一種沉底小目標的主動高頻仿生波形分析及探測方法

岳雷，姜春華

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一種沉底小目標的主動高頻仿生波形分析及探測方法

岳雷，姜春華

(昆明船舶設備研究試驗中心，云南昆明650000)

為研究和分析用仿生信號及處理方法探測沉底小目標的可行性及探測性能，分別從時域頻域波形、模糊度函數、抗混響性能方面分析了仿海豚聲吶信號，并用計算機仿真了復雜背景下沉底小目標的探測。理論分析和仿真結果表明：在幾種仿海豚聲吶信號中，頻率重疊較多的信號混響抑制效果最好；仿生探測方法的性能比標準聲吶探測方法有了明顯的提高。仿生信號及探測方法可作為一種新型的沉底小目標探測信號及處理方法。

模糊度函數；仿海豚聲吶信號；仿生探測；沉底小目標

0 引言

海豚聲吶擁有一個非常復雜的生物聲吶系統，具有超出目前先進聲吶的探測和識別復雜環境下目標的卓越能力[1]。已有文獻[1-4]表明：海豚聲吶系統可以很好地完成在惡劣環境下的捕食、在水中對不同材料和不同尺寸目標的區分等任務。文獻[5]通過借鑒海豚聲吶處理方法，在雷達處理方面提高了對環境雜波的抑制及對土壤、半導體、鐵塊的目標分類識別能力。文獻[6]系統地研究了氣泡模型、氣泡散射特性、海豚聲吶處理方法機理、水池試驗等內容，提高了水中氣泡環境下目標的探測性能。

探測水下目標，混響是主動聲吶的主要干擾。對于動目標來說，可以通過最優波形設計及多普勒處理等方法提高聲吶系統的探測性能。對于沉底小目標來說，由于目標相對海底靜止，目標的回波和混響幾乎無多普勒現象，不能再通過多普勒處理抑制混響干擾。此外，沉底小目標的探測，還要有足夠高的空間分辨力。因此，發射信號必須具有良好的抗混響能力和較高的距離分辨率。對于沉底和掩埋目標來說，聲波的多徑傳播效應及傳播介質的不均勻性等引起的回波的起伏效應，增加了目標的探測難度，發射信號必須具有較好的抗回波起伏的能力。而對于掩埋目標，還需要考慮聲波對海底一定深度的穿透能力，發射信號的頻率不能太高[7]。

本文分析了海豚聲吶信號的時域頻域特性、模糊度函數特性、抗混響特性，并借鑒海豚聲吶處理方法以提高對沉底小目標的探測性能，最后根據計算機仿真完成了對沉底小目標的仿生探測，得出相應結論。

1 仿生信號分析

1.1 回聲定位海豚的信號特征

回聲定位海豚發聲采用“喀拉”脈沖串信號，每個回聲定位“喀拉”可能包含多個脈沖分量。已經證實某些種類海豚采取多脈沖分量結構的“喀拉”信號模式，每個“喀拉”中的脈沖隨時間衰減且脈沖之間有一固定間隔。海豚在決定探測還是識別目標之前發射12~30個“喀拉”信號，并可以根據所要完成的任務及環境調整“喀拉”信號結構。Houser[8]根據“喀拉”信號的頻率特點完成了對各種“喀拉”的分類，Capus等人[8-10]根據這個分類法建立了仿海豚“喀拉”信號的模型，該模型表明“喀拉”信號由兩個高斯包絡負調頻線性調頻信號經過延遲疊加形成。

1.2 仿海豚聲吶信號分析

本文采用文獻[9]中仿海豚“喀拉”信號模型，為兼顧信號參數一致性及滿足實際探測沉底小目標的需求，本文的仿海豚聲吶信號頻率設置同文獻[9]；“喀拉”信號中的兩個高斯包絡負調頻線性調頻信號持續時間設為3 ms，兩個線性調頻信號相隔0.6 ms后疊加得到一個完整的仿海豚“喀拉”信號，仿海豚“喀拉”信號持續時間為3.6 ms；這比真實海豚的“喀拉”信號持續時間大40倍左右。本節將從信號的時域頻域波形、模糊度函數、抗混響性能開展仿海豚聲吶信號的研究與分析。

(1) 仿海豚聲吶信號時域頻域特性分析

仿海豚“喀拉”信號中的高斯包絡線性調頻信號表達式為

其中，0<<，且，為起始頻率，為調頻率。

仿海豚“喀拉”信號參數設置如表1所示。

表1 仿海豚“喀拉”信號參數

表1選取了文獻[9]中Dolphin-Clicks(DC)信號模型中的DC1、DC2、DC6，這幾個信號均由兩個高斯包絡負調頻線性調頻信號組成，其中DC1中的線性調頻1和線性調頻2頻率重合部分較多，DC2中的線性調頻1和線性調頻2頻率重合部分減少，DC6中的線性調頻1和線性調頻2頻率完全分開。下面分析DC信號時域頻域波形特性。

由高斯函數的性質可知，其時域和傅里葉變換均為高斯函數，因此經過高斯包絡調制的信號其時域和頻域波形包絡均呈現高斯函數形狀，且信號的能量相對集中。

當DC中的線性調頻1和線性調頻2頻率重合時，由于頻譜的相干作用，會導致頻譜有些地方“凸起”、有些地方“凹陷”的現象，即會出現梳狀譜特性；當其頻率未重合時，會出現兩個高斯函數形狀的譜。

根據表1中信號參數完成DC1、DC2、DC6信號的時域頻域仿真，仿真結果分別如圖1~3所示。

如圖1~3可以看出，DC1、DC2、DC6信號的時域頻域波形包絡均呈高斯函數形狀；DC1和DC2的頻譜呈現梳狀特性，且DC1中的梳狀譜峰比DC2中的梳狀譜峰多，這是由于DC1中兩個線性調頻頻率重疊比DC2重疊的多；DC6頻譜呈現兩個高斯形狀。

(2) 仿海豚聲吶信號模糊度函數特性及抗混響性能分析

波形抗混響能力的好壞，可以通過對發射信號模糊度函數的分析來獲得，寬帶回波信號的模糊函數和模糊度函數[11-12]分別定義為

(3)

信號的模糊度函數描述了信號的時頻域聯合分布特性，可表征主動聲吶系統匹配濾波處理的效果。信號對于目標的探測能力可以由模糊度圖上的主瓣寬度得到，而旁瓣的高度決定了此信號對于多目標或者在混響限制條件下的探測能力。通過對比不同發射信號的模糊度圖，可以得到其在混響條件下接收端的匹配濾波效果[13-14]。

由模糊度函數的傅里葉變換性質可知

即時域的相關等價于發射信號與副本信號在頻譜上的共軛相乘。

對于DC1和DC2信號來說，當多普勒尺度因子從1逐漸增大或減小過程中，會導致副本與發射信號的頻譜重疊區域的逐漸減少然后又逐漸增加的周期性變化，也就會引起模糊度函數的減小與增大的周期性變化，這將會導致釘板型模糊度函數的出現。對于DC6信號來說，兩個高斯函數形狀的頻譜間距較大，通常多普勒尺度因子很難增大或減小到使其發射信號頻譜和副本信號頻譜交錯重疊的程度，因此其模糊度函數呈斜刀刃型。關于三種信號的抗混響性能，需要結合具體參數仿真分析。

以下分別完成DC1、DC2、DC6信號的模糊度函數仿真，仿真結果如圖4~6所示。

圖4~6中上圖分別為其模糊度函數圖，下圖分別為其模糊橢圓圖。可以看出，DC1和DC2的模糊度函數呈釘板狀，DC6的模糊度函數呈斜刀刃型；DC1信號模糊度函數的主瓣和副瓣尺度間隔較大，DC2信號模糊度函數的主瓣和副瓣尺度間隔較小，DC6信號模糊度函數的主瓣和副瓣基本連接在一起；三個信號的距離分辨率都很高。

由于DC1和DC2信號的模糊度函數呈釘板型，而DC6信號的模糊度函數呈斜刀刃型，所以DC6信號關于海底散射體所產生混響的貢獻大于DC1和DC2信號關于海底散射體所產生混響的貢獻，即DC1和DC2信號關于沉底小目標的混響抑制性能優于DC6信號。DC1和DC2信號關于沉底小目標的混響抑制性能優劣，還需通過仿真進一步進行分析。

為了分析和驗證DC1、DC2、DC6信號的抗混響能力，在此采用海底散射模型來模擬海底混響，海底散射體服從均勻分布，散射強度服從蘭伯特定律。圖7為仿真的DC1、DC2、DC6混響波形。

采用匹配濾波輸出分析和驗證DC1、DC2、DC6信號的抗混響性能，輸入信混比為0 dB，仿真結果如圖8所示。

由圖8可以看出，DC1和DC2信號的混響抑制性能優于DC6，這驗證了之前的分析。而DC1信號的混響抑制性能優于DC2，這說明DC1信號的抗混響性能最優，在這三種信號中可作為探測沉底小目標的最優波形。

2 仿生探測方法

海豚憑借百萬年的進化，其探測波形及處理系統有著相當優良的性能。海豚大腦允許多功能性和連續性學習控制整個聲吶處理，而其大腦的一個重要品質是連續學習的能力，在這種情況下，它能夠適應不同的環境和情況，并從之間的經驗受益[1,8]。此外，海豚優良的聽覺濾波系統對于探測和識別目標也有重要作用。本節僅研究和分析仿生探測方法在沉底小目標探測上的可行性及性能。關于如何處理“喀拉”脈沖串信號、聽覺濾波系統處理等方面內容需做深入研究。

2.1 仿生探測方法原理及步驟

文獻[2，6]采取雙極性脈沖聲吶技術(TWin Inverted Pulse Sonar，TWIPS)在水下氣泡環境下進行目標探測，該方法認為氣泡散射的回波是非線性散射響應，而目標反射的回波是線性散射響應，通過發射兩個極性相反有一定間隔的脈沖信號，將處理的回波進行疊加，使線性散射響應相干增強的同時非線性響應減弱，從而提高了水下氣泡環境中的目標探測性能。

同理，把混響認為是非線性散射體和部分線性散射體后向散射回波的疊加，也可以采用TWIPS方法完成沉底小目標的探測。

為比較仿生探測方法探測沉底小目標的效果，引入標準聲吶探測方法作為對比。目前還沒有建立一個可以與TWIPS性能比較的基準方法，為此，這里引入了一個稱為“標準聲吶處理”的基準來與其作比較。由于TWIPS方法是通過脈沖對的回波的處理來實現，為了公平地比較TWIPS和標準聲吶處理的性能，標準聲吶處理是對脈沖對的平均。標準聲吶探測方法和TWIPS方法的步驟分述如下。

(1) 標準聲吶探測方法步驟：

(2)TWIPS方法步驟：

2.2 仿生探測方法探測性能分析

為分析仿生探測方法關于探測沉底小目標的性能，進行了標準聲吶方法和TWIPS方法仿真；背景干擾為混響和高斯白噪聲，其中信混比為0 dB，信噪比為5 dB，通過發射兩個極性相反的DC1信號，間隔50 ms，總共進行100次實驗，仿真結果如圖9所示。

(a) 標準聲吶方法

(b) TWIPS方法

3 結論

本文結合理論和仿真分析，嘗試挖掘海豚波形及處理方法的優勢，從時域頻域波形、模糊度函數、抗混響性能分析了仿海豚信號的特性，并研究和分析了仿生探測方法對探測沉底小目標的可行性及性能。理論分析和仿真結果表明：

(1) 在頻率重疊較多、頻率重疊較少和頻率完全分開的仿海豚聲吶信號中，頻率重疊較多的仿海豚聲吶信號是探測沉底小目標的最優波形；

(2) 仿海豚聲吶處理方法可用于對沉底小目標的探測，且性能相比標準聲吶效果提升顯著。

本文的研究對仿生波形設計及沉底或掩埋目標的探測和識別有著積極的應用價值。

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The active high frequency bionic waveform analysis and bionic detection method for small target at sea bottom

YUE Lei, JIANG Chun-hua

(Kunming Shipbuilding Equipment Research and Test Center, Kunming 650000,Yunnan, China)

To explore the possibility and performance of the bionic signals and detection method for small target sunk at sea bottom, this paper studies and analyzes the characteristics of three different dolphin-clicks sonar signals in time domain and frequency domain, ambiguity function and anti-reverberation respectively; and uses compute simulation to conduct the detections of the small target at sea bottom under complex background. Both the theoretical analysis and simulation results show that: the dolphin-clicks sonar signal with more frequency overlaps has the best performance in anti-reverberation among the three signals; the performance of the bionic detection method is better than the standard sonar detection method. Dolphin-clicks sonar signal and bionic detection can be a kind of novel signal and detection method to detect small target sunk at sea bottom.

ambiguity function; dolphin-clicks sonar signal; bionic detection; sink small target

TB56

A

1000-3630(2016)-04-0325-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.04.008

2015-09-22;

2015-12-07

岳雷(1988－), 男, 陜西西安人, 碩士, 助理工程師, 研究方向為水下聲探測及目標識別。

岳雷, E-mail: 944749976@qq.com。