探雷聲納增益參數(shù)自適應調(diào)整仿真

胡瀚文，許炎義，姜可宇

(海軍工程大學，湖北 武漢 430033)

探雷聲納屬于一種圖像聲納。水雷探測的主要背景干擾是海底混響，當水雷目標回波足夠強時，可以從混響背景圖像中觀察到水雷目標亮點，為進一步的目標辨識或水雷規(guī)避提供信息［1］。在探雷聲納的工作量程內(nèi)，海底混響隨距離的變化非常劇烈［2］，而受模數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)的限制聲納信號動態(tài)范圍一般不是很大，需要操作人員根據(jù)給定量程的聲納圖像情況調(diào)節(jié)前置放大器的放大倍數(shù)以及時間增益參數(shù)等，將聲納信號調(diào)整到合適的動態(tài)范圍內(nèi)，并且前后距離上的圖像亮度差別不是很大，否則混響背景圖像會表現(xiàn)得過亮或過暗，不利于操作人員根據(jù)聲納圖像辨識疑似水雷目標。

在改變探雷聲納工作量程或海底深度變化時，操作人員需要頻繁改變聲納的時控增益和手控增益等參數(shù)，以提高聲納圖像質(zhì)量，便于操作人員辨識水雷。頻繁調(diào)整聲納工作參數(shù)，一方面會增加操作人員工作負擔，另一方面會轉(zhuǎn)移操作人員辨識水雷目標的注意力，從而耽誤水雷目標的發(fā)現(xiàn)。水下無人航行器(UUV)作為反水雷作戰(zhàn)的重要力量，具有隱蔽性好、安全性高、智能化程度高等特點［3］，其攜載探雷聲納增益參數(shù)的調(diào)整也必然要求自動調(diào)節(jié)。因此，實現(xiàn)探雷聲納時控增益和手控增益的自動調(diào)節(jié)，有利于提高掃雷艦部隊對于水雷的辨識水平。

1 探雷聲納增益控制模型

探雷聲納增益控制環(huán)節(jié)包括手控增益和時控增益兩個工作參數(shù)。其中手控增益調(diào)整的是聲納前置放大器的放大倍數(shù)，會影響聲納圖像的整體亮度。根據(jù)接收機的動態(tài)范圍和混響強度動態(tài)范圍，手控增益可設(shè)若干個等級，相鄰等級之間的放大倍數(shù)一般相差3dB。

時控增益曲線表示對不同距離信號給予不同的放大倍數(shù)。由于混響強度往往呈指數(shù)衰減，因此在一定距離范圍內(nèi)，時控增益呈指數(shù)增長。當距離增加到某個臨界距離時，混響級衰減到與海洋環(huán)境噪聲級相當，大于臨界距離后，聲納的主要背景干擾是海洋環(huán)境噪聲，而短時間內(nèi)海洋環(huán)境噪聲級是不變的，因此一定距離之后時控增益保持不變?？傊?，當表示放大倍數(shù)的縱軸取對數(shù)時，小于臨界距離的時控曲線為一定斜率的線段，大于臨界距離的時控曲線為一水平線段。如圖1所示，為適應不同海洋環(huán)境下不同混響衰減速度的需要，探雷聲納往往設(shè)計有多條時控增益曲線。選擇其中一種與混響衰減速度最匹配的時控增益曲線，可使信號強度調(diào)節(jié)到一個相對穩(wěn)定的大小。時控增益參數(shù)與手控增益參數(shù)的聯(lián)合調(diào)節(jié)，可使顯示出來的聲納圖像前后距離上的亮度相差不大，這樣有利于發(fā)現(xiàn)圖像中可能存在的疑似水雷目標。圖1表示的是探雷聲納的3條時控增益曲線，時控1、時控2、時控3分別對應混響衰減慢、中、快三種類型［4］。

圖1 時間增益控制曲線

2 聲納圖像顯示效果評估

根據(jù)顯示的需要，聲納送顯數(shù)據(jù)一般會量化成2n個等級，如256級。由于聲納圖像質(zhì)量是人的一種主觀感覺，因此難以從理論上給出具體的分析。圖2為一幅比較理想的聲納圖像，亮度適中，前后對比反差小，便于水雷目標的辨識。

圖2 典型聲納圖像

下面定義評價聲納圖像是否有利于水雷目標辨識的兩個指標，即聲納圖像的亮度和對比度。

2.1 聲納圖像亮度

尺寸為M×N的聲納圖像亮度定義如下:

式中，Pij為第i行第j列的聲納顯示數(shù)據(jù)。圖像亮度太大或太小，都不利于圖像中小目標的辨識。

2.2 聲納圖像的對比度

由于混響強度隨距離呈指數(shù)衰減，在無時控增益的情況下，聲納圖像在近距離上的亮度會較強，而遠距離上的亮度會較弱，在時控增益曲線選擇不合適的情況下，聲納圖像在近距離和遠距離上的亮度會相差較大，通過手控增益的調(diào)整無法達到合適的聲納圖像效果。

假設(shè)以聲納圖像距離維上第i個元素為分界點，將聲納圖像分為前后兩部分，則此時的聲納圖像對比度定義為

式(3)表示分界點在聲納圖像中間段范圍內(nèi)取值時以對比度的極大值作為整幅聲納圖像的對比度。如果在對比度分析段內(nèi)沒有出現(xiàn)極大值，則以對比度曲線ρi斜率最小值對應的對比度值作為整幅聲納圖像的對比度。該對比度反映了聲納圖像亮度在遠近距離上的一致程度。

2.3 理想聲納圖像的標準

通過對大量聲納圖像(圖像幅值按256級量化)的觀察，可以發(fā)現(xiàn)便于水雷目標辨識的聲納圖像在統(tǒng)計特性上具有如下共同的特點:

1)聲納圖像亮度在25至50之間;

2)聲納圖像對比度在0.6至1.6之間。

符合以上兩個條件的聲納圖像整體亮度適中，前后亮度差異不大，比較有利于水雷目標的辨識。圖2顯示聲納圖像的亮度和對比度分別為30.7和1.1，符合上述條件。本文將以此為依據(jù)，對探雷聲納增益參數(shù)的自適應調(diào)整方案進行研究。

3 聲納增益參數(shù)自適應調(diào)整方案及其檢驗

3.1 聲納增益參數(shù)自適應調(diào)整過程

聲納增益參數(shù)自適應調(diào)整的過程如下:

1)計算當前聲納圖像的亮度和對比度;

2)根據(jù)這兩個指標的大小情況，選擇其中一個參數(shù)，計算參數(shù)調(diào)整偏差量;

3)重新生成聲納圖像，完成聲納圖像的調(diào)整。

在第二步中，有兩個問題需要解決:一是選擇手控增益和時控增益兩個參數(shù)中的哪一個進行調(diào)整;二是如何進行相應的調(diào)整。

由于圖像對比度的計算要求聲納圖像大部分的幅度值都在0～255的顯示范圍內(nèi)，否則可能估計不準確，因此首先考察圖像的亮度，然后考察圖像的對比度。聲納增益參數(shù)自適應調(diào)整步驟如圖3所示。其中a，b和c，d分別為便于水雷目標辨識的聲納圖像亮度和對比度指標范圍的上下限，取值分別為25、50、0.6、1.6。

圖3 聲納增益參數(shù)自適應調(diào)整流程圖

3.2 手控增益參數(shù)調(diào)整量計算

手控增益參數(shù)的調(diào)整一般是在預先設(shè)計的若干個增益檔位之間選擇，相鄰兩檔之間的增益一般相差3dB。因此，手控增益向上或向下每調(diào)整一檔，聲納圖像的亮度將變成原來的兩倍或一半。手控增益檔位調(diào)整量的計算式如下:

其中，［·］表示按四舍五入取整。

3.3 時控增益參數(shù)調(diào)整量計算

圖1中三條時控增益曲線在200m～500m之間的某個距離上均存在一個拐點，在拐點之后的距離上，探雷聲納背景干擾一般主要為海洋環(huán)境噪聲，時控增益保持不變，因此當聲納圖像的觀察范圍在400米以上時，時控增益參數(shù)調(diào)整的意義不大。下面重點討論觀察范圍在500m以內(nèi)時時控增益參數(shù)調(diào)整量的計算。

如圖1所示，假設(shè)三條時控增益曲線的序號表示為i，取值分別為1、2、3。時控增益參數(shù)可按式(5)來調(diào)整:

需要指出的是，如果調(diào)整后的時控增益曲線序號超出了取值范圍，則時控增益參數(shù)維持不變。

3.4 聲納增益參數(shù)自適應調(diào)整檢驗

為了檢驗聲納增益參數(shù)自適應調(diào)整的有效性，根據(jù)實際聲納技術(shù)參數(shù)和設(shè)定的海洋環(huán)境參數(shù)等仿真產(chǎn)生聲納圖像［5-6］，在圖像中間位置模擬了一個目標亮點。

探雷聲納圖像仿真的初始及自適應調(diào)整過程中的增益參數(shù)如表1所示。序號1對應的各個參數(shù)表示初始圖像的情況，亮度明顯太弱，對比度也偏大，難以觀察到目標亮點的存在，仿真聲納圖像如圖4(a)所示。經(jīng)過第一次增益參數(shù)調(diào)整后，亮度已符合要求，但對比度仍然太大，經(jīng)過第二次增益參數(shù)調(diào)整后，亮度仍然符合要求，對比度已接近可接受區(qū)間的上限1.6，由于時控增益已不能繼續(xù)向上調(diào)整，因此結(jié)束聲納圖像的自適應增益調(diào)整過程，最終的聲納圖像如圖4(b)所示，圖中目標亮點由橢圓圈出。圖像亮度和對比度比較合適，目標亮點突出，達到了增益參數(shù)調(diào)整的目的。

表1 聲納圖像增益參數(shù)調(diào)整表

圖4 增益參數(shù)調(diào)整前后對比圖像

對于實際探雷聲納圖像增益參數(shù)的自適應調(diào)整，必須持續(xù)監(jiān)控聲納圖像的亮度和對比度這兩個指標，一旦發(fā)現(xiàn)它們偏離可接受范圍，且存在進一步調(diào)整的空間，則及時進行調(diào)整。

4 結(jié)束語

針對探雷聲納操作過程中手控增益和時控增益參數(shù)調(diào)整繁瑣，不利于操作人員集中注意力辨識水雷目標的問題，本文設(shè)計了這兩個增益參數(shù)的自適應調(diào)整方案。對仿真探雷聲納圖像處理的結(jié)果表明，該自適應調(diào)整方案可以在少數(shù)幾次的參數(shù)調(diào)整后，達到比較適于水雷目標觀察的圖像狀態(tài)，圖像亮度和對比度適中。

［1］劉夢庵.水聲工程［M］.杭州:浙江科學技術(shù)出版社，2002:343-345.

［2］王德石，譯.實用聲納工程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004:221-223.

［3］龐繼先，周健強.水下無人航行器在未來反水雷作戰(zhàn)中的使用［J］.海軍學術(shù)研究，2006(6):19-20

［4］汪炘.探雷聲納圖像仿真研究［D］.武漢:海軍工程大學，2010:65-66.

［5］汪炘，姜可宇.探雷聲納圖像仿真技術(shù)［J］.聲學技術(shù)，2010，35(12):10-15.

［6］姜可宇，蔡志明.一種探雷聲納背景圖像仿真的快速實現(xiàn)方法［J］.指揮控制與仿真，2012，34(4):98-101.