水中目標回波脈沖包絡起伏特征研究

陳云飛，黎 勝，王振山，李桂娟，高 峰

（1.大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024；2.水下測控技術(shù)重點實驗室，遼寧 大連 116013）

水中目標回波脈沖包絡起伏特征研究

陳云飛1，2，黎 勝1，王振山2，李桂娟2，高 峰2

（1.大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024；2.水下測控技術(shù)重點實驗室，遼寧 大連 116013）

水中目標散射聲信號中蘊含了目標外形、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等物理屬性信息，如何表征和提取這些屬性信息一直是水中目標散射聲信號分類與識別研究關(guān)注的焦點之一。為此，文章提出并研究了與水中目標屬性信息相關(guān)聯(lián)的散射聲信號包絡起伏特征，分析了該特征與目標外形、結(jié)構(gòu)等物理屬性間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)及其形成機理，建立了相應的特征表征模型，并開展了理論仿真分析和模型實驗驗證研究。研究結(jié)果表明：體目標回波的脈沖包絡起伏極值頻率隨入射聲波的載頻增加而增加，這體現(xiàn)了體目標的屬性；BenchMark模型的回波脈沖包絡起伏頻率與目標方位角密切相關(guān)，其中艏艉方向最大，正橫方位最小。

水中目標；目標回波；脈沖包絡起伏

0 引 言

主動聲納是探測和感知水中物體或目標的重要手段，其對目標識別或判識的信息源來自目標散射波所攜帶的目標特征信息，其中目標外形、結(jié)構(gòu)、尺度等目標本質(zhì)屬性信息是對主動聲納目標識別極為重要的目標特征信息，表征和提取與目標物理屬性參數(shù)相關(guān)聯(lián)的散射聲信號特征一直是水中目標散射聲信號分類識別研究的焦點。從通信論的觀點可以認為，主動聲納發(fā)射的聲脈沖信號經(jīng)目標反射后產(chǎn)生回波，在入射聲波與目標相互作用過程中，目標對入射聲脈沖做了線性變換，即對入射聲波進行了幅度和波形的變換[1]，導致目標回波信號的脈沖包絡起伏。水中彈性目標聲散射機理研究揭示了目標回波脈沖包絡起伏與目標材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺度等屬性參數(shù)之間的機理關(guān)系[2-6]，目標幾何散射波和彈性散射波共同疊加引起了入射聲波脈沖包絡的幅度起伏，因此目標回波脈沖包絡起伏蘊含了目標屬性參數(shù)的信息。已開展的大量研究采用回波亮點的數(shù)量、亮點的強度分布、亮點的間隔等參數(shù)對脈沖包絡起伏進行時域特征表征和特征提取[7-9]，并針對水中復雜目標回波亮點特征的舷角變化特性，對目標回波亮點相對關(guān)系進行定量分析，建立了目標回波特征統(tǒng)計表征模型[10]，深化了目標回波脈沖包絡起伏的特征表征和提取研究。目前有關(guān)復雜目標回波脈沖包絡起伏的亮點特征研究大都是針對目標回波脈沖包絡的時域波形結(jié)構(gòu)特征，少有研究關(guān)注目標回波脈沖包絡起伏的強弱、周期與目標屬性參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，以及載波頻率對脈沖包絡起伏的影響，而聽覺感知試驗研究也表明載波頻率和脈沖包絡起伏頻率對聽覺時間測檢測能力具有重要影響[11]。已有研究表明水中簡單實心圓柱目標的聲環(huán)繞波在時域上存在周期性[2]，表現(xiàn)為目標回波包絡的周期性起伏，回波包絡起伏頻率與圓柱的材質(zhì)和圓柱的直徑相關(guān)；周期性加隔板有限長圓柱殼中的周期性分布內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠形成明顯的幾何聲散射[12]，引起回波包絡的周期性加強，這表明回波脈沖包絡起伏的頻率與目標結(jié)構(gòu)參數(shù)存在內(nèi)在的關(guān)聯(lián)。本文針對與水中目標屬性參數(shù)相關(guān)聯(lián)的散射信號特征表征和提取問題，建立與目標外形、結(jié)構(gòu)等屬性參數(shù)相關(guān)聯(lián)的目標回波脈沖包絡起伏頻域特征表征模型，海上實測研究驗證了目標回波脈沖包絡起伏特征對BenchMark模型和石頭兩類不同屬性目標的回波特性表征效果。

1 目標回波脈沖包絡起伏特征形成機理

水中簡單彈性圓柱目標的散射聲回波中存在周期性的環(huán)繞波[2]，平面波垂直入射到無限長圓柱激發(fā)的環(huán)繞波的周期為：

其中：Cph為彈性圓柱或圓柱殼中表面波的相速度，表征了目標的材質(zhì)信息，a為圓柱的半徑，表征了目標的尺度信息。

在斜入射情況下，圓柱表面可能激發(fā)起與柱軸成一定角度的傾斜傳播的表面波。當圓柱足夠長時，其表面可傳播螺旋形環(huán)繞波，而螺旋環(huán)繞波的周期為：

其中：C為水中聲速，β為聲波入射角（即入射聲線與柱軸夾角），α為螺旋角（即螺旋線與柱軸夾角）。簡單目標的環(huán)繞波在時域的周期性引起了回波信號包絡幅度的周期性起伏，這種特性可以用回波的脈沖包絡起伏頻率進行表征?；夭}沖包絡起伏的頻率由目標的材質(zhì)、尺度等參數(shù)決定，回波包絡起伏的強度與快慢（即頻率）體現(xiàn)了彈性散射波與幾何散射波的能量差異與不同類型表面波的到達時間差異，表征了目標屬性參數(shù)信息。

水中復雜目標可以看作是各種簡單目標的組合體，其回波信號中包含了幾何反射波和各種類型的彈性波，各種性質(zhì)的波在時域上的到達時間不同，目標回波亮點模型可以表征包含幾何散射與彈性散射的復雜目標回波，即把鏡反射波和環(huán)繞波等構(gòu)成的彈性散射波統(tǒng)一看成是目標回波亮點，任何一個復雜目標都可以等效成由若干個散射亮點的組合。從信號包絡起伏的角度來說，目標回波亮點體現(xiàn)為回波包絡起伏的多個峰值點?；诹咙c模型，目標回波信號可表示：

其中：y0（ t, θ）為傳感器接收到的目標回波，x（t-τi）為經(jīng)過τi延時的入射聲波，ai（θ）為亮點強度系數(shù)，θ為目標與入射聲波的夾角，b（）t為回波背景。

為簡化推導流程，假設體目標的散射亮點等間隔分布，τi為第i個亮點與信號接收起點的時延差，具體如下：

其中：L為目標的縱向長度，N為亮點個數(shù)。設發(fā)射信號為：

其中：f0為起始頻率，K為調(diào)頻斜率。當K=0時，其為單頻信號；當K≠0時，其為線性調(diào)頻信號。

為簡化起見，不考慮背景項，則該單頻回波信號的復包絡可表示如下：

由（8）式可知，該回波信號的包絡表示為：

考慮回波信號包絡起伏的周期性，則（9）式頻域形式可表示如下：

為突出規(guī)律性，假設各亮點具有相同的散射強度特性，即ai（θ）=a（θ），則（10）式可改寫為：

其中：

在（12）式中，當fτθ＝m（m=1,2,3,…）時，h（f, θ）可以取得最大值1，傳感器接收到的目標回波形成相對峰值，形成所謂回波亮點。因此，（12）式清楚表明目標回波亮點形成主要由兩個因素決定，即：載頻f和目標最小亮點分辨間隔τθ。其中，發(fā)射信號的載頻越大，目標回波亮點的分辨間隔越小，其能表征目標尺度的分辨率越高；當載頻一定時，目標回波包絡能夠形成以最小亮點分辨間隔τθ為間隔的周期性多亮點幅度起伏，由于實際目標亮點散射強度并非完全相同，傳感器接收到的回波信號亮點幅度起伏的差異則由體目標各散射部位實際散射強度特性決定。由此可知，對應（12）式中的回波周期性多亮點起伏，（11）式中必然存在線譜，而該線譜特性則表征了體目標的散射特性。

考慮BenchMark模型類縱向尺度大于橫向尺度的體目標，由（12）式可知，當入射聲信號的頻率為f，目標回波亮點的分辨越小間隔為τ=，則不同舷角時的目標回波脈沖包絡起伏最大頻率可表示為：

θ其中：Nmax（θ）為不同舷角條件下的回波信號包絡的最大起伏個數(shù)。

隨著舷角的變化，理論上剛性BenchMark模型類目標回波調(diào)制頻率的極值可表示如下：

其中：τs為脈沖寬度，d為目標的最大橫向尺度。對于彈性目標，由于其存在彈性散射，其回波時域幅度起伏特征將隨目標材料參數(shù)的變化而與剛性目標存在一定的差異?；冢?1）～（15）式，采用散射場計算中最常用的標準BenchMark模型進行仿真，回波信號的頻率為40-80 kHz，脈沖寬度為3 ms，設定亮點的幅度系數(shù)相同且等間隔分布。線性調(diào)頻寬帶信號和單頻60kHz的目標回波時域幅度起伏頻率的仿真結(jié)果如圖1所示

圖1 目標回波包絡起伏頻率隨載頻和方位角變化Fig.1 Frequency of echomagnitude fluctuation varying with carrier frequency and azimuth

結(jié)合理論和仿真結(jié)果表明：

（1）對于BenchMark模型類水中目標，其回波脈沖包絡起伏頻率隨目標方位角變化，其中艏艉方向極值頻率最大，正橫方位包絡起伏極值頻率最?。?/p>

（2）回波包絡起伏極值頻率與入射聲波的載頻存在關(guān)聯(lián)，隨著載頻增加，目標回波包絡幅度起伏極值頻率隨之增加；

（3）當目標回波亮點周期分布且存在亮點強度差異時，目標回波包絡頻域?qū)⒋嬖诰€譜特性，線譜頻率由載頻、亮點間距決定。

2 海上實驗研究

為了驗證仿真和理論分析中得出的水中目標回波脈沖包絡起伏在頻域所表現(xiàn)出的與入射聲波的頻率、目標方位角和目標屬性參數(shù)之間的關(guān)系，在大連海域進行了以BenchMark縮比模型為被測水中目標的目標回波脈沖包絡起伏特征海上測試實驗。

2.1 實驗條件

實驗在水深30m的大連近海進行。圖2為實驗用的BenchMark模型照片，該模型長3m，按照1: 20的縮比尺度制作，材料為不銹鋼。實驗布放如圖3所示，實驗模型通過兩根直徑為7mm的軟繩吊掛在模型轉(zhuǎn)臺上，通過轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動改變模型的舷角。作為聲信號發(fā)射和接收用的收發(fā)合置換能器布放在距目標10.5m位置，滿足遠場要求。被測目標和測試濕端的布放深度為5m，發(fā)射波束開角中心對準模型位置固定不動。被測目標模型從艇艏開始旋轉(zhuǎn)180°，數(shù)據(jù)采集采用連續(xù)記錄的方式。發(fā)射信號分別為線性調(diào)頻信號（20-40 kHz、40-80 kHz）和單頻CW信號（30 kHz、60 kHz），信號的脈沖寬度分別為1ms和3ms兩種。

圖2 BenchMark縮比模型照片F(xiàn)ig.2 Image of scalled BenchMark submarinemodel

圖3 實驗設備布置示意圖Fig.3 Configuration of sea testing

2.2 回波脈沖包絡起伏特征提取

基于本文研究的目標回波幅度起伏特征理論模型，對BenchMark模型的散射實測數(shù)據(jù)進行分析處理。由于被測目標為連續(xù)旋轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)采集采用連續(xù)記錄的方式，為了能夠?qū)⒛繕讼辖桥c相應測試數(shù)據(jù)對應，在數(shù)據(jù)處理中實際數(shù)據(jù)的選取是根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度與采集數(shù)據(jù)的時間長度的對應關(guān)系進行截取。圖4為目標回波脈沖包絡起伏特征提取信號處理流程，具體為：

· 截取目標各舷角對應的回波數(shù)據(jù)，并進行帶通濾波；

· 對回波數(shù)據(jù)進行包絡提取，輸出相應舷角的目標回波包絡；

·對各舷角回波包絡進行幅值規(guī)一化和低通濾波處理；

·對歸一化的回波包絡進行包絡譜計算；

·得出目標回波脈沖包絡起伏特征隨舷角變化特性。

按照上述數(shù)據(jù)處理流程，對試驗測量得到的不同參數(shù)條件下的BenchMark模型的回波信號進行處理，具體結(jié)果如圖5～6所示。其中圖5為BencheMark模型在線性調(diào)頻信號20-40 kHz、40-80 kHz下的全方位回波脈沖包絡起伏特征實測結(jié)果。圖6為Benchmark模型在單頻信號30 kHz、60 kHz下的全方位回波脈沖包絡起伏特征實測結(jié)果。圖中的黑色星號線為不同舷角的回波脈沖包絡起伏頻率最大值。

圖4 回波脈沖包絡起伏特征提取算法流程Fig.4 Procedure of extraction algorithm for echomagnitude fluctuation feature

圖5 BenchMark模型線性調(diào)頻信號全方位回波脈沖包絡起伏特征Fig.5 Echomagnitude fluctuation feature of BenchMarkmodelwith LFM signal

圖6 BenchMark模型單頻信號全方位回波脈沖包絡起伏特征Fig.6 Echomagnitude fluctuation feature of BenchMark modelwith CW signal

2.3實驗結(jié)果的討論與分析

（1）載波頻率的影響

如圖7所示，與理論分析結(jié)果一致，在線性調(diào)頻信號和單頻信號激勵條件下，相同舷角目標回波的幅度起伏頻率隨入射聲波載頻的增加而增大。這主要是當入射波的頻率增大時，目標回波亮點的分辨間隔越小，回波信號能夠表征的目標部位散射分辨率越高，回波脈沖包絡所包含的細小亮點個數(shù)隨之增加，從而回波信號的脈沖包絡起伏頻率增高，顯性表征了體目標外形、表面粗糙度等屬性對散射信號的影響，是體目標的重要特征。需要指出的是相同脈寬的寬帶信號和單頻信號相比，寬帶信號時間分辨能力更高，因此實際回波信號中，不同寬帶載頻信號的脈沖包絡起伏頻率變化比單頻信號更顯著。

圖7 BenchMark模型不同載頻信號全方位回波脈沖包絡起伏特征對比Fig.7 Echomagnitude fluctuation feature of BenchMark modelwith different carrier frequency signal

（2）脈沖包絡起伏頻譜的線譜特性

圖8為不同信號形式下BenchMark模型單一方位的回波脈沖包絡起伏頻譜，可以看出BenchMark模型的回波脈沖包絡起伏頻譜中存在線譜，與理論分析一致。其中圖8（d）中尤為明顯，這是由于目標散射體上的周期性分布結(jié)構(gòu)引起的回波周期性調(diào)制，如BenchMark模型中存在等間隔分布的肋板。

（3）不同脈沖寬度的影響

如圖9所示，在線性調(diào)頻信號和單頻信號激勵條件下，回波的脈沖包絡起伏頻譜與入射信號的脈沖寬度相關(guān)，相同舷角目標回波脈沖包絡起伏頻率最大值隨著脈沖寬度的增加而減小。這是由于入射波的脈沖寬度越窄，回波信號的能夠表征的目標尺度分辨率越高，回波所能表征的目標部位散射特性越精細，從而回波信號的幅度起伏頻率越高，這與理論分析一致。

圖8 BenchMark模型回波脈沖包絡起伏頻譜的線譜特性Fig.8 Line spectra feature of echomagnitude fluctuation spectrum for BenchMark model

圖9 BenchMark模型不同脈寬回波脈沖包絡起伏特征對比Fig.9 Echomagnitude fluctuation feature of BenchMark modelwith different pulse length

（4）隨方位的變化特性

如圖7和圖9所示，對于目標截面與縱向尺度之比小于1的水中目標，其回波脈沖包絡起伏頻率最大值隨目標方位角變化，其中艏艉方向最大，正橫方位頻率最小。這是因為特定載頻和脈沖寬度的入射聲波的時間分辨力固定，在艏艉方位，目標亮點間的相對距離最大，表現(xiàn)為多亮點目標，其回波脈沖包絡起伏頻率大，而在正橫方位，目標各部位回波幾乎同時到達接收基陣，目標回波表現(xiàn)出的亮點數(shù)少，目標回波脈沖包絡起伏頻率低。但是在試驗中，目標艏艉方向附近，其回波脈沖包絡起伏頻率有時較低，這是由于艏艉方向目標回波強度小，目標回波信噪比較低，導致在進行回波脈沖包絡起伏頻率特性求取時出現(xiàn)偏差。

（5）與礁石的對比

為了對比人造目標和石頭目標的回波脈沖包絡起伏特征，本文同時也測試分析了石頭回波脈沖包絡起伏特征，試驗測量所用礁石的最大尺度為60 cm。由于礁石形狀不規(guī)則，沒有BenchMark模型舷角的概念，因此選定礁石某方位為起始角度，旋轉(zhuǎn)180°測量回波數(shù)據(jù)，具體測量方法與BenchMark模型散射特性測量方法相同。測試實驗的發(fā)射信號為40-80 kHz之間的線性調(diào)頻信號，脈沖寬度為1ms。

圖10為不同載波頻率下的石頭回波脈沖包絡起伏頻率最大值對比，與本文理論分析一致，石頭回波脈沖包絡起伏頻率最大值也隨入射信號的載頻增加而增加，同時由于石頭沒有規(guī)則的幾何外形，其回波脈沖包絡起伏頻率不隨方位角改變而規(guī)律變化；圖11是石頭與BenchMark模型全方位回波脈沖包絡起伏頻譜對比，石頭表面隨機凹凸不平，其回波存在眾多細小雜碎的亮點，BenchMark模型由于其外殼光滑，其回波能量主要體現(xiàn)在幾個典型亮點上，因此石頭相對于BenchMark模型，其回波脈沖包絡起伏頻率峰值比BenchMark模型的大，而BenchMark模型的回波脈沖包絡起伏頻譜能量主要集中在低頻，這也是這兩種不同屬性目標的重要特征區(qū)別。

圖10 石頭不同頻率LFM載頻信號脈沖包絡 起伏頻率最大值對比 Fig.10 Maximum frequency comparison of LFM carrier frequency signals

圖11 石頭與模型LFM40-80 kHz載頻信號 多脈沖包絡起伏頻譜對比Fig.11 Feature comparison of stone and BenchMark model in all directions

3 結(jié) 論

本文提出并研究了一種表征目標尺度、外形、結(jié)構(gòu)等屬性參數(shù)的回波脈沖包絡起伏特征，分析了該特征與目標材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等物理屬性間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)及其形成機理；基于水中目標回波亮點模型，建立了目標回波脈沖包絡起伏特征的表征模型，揭示了入射聲波頻率與目標回波幅度起伏頻率之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并開展了理論仿真分析和模型實驗驗證研究。理論和實驗研究表明：

（1）目標回波信號幅度起伏特征能夠綜合表征目標尺度、外形、結(jié)構(gòu)等屬性參數(shù)對回波的影響；

（2）BenchMark模型存在顯著的脈沖包絡起伏線譜頻率，并且目標回波的脈沖包絡起伏頻率與入射聲波的載頻、脈沖寬度有關(guān)，其中載頻增加，回波包絡起伏頻率最大值隨之增加；

（3）BenchMark模型的回波脈沖包絡起伏頻率隨目標方位角變化而變化，其中艏艉方向最大，而正橫方位則最?。?/p>

（4）礁石由于表面隨機凹凸不平，回波存在眾多細小雜碎的亮點，其回波脈沖包絡起伏頻率的最大值比BenchMark模型的大，而BenchMark模型表面光滑，其回波脈沖包絡起伏頻譜能量主要集中在低頻。

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Echomagnitude fluctuation feature of underwater target

CHEN Yun-fei1,2,LISheng1,WANG Zhen-shan2,LIGui-juan2,GAO Feng2
(1.School of Naval Architecture,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 2.Science and Technology on Underwater Testand Control Laboratory,Dalian 116013,China)

Echo signal of underwater target is the incident signalmodulated bymaterial,structure and shape parameters.How to extract the parameters of physical characteristic from the scattering signal is the focus of identifying underwater target.In this paper,themechanism amongmaterial,structure parameters of target and echo envelope fluctuation of scattering signal is analyzed.And the echo envelope fluctuation feature of underwater target scattering signal is put forward from the standpointof echo signal characteristic application.Combined with theoretical derivation,themechanism and description of echo envelope fluctuation feature of underwater complex target scattering signal is presented.Sea experiments results demonstrate the frequency of echomagnitude fluctuation varyingwith carrier frequency and azimuth.

underwater target;echo;envelope fluctuation feature

TB566

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2017.02.012

2016-09-26

水下測控技術(shù)重點實驗室基金（9140C260201130C26096）

陳云飛（1978-），男，博士研究生，研究員，E-mail:yunfeichen@163.com；

黎 勝（1973-），男，教授，博士生導師。

1007-7294（2017）02-0218-10