動態(tài)時間歸整算法抑制前向散射直達(dá)波干擾

張培珍，王　斌，歐觸靈

（1.廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院海洋遙感與信息技術(shù)實驗室，廣東 湛江，524088；2.上海交通大學(xué)海洋工程重點實驗室，上海，200240）

動態(tài)時間歸整算法抑制前向散射直達(dá)波干擾

張培珍1，王斌2，歐觸靈1

（1.廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院海洋遙感與信息技術(shù)實驗室，廣東 湛江，524088；2.上海交通大學(xué)海洋工程重點實驗室，上海，200240）

基于衍射CT成像技術(shù)，在弱散射條件下根據(jù)收發(fā)分置目標(biāo)散射強(qiáng)度的指向分布特性，可以重建目標(biāo)形狀、以及周圍介質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)。在目標(biāo)的正前方，前向散射波和直達(dá)波同時到達(dá)接收陣，特別是當(dāng)目標(biāo)為密度和聲速接近于水的弱散射目標(biāo)時，散射回波完全淹沒在直達(dá)波中，抑制直達(dá)波干擾才能實現(xiàn)目標(biāo)的識別、方位估計以及聲學(xué)特性解釋?；谡Z音識別的動態(tài)時間歸整（Dynamic Time Warping, DTW）算法，是利用歸整路徑距離的動態(tài)規(guī)劃來求解發(fā)音長短不一的孤立詞模板匹配的問題。固定入射波方向，以浸沒水中的無限長圓柱體目標(biāo)為例獲取實驗數(shù)據(jù)，將DTW算法用于直達(dá)波和散射波的分離，并將消除直達(dá)波影響后的目標(biāo)散射遠(yuǎn)場的強(qiáng)度與嚴(yán)格的解析結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明DTW算法可以有效地在強(qiáng)直達(dá)波干擾背景中有效提取目標(biāo)散射信息。

弱散射；直達(dá)波；散射波；動態(tài)時間歸整算法；衍射CT

聲衍射 CT作為醫(yī)學(xué)診斷中目標(biāo)檢測、成像手段，該技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于海洋及地球物理探測、無損探傷、安保檢測等領(lǐng)域[1-2]。利用目標(biāo)形狀以及周圍介質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)計算水下目標(biāo)散射特性，是逆向運(yùn)用衍射CT技術(shù)解決弱散射目標(biāo)聲學(xué)正問題的方法[3-4]。以平面聲波沿x軸方向入射，為得到收發(fā)分置散射強(qiáng)度的指向分布，可以固定目標(biāo)和發(fā)射聲波的位置，圍繞目標(biāo)旋轉(zhuǎn)接收水聽器。在目標(biāo)的后方，發(fā)射源與接收水聽器較近，直達(dá)波先于散射波到達(dá)接收設(shè)備，可以利用時窗分離技術(shù)將二者分離。在正目標(biāo)前方，直達(dá)波和散射波同時到達(dá)，即使目標(biāo)不在基線上，由于直達(dá)波和散射波都會持續(xù)一定的時間，所以與正前方夾角為φ的范圍內(nèi)直達(dá)波和散射波將不同程度混疊在一起[5]。當(dāng)目標(biāo)為弱散射的流體目標(biāo)，直達(dá)波其能量遠(yuǎn)大于水下目標(biāo)的反射回波，其干擾嚴(yán)重影響了目標(biāo)檢測的能力。

為了從較強(qiáng)的直達(dá)波干擾背景中有效地恢復(fù)出目標(biāo)散射波強(qiáng)度，常利用信號波形特征進(jìn)行時域信號分離。這類算法都需要計算信號的高階統(tǒng)計量或循環(huán)譜信息，計算量較大[6-8]。對接收信號采用相關(guān)處理，可以簡單分離出目標(biāo)前向散射信號，實現(xiàn)收發(fā)分置目標(biāo)散射聲強(qiáng)的測量[9-10]。在目標(biāo)前向，分別獲取有無目標(biāo)時接收到的信號相減，可以得到散射波強(qiáng)度。但是由于測試條件的限制，兩種情況下的直達(dá)波不同步，直接相減誤差較大。語音識別中的 DTW算法把時間規(guī)整和距離測度計算結(jié)合起來[11-12]，根據(jù)有無目標(biāo)時水聽器接收信號波形的相似性，將信號對齊，消除直達(dá)波在兩種情況下到達(dá)時刻不同步帶來的誤差，再利用簡單差值法提取散射波。實驗表明該方法簡單，無需高階統(tǒng)計計算，可以有效的用于強(qiáng)直達(dá)波干擾背景中提取目標(biāo)散射信息。

1　DTW算法基本的原理

1.1算法原理

若兩個時間序列的整體上具有非常相似的波形，但是波形的長短和到達(dá)時刻并不同步，如圖1所示。DTW通過把時間序列進(jìn)行延伸和縮短的匹配運(yùn)算，來衡量兩個時間序列性之間的相似性[13]。弱散射條件下，有目標(biāo)和沒有目標(biāo)時的水聽器接收波形頻率相同，波形在整體上具有相似性，但是由于測試條件的限制，兩種情況下直達(dá)波的相位存在差異，需要將其中一個（或者兩個）信號在時間軸下，運(yùn)用DTW方法把時間序列進(jìn)行對齊，消除波形的不同步現(xiàn)象。圖1（a）中上下兩條實線代表兩個時間信號序列，信號之間的虛線代表兩個時間序列之間相似的點。

圖1　相似時間序列與歸整路徑Fig.1　Similar time sequences and warping path

1.2歸整路徑距離

如圖1 （b）所示，若兩個信號的時間序列表示為p和q，每個點之間的距離為D（qi，pj）。DTW算法通過尋找適當(dāng)格點，得到最佳歸整路徑距離，作為兩個序列對齊的點，來消除時間序列的不同步現(xiàn)象。若規(guī)整路徑用W表示， 第k個格點定義為wk=（i, j）k。最佳路徑是使得沿路徑的積累距離達(dá)到最小值的路徑。即計算當(dāng)前格點距離D（i，j）與到達(dá)該點的最小鄰近元素的累積距離之和：

2　算法驗證

為說明算法的有效性，首先對實驗所采用的圓柱體從理論上仿真回波結(jié)構(gòu)。目標(biāo)與聲場幾何分布如圖2所示，接收器圍繞目標(biāo)一周且位于遠(yuǎn)場。

圖2　目標(biāo)與聲場幾何Fig.2　Target and geometrical layout of sound field

圖3給出圓柱目標(biāo)后向散射回波聲壓級的簡正級數(shù)解以及散射回波仿真結(jié)果。圓柱目標(biāo)幾何和聲學(xué)參數(shù)見3.1節(jié)。

圖3　柱體目標(biāo)后向散射遠(yuǎn)場形態(tài)函數(shù)與回波仿真Fig.3　The form function of back scattering and echo wave simulation

弱散射目標(biāo)的前方散射信號和直達(dá)信號不同程度混疊在一起，如圖4（a）所示。有無目標(biāo)時水聽器接收到的直達(dá)波相位存在不同步，前向散射信號受到直達(dá)信號的強(qiáng)烈干擾，直接利用減法求解散射波誤差較大，很難將其提取出，結(jié)果如圖4（b）。

圖4　歸整算法處理前有無目標(biāo)時接收信號差值提取散射波Fig.4　Scattered wave calculated by difference between two receiving signals before distance warping

現(xiàn)將無目標(biāo)存在時，測得的直達(dá)波作為參考標(biāo)準(zhǔn)，對疊加了散射波信號進(jìn)行歸整，構(gòu)建鄰接矩陣，尋找最短路徑，從而得到歸整對齊的信號序列，如圖5（a）所示。利用最小歸整距離算法，消除兩個信號波形的相位差消除因歸整帶來的時間序列的補(bǔ)零，即可得到完整的散射波，圖5（b）給出剔除直達(dá)波后的散射波，以及誤差曲線。

圖5　歸整算法處理后有無目標(biāo)接收信號差值法提取散射波Fig.5　Scattered wave calculated by difference between two receiving signals after distance warping

3　水池實驗及分析

3.1實驗材料與布局

散射指向分布測量實驗在上海交通大學(xué)水聲工程實驗室完成，水池為5 m×5 m×5 m。目標(biāo)為樹脂（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）材料的圓柱體，柱體長1 m，直徑54 mm，其散射特性近似為無限長柱體。ABS圓柱密度約為1 075 kg/m3，聲速1 385 m/s，忽略目標(biāo)剪切分量。

換能器采用WBA-60換能器陣，工作頻率為40 kHz～80 kHz，信號脈沖周期250 ms、脈寬0.13 ms、10循環(huán)周期，電壓幅值1 V。目標(biāo)、水聽器、換能器布放深度均為2 m。圓柱體垂直浸沒水中，距離換能器1.95 m。水聽器以目標(biāo)為圓心繞目標(biāo)旋轉(zhuǎn)180o，旋轉(zhuǎn)半徑1.8 m，測量0o～180o范圍內(nèi)接收聲波強(qiáng)度。

3.2散射指向分布

在相同實驗條件下，分別測量有無目標(biāo)時，水聽器接收信號的強(qiáng)度。圖6（a）為水聽器從目標(biāo)后向（入射方向與接收水聽器同向，記為180o）出發(fā)，以0.5o為增量圍繞目標(biāo)旋轉(zhuǎn)得到的測試結(jié)果。圖（b）在相同的測試條件下，無目標(biāo)存在時，以相同的方式正轉(zhuǎn)水聽器，測量直達(dá)波強(qiáng)度。

圖6　有無目標(biāo)存在時接收信號強(qiáng)度Fig.6　Receiving signal strength with and without target in the field

為了獲得目標(biāo)的散射聲場強(qiáng)度指向分布，分別利用目標(biāo)存在時的接收信號減去無目標(biāo)時的直達(dá)波，然后求取每個角度波形的最大值，得到散射波聲壓。圖7分別給出歸整前后兩種信號差值法提取的0o～180o范圍內(nèi)的散射聲壓，并與解析解進(jìn)行了對比。

圖7　不同方法得到散射聲壓對比Fig.7　Comparison of scattered wave calculated by different method

圖7可見，經(jīng)過DTW算法處理后，簡單的差值法可以有效提取的散射波。但是由于解析解考慮的是無限長柱體，忽略了目標(biāo)的剪切分量，且ABS柱體中聲速估計值與實際值略有偏差，因此數(shù)值計算與解析解的存在略微差異是不可避免的。

4　結(jié)　論

動態(tài)時間規(guī)整DTW是利用兩個信號匹配時累積距離最小時所對應(yīng)的歸整函數(shù)，得到兩個相似信號的時間對應(yīng)關(guān)系。該算法用于混疊強(qiáng)直達(dá)波與散射波的分離，是將有無目標(biāo)時水聽器接收到的信號看作兩組相似的時間序列，通過歸整路徑法求解兩組信號的相似格點，來消除兩組信號序列的相位不同步現(xiàn)象。理論分析和實驗測量結(jié)果的數(shù)值計算表明，該算法簡單且不需要大量的統(tǒng)計運(yùn)算，有效地消除了有無目標(biāo)時直達(dá)波由于相位不同步帶來的較大誤差，簡單的差值法即可適用于提取混疊強(qiáng)直達(dá)波中的前向散射波。由于該研究主要考慮的目標(biāo)為弱散射目標(biāo)，散射回波和直達(dá)波強(qiáng)度差存在一定限制，因此當(dāng)散射波與直達(dá)波峰值比小于0.1時，該方法是有效的。

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（責(zé)任編輯：任萬森）

Suppression of Interference by Direct Arrival Wave Using Dynamic Time Warping Method

ZHANG Pei-zhen1, WANG Bin2, OU Chu-ling1
(1. Lab of ocean remote sensing & information technology, Information School，Guangdong Ocean University，Zhanjiang，524088 China；2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong university, Shanghai 200240, China)

Based on diffraction CT imaging technique, shape of targets and acoustic parameters of the surrounding medium can be reconstructed by directional distribution of scattered wave in bistatic system. While in front of the target, forward scattered wave and direct wave reach the receiving array at the same time. Especially under weakly scattering condition, namely, density and sound velocity of the target are comparable to that of water, scattered echo is completely submerged in the direct wave. Suppressing interference of direct wave is important for targets identification, position estimation and interpretation of the acoustic properties. Dynamic Time Warping (DTW) is a speech recognition method, which can be used to solve template matching problems of single words with different pronunciation length. Specified incident wave direction, immersed an infinite long cylinder in water to obtain data by experiment in tank. DTW algorithm is used to separate direct and scattered waves. Scattered far-field is calculated and presents a good agreement with analytic solution. The results show that the DTW algorithm can effectively extract scattering information with strong interference of direct wave.

weakly scattering；direct arrival wave；scattering wave；dynamic time warping algorithm；diffraction CT

O427.2

A

1673-9159（2015）06-0077-05

10.3969/j.issn.1673-9159.2015.06.014

2015-08-07

廣東海洋大學(xué)創(chuàng)新強(qiáng)校工程 (GDOU2014050224)，廣東海洋大學(xué)博士啟動基金(E15045)

張培珍(1972-)，女，博士，副教授，研究方向為水聲信號處理。E-mail: zpzhen7242@163.com