目標(biāo)高頻近場聲散射信號空間特性分析

李銳 安俊英 成剛

(中國科學(xué)院聲學(xué)研究所北海研究站，青島，266109)

目標(biāo)聲散射信號特征是主動聲吶對水下人工目標(biāo)探測與識別的重要依據(jù)。水下人工目標(biāo)的聲散射信號主要有兩種，一種是聲波在目標(biāo)表面散射形成的幾何聲散射，另一種是由目標(biāo)結(jié)構(gòu)共振引起的彈性聲散射。本文主要對高頻近場目標(biāo)的幾何聲散射信號空間特征進(jìn)行分析。當(dāng)入射波以不同角度照射目標(biāo)時，目標(biāo)各結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲散射信號的時間域與空間域特征存在較大的差異。

國內(nèi)學(xué)者從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了充水圓柱薄殼、雙層圓柱殼、加肋與周期加肋柱殼以及表面有覆蓋層殼體等水下復(fù)雜目標(biāo)的聲散射特性。文獻(xiàn)[1]對水下目標(biāo)聲散射信號的產(chǎn)生機(jī)理與信號特性開展了深入研究，并與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果有很好的一致性。文獻(xiàn)[2-3]從理論上研究了模擬目標(biāo)的聲散射的時域與頻域特征，對簡單形狀水下目標(biāo)進(jìn)行了聲散射特性試驗(yàn)。文獻(xiàn)[4-5]針對仿真與試驗(yàn)獲得的目標(biāo)聲散射信號進(jìn)行幾何聲散射信號與彈性聲散射信號的分離。印度國家海洋技術(shù)研究所 A Malarkodi對不同材質(zhì)目標(biāo)模型的聲散射信號特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對不同材質(zhì)目標(biāo)模型的敏感性和差異特征進(jìn)行了研究[6]。

現(xiàn)有的目標(biāo)聲散射信號研究大多為基于聲散射信號時域特性的目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征研究，然而當(dāng)目標(biāo)相對接收水聽器處于某些特殊姿態(tài)（例如正橫方向）時，各散射結(jié)構(gòu)的聲散射信號出現(xiàn)混疊，便無法分辨目標(biāo)不同結(jié)構(gòu)的聲散射信號回波。文獻(xiàn)[7]通過對線列陣采集到的高頻近場目標(biāo)聲散射信號的分析，得到了目標(biāo)的三維近似模型，但目標(biāo)的具體結(jié)構(gòu)仍比較模糊。本文通過對線列陣采集到的目標(biāo)聲散射信號的分析，對目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，并利用高分辨波束形成算法獲得不同結(jié)構(gòu)聲散射信號的空間特征，即入射方位角，以實(shí)現(xiàn)高頻近場目標(biāo)的檢測與識別。本文采用MUSIC高分辨波束形成處理方法，與常規(guī)波束形成算法相比有著主瓣尖銳、旁瓣低矮的優(yōu)點(diǎn)。

1 MUSIC波束形成算法

一個由M個陣元組成的已知幾何形狀基陣，假設(shè)有D（D

式中，Λ是降序排列的特征值構(gòu)成的對角陣，E=[Es,En]是對應(yīng)的特征向量，陣元域 MUSIC方位譜函數(shù)為：

2 Benchmark模型聲散射信號仿真

Benchmark模型長66.9 m，平均半徑3.778 m，指揮室高度3.5 m。接收基陣為一條水平布放的陣元間距0.04 m的64元等間隔直線陣，陣中心與目標(biāo)中心相距100 m。發(fā)射單頻CW信號脈寬2.5 ms，中心頻率30 kHz，采樣頻率200 kHz。以目標(biāo)艏部正對基陣為起始0°旋轉(zhuǎn)姿態(tài)，繞z軸逆時針旋轉(zhuǎn)360°，基陣接收各個旋轉(zhuǎn)角時目標(biāo)的聲散射信號，以圖1中基陣法線順時針方向?yàn)槿肷浞轿唤堑恼较颉?/p>

圖1 Benchmark模型幾何配置示意圖

由于目標(biāo)在不同旋轉(zhuǎn)角時的聲散射反射部位不盡相同，圖2為理論計算得到的目標(biāo)艇艏、艇艉、指揮室圍殼前端和后端相對基陣的方位角隨旋轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系，在實(shí)際中產(chǎn)生亮點(diǎn)的目標(biāo)結(jié)構(gòu)是隨著旋轉(zhuǎn)角而改變的，該回波亮點(diǎn)軌跡將作為目標(biāo)聲散射信號的參考亮點(diǎn)軌跡。

圖2 目標(biāo)結(jié)構(gòu)理論亮點(diǎn)軌跡

根據(jù)聲散射信號相對于基陣的入射角度，結(jié)合高分辨MUSIC波束形成算法，得到空間域的目標(biāo)聲散射信號的亮點(diǎn)軌跡如圖3所示，從圖中可以看出目標(biāo)各結(jié)構(gòu)對聲信號的散射情況。

圖4給出了目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角為0°、45°、90°和135°時聲散射信號的單幀方位譜，在圖中標(biāo)示出了各波束對應(yīng)的目標(biāo)結(jié)構(gòu)。

圖3 空間域的目標(biāo)聲散射信號的亮點(diǎn)軌跡

圖4 特殊旋轉(zhuǎn)角目標(biāo)結(jié)構(gòu)亮點(diǎn)的方位譜

（1）艇艏回波亮點(diǎn)軌跡

初始時刻目標(biāo)艏部正對基陣時，目標(biāo)各結(jié)構(gòu)的聲散射信號入射角相對基陣均為垂直入射，艇艏聲散射信號方位角為0°，且對回波亮點(diǎn)幅值起主要貢獻(xiàn)。隨著目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角增大至 75°，艏部亮點(diǎn)軌跡與理論參考軌跡相符，目標(biāo)各結(jié)構(gòu)聲散射信號的角度相對接收基陣逐漸分散，艏部聲散射信號的入射角向正方向變化，最大入射角為16°。旋轉(zhuǎn)角在75°～105°范圍內(nèi)，由于目標(biāo)姿態(tài)變化及艇艏結(jié)構(gòu)簡單且形狀圓滑，產(chǎn)生聲散射信號的結(jié)構(gòu)逐漸由艇艏變?yōu)橥?，逐漸到艉部變化，方位角由正方位經(jīng)0°線性變化至負(fù)方位。繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至180°，艇艏逐漸遠(yuǎn)離基陣，方位依然為正方向，但聲散射亮點(diǎn)軌跡強(qiáng)度減弱。

（2）指揮室圍殼亮點(diǎn)軌跡

仿真亮點(diǎn)軌跡在 0°～90°范圍內(nèi)與指揮室圍殼前端參考軌跡相符，仿真亮點(diǎn)軌跡在90°～180°范圍內(nèi)與指揮室圍殼后端參考軌跡相符。初始時刻指揮室圍殼前端正對基陣，聲散射亮點(diǎn)軌跡方位角為0°，隨著目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角增大至 90°，指揮室圍殼聲散射信號的入射角向正方向變化，最大入射角為6.5°。旋轉(zhuǎn)角在 45°～90°范圍內(nèi)指揮室圍殼側(cè)壁參與聲散射，其聲散射信號亮點(diǎn)軌跡存在展寬。旋轉(zhuǎn)角在90°～180°范圍內(nèi)，參與聲散射貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)由指揮室圍殼前端變?yōu)楹蠖耍轿唤窃?°附近，且亮點(diǎn)軌跡變窄。

（3）尾翼亮點(diǎn)軌跡

初始時刻目標(biāo)艏部正對基陣，尾翼聲散射信號方位角為0°，由于艉部較艏部距接收基陣距離遠(yuǎn)，艉部聲散射信號被艏部散射信號淹沒，隨著目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)尾翼聲散射信號亮點(diǎn)軌跡逐漸顯現(xiàn)且向負(fù)方向變化，且在0°～ 75°內(nèi)聲散射信號強(qiáng)度較其他散射結(jié)構(gòu)弱，亮點(diǎn)軌跡方位角隨旋轉(zhuǎn)角呈非線性變化。旋轉(zhuǎn)至 75°后，產(chǎn)生聲散射信號的結(jié)構(gòu)逐漸由尾翼變?yōu)橥恚D(zhuǎn)至 90°時亮點(diǎn)軌跡方位角由負(fù)角度逐漸線性變化至0°，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)艉部逐漸靠近接收基陣，聲散射信號強(qiáng)度增強(qiáng)，目標(biāo)尾呈現(xiàn)出兩條亮點(diǎn)軌跡，分別來自艉部棱角部分和尾翼，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至180°，目標(biāo)艉部正對基陣，目標(biāo)各結(jié)構(gòu)聲散射信號方位角合并為0°，與參考軌跡相符。旋轉(zhuǎn)角在180°～360°間的目標(biāo)聲散射信號方位歷程與0°～180°聲散射信號方位歷程是對稱的。

圖5給出了艇艏與艇艉在有效旋轉(zhuǎn)角區(qū)間內(nèi)的方位估計誤差，方位估計平均誤差為2.8°，鑒于目標(biāo)散射結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，該誤差值在容許范圍之內(nèi)。仍需繼續(xù)對波束形成算法進(jìn)行優(yōu)化，降低目標(biāo)結(jié)構(gòu)方位估計誤差。

圖5 方位估計誤差

方位估計容許最低信噪比，以該段信號首個回波段的信噪比值作為參考輸入信噪比，在上述收發(fā)配置的情況下，目標(biāo)旋轉(zhuǎn)方位歷程圖中，設(shè)定可分辨出目標(biāo)的完整幾何形態(tài)的艏部亮點(diǎn)信噪比為5 dB，此時滿足可分辨出目標(biāo)幾何形態(tài)的最低輸入信噪比為–5 dB。方位估計誤差隨輸入信噪比減小而降低，與高分辨波束形成性能有關(guān)，此外還與目標(biāo)上分布的幾何散射點(diǎn)的數(shù)量有關(guān)。

3 結(jié)論

本文針對均勻間隔線列陣接收到的 Benchmark模型的聲散射信號開展研究，從空間域信號方位角的差異入手對目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，利用MUSIC波束形成算法得到了目標(biāo)各幾何結(jié)構(gòu)的回波亮點(diǎn)軌跡，產(chǎn)生散射亮點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)依次為艏部、指揮室圍殼、艇身、艉部棱角部分和尾翼，亮點(diǎn)軌跡與理論參考軌跡相符。目標(biāo)處于除 0°、180°外的旋轉(zhuǎn)角姿態(tài)時，目標(biāo)各結(jié)構(gòu)的聲散射信號均具有較明顯的方向性。據(jù)此，在實(shí)際應(yīng)用中可對目標(biāo)呈某一姿態(tài)時線列陣接收到的聲散射信號和單基元接收到的時域聲散射信號進(jìn)行處理分析，得到目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)的空域和時域信息，進(jìn)而對目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。

下一步研究將結(jié)合目標(biāo)聲散射信號的空域和時域信息完成對目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)的解析，利用計算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對算法加以驗(yàn)證。此外，需對波束形成算法進(jìn)行優(yōu)化，降低目標(biāo)結(jié)構(gòu)方位估計誤差。