，TWIPS）仿真實現氣泡背景下目標的探測，并證明了TWIPS在氣泡背景下探測目標的性能優于標準聲吶處理［4］的性能。

1　氣泡后向散射理論

一定條件下，氣泡云的后向散射可以等效為單個氣泡后向散射的累加，因此首先給出單個氣泡的后向散射。計算不同半徑單個氣泡的理論響應時首先求解Keller-Miksis方程［5］

氣泡壁的液體聲強為

在距離氣泡中心r處的聲強為

利用龍格庫塔方法求解式（1），將解得的氣泡瞬時半徑和半徑速度代入式（3），即可求得單個氣泡的后向散射。

在考慮氣泡間多重散射情況下，氣泡云（一群氣泡）后向散射響應的計算非常復雜。文中不考慮氣泡間的散射并假設氣泡云球形分散，氣泡云中的氣泡均勻分布，仿真中將連續的氣泡云半徑分布離散成幾個區間，并將各個區間內所有氣泡的半徑用某一代表性的半徑代替，如表1所示。通過計算可知，氣體所占體積分數為1.936×10-8，此時，氣泡云的后向散射可以看成是各個區間代表氣泡的后向散射的疊加。

表1　氣泡云分布Table 1　Bubble cloud distribution

2　氣泡背景下目標檢測算法

研究表明，當發射脈沖的幅度足夠高或者發射脈沖的頻率接近諧振頻率時，氣泡發生非線性散射［6］，而目標可以看成是線性散射體。因此氣泡背景下目標檢測問題就歸結為非線性背景下檢測線性散射問題。

TWIPS［7-8］是Leighton教授通過觀察淺海海域海豚的行為而提出的，它能增強目標的線性散射，同時抑制氣泡的非線性散射，反之亦然。其流程框圖如圖1（a）所示。

圖1　雙反脈沖聲吶和標準聲吶處理的流程框圖Fig.1　Processing flow chart of twin inverted pulse sonar（TWIPS）and standard sonar

為了考察TWIPS在實現氣泡背景下探測目標的性能，文中用標準聲吶處理進行比較，其流程框圖如圖1（b）所示。圖1中的回波是發射信號p（t）作用在氣泡和目標上的總響應。p（t）由s1（t），s2（t）這2個脈沖組成，這2個脈沖除了相位相反外其余特性完全一致，兩脈沖間隔為τ，即p（t）=s1（t）-s2（t-τ）。在此脈沖激勵下，目標散射為線性，其響應為

式中，h（t）是系統的脈沖響應。s2（t）與s1（t）的相位相反，那么響應x2（t）為

將xk（t）的匹配濾波器輸出表示為Xk（t），其中，k=1，2。X2（t）與X1（t）的和，記作P+，對于線性散射體來說其為零，而對于非線性散射體，一般情況下P+不為零，這是因為對于非線性系統，相位相反的2個脈沖的散射并不是按線性增益-1的比例變化的。X1（t）減去X2（t），記作P-，能夠提高散射信號的線性成分，同時抑制非線性部分。

3　仿真及討論

仿真中使用仿海豚喀啦脈沖對，其正脈沖如圖2所示。正脈沖持續時間為120 μs，由2個負調頻結構的線性調頻信號組成，頻率范圍分別為為30～84 kHz和76～130 kHz（所對應氣泡諧振半徑近似為25～110 μm）。

為了考察在仿海豚脈沖對作用下不同半徑氣泡的響應，選取氣泡半徑為40 μm和250 μm，這2種半徑的單個氣泡后向散射的仿真結果如圖3所示。

圖2　仿真中使用的脈沖時域圖和頻譜圖Fig.2　Pulse used in the simulation in time domain and frequency domain

圖3（a）中，氣泡響應的幅度不是按入射脈沖的幅度比例變化，原因是40 μ m氣泡半徑的諧振頻率在入射脈沖的頻率帶寬之內，氣泡發生非線性散射。由圖3（b）可以看出，氣泡沒有發生非線性響應，即氣泡相當于一個線性散射體，原因是1 000 μm氣泡半徑的諧振頻率低于入射脈沖的最低頻率。對于表1所示的氣泡云分布，在圖2的仿海豚信號的激勵下，氣泡云后向散射的仿真結果如圖4所示。

圖3　相位相反的2個脈沖激勵下的單個氣泡后向散射曲線Fig.3　Backscattering curves of single bubble inspired by two pulses with inverted phase

圖4　正脈沖激勵下的氣泡云后向散射曲線Fig.4　Backscattering curves of bubble cloud inspired by positive pulse

圖5　雙反脈沖聲吶（TWIPS）和標準聲吶處理的成像圖Fig.5　Images processed by TWIPS and standard sonar

為了考察TWIPS在區分線性散射體和非線性散射體上的有效性，在此使用聲探測圖像來說明，如圖5所示（作為比較，同時給出標準聲吶處理輸出）。由圖5可知，P+抑制了線性散射體，而P-增強了線性散射體，從而推斷出TWIPS可以區分線性散射體和非線性散射體，也就是說TWIPS能夠實現在氣泡背景下檢測目標。

為了定量考察TWIPS在氣泡背景下檢測目標性能，給出了接收機工作特性曲線，橫坐標表示信混比（目標回波與氣泡云后向散射的功率比）。如圖6所示。結果表明，TWIPS比標準聲吶處理在氣泡水中檢測目標的性能更優。

圖6　P-和標準聲吶處理的接收機工作特性曲線Fig.6　Receiver operating characteristic curves of P_ and standard sonar processing

4　結論

文中對單個氣泡的后向散射和氣泡云的后向散射響應進行了研究，并研究了TWIPS在氣泡背景下探測目標的可行性以及其探測性能。仿真結果表明，采用仿海豚脈沖利用TWIPS可以實現對線性散射體和非線性散射體的區分，即可以探測到氣泡背景下的目標。此外，TWIPS在氣泡背景下檢測目標的性能優于標準聲吶處理。

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Ma Qing-shan，Chen Ya-lin，Hao Bao-an，et al.Study on Bubble Characteristics of Ship Far Wake Field［J］.Torpedo Technology，2014，22（4）：311-315.

［2］張群，王英民.尾流中多氣泡模型及有限元分析［J］.魚雷技術，2014，22（4）：316-320.

Zhang Qun，Wang Ying-min.Multi-bubble Models in Ship Wake and Finite Element Analysis［J］.Torpedo Technology，2014，22（4）：316-320.

［3］Capus C，Pailhas Y，Brown K，et al.Bio-inspired Wideband Sonar Signals Based on Observations of the Bottlenose Dolphin（Tursiops truncatus）［J］.The Journal of the Acoustical Society of America，2007，121（1）：594-604.

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［5］Leighton T.The Acoustic Bubble［M］.London，UK：Academic Press，1994.

［6］吳雙，楊長生，梁紅.仿生信號的氣泡后向散射仿真分析［J］.聲學技術，2014，33（4）：411-414.

Wu Shuang，Yang Chang-sheng，Liang Hong.Simulation Analysis of Bubbles Backscatter of Bionic Signals［J］.Technical Acoustics，2014，33（4）：411-414.

［7］Leighton T G，Finfer D C，Chua G H，et al.Clutter Suppression and Classification Using Twin Inverted Pulse Sonar in Ship Wakes［J］.The Journal of the Acoustical Society of America，2011，130（5）：3431-3437.

［8］Leighton T G，Finfer D C，White P R，et al.Clutter Suppression and Classification Using Twin Inverted Pulse Sonar（TWIPS）［J］.Royal Society of London Proceedings Series A，2010，466：3453-3478.

（責任編輯：楊力軍）

An Algorithm of Target Detection in Bubbly Water

WU Shuang，YANG Chang-sheng，LIANG Hong

（School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China）

It is quite difficult to detect targets using man-made sonar due to the existance of bubbles，while researches indicate that dolphins outperform man-made sonar in detecting targets in bubbly water.The signals emitted by dolphins are in the form of pulse sequences，and some of two adjacent pulses are of inverted phase.In this study，the bubble model of Keller-Miksis equation and the twin inverted pulse sonar（TWIPS）are used to investigate the effectiveness of target detection of the dolphin-like clicking sound pulse pair with inverted phase in bubbly water.Furthermore，the performances are compared between TWIPS and standard sonar.Simulation results show that for the detection of linear target，TWIPS behaves better than the standard sonar in given bubble cloud distribution.

bubbles；target detection；Keller-Miksis equation；twin inverted pulse sonar（TWIPS）

TJ630.34；TB56

A

1673-1948（2015）04-0276-04

2015-06-02；

2015-06-23.

國家自然科學基金（61201322）、（61379007），中央高校基本科研業務費專項資金（3102015ZY015）.

吳雙（1990-），女，在讀碩士，研究方向為水下信號與信息處理.