一種基于頻數(shù)直方圖的艦船體積目標(biāo)識(shí)別方法

肖大為 何光進(jìn)

(海軍工程大學(xué)兵器工程系1) 武漢 430033) (海軍駐廣州750廠軍事代表室2) 廣州 510000)

一種基于頻數(shù)直方圖的艦船體積目標(biāo)識(shí)別方法

肖大為1)何光進(jìn)2)

(海軍工程大學(xué)兵器工程系1)武漢 430033) (海軍駐廣州750廠軍事代表室2)廣州 510000)

隨著水聲對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，聲誘餌通過播放典型艦船的輻射噪聲錄音來模擬艦船信號(hào),其時(shí)域和頻域特征與真實(shí)艦船已十分逼近，水下聲探測(cè)系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)的時(shí)域和頻域特征已較難識(shí)別目標(biāo).針對(duì)這一問題，分析了艦船輻射噪聲源的空間特性和聲誘餌的點(diǎn)源特性，建立了艦船輻射噪聲源的多亮點(diǎn)模型，利用艦船以不同橫距通過聲探測(cè)系統(tǒng)上方時(shí)的空間尺度差異，提出了一種基于頻數(shù)直方圖的艦船體積目標(biāo)識(shí)別方法，在不同正橫和信噪比下對(duì)算法的目標(biāo)識(shí)別能力進(jìn)行了仿真分析.結(jié)果表明,當(dāng)目標(biāo)信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，在較遠(yuǎn)距離上也可以得到較好的識(shí)別效果.

目標(biāo)識(shí)別；頻數(shù)直方圖；方位估計(jì)

0 引 言

水下聲探測(cè)系統(tǒng)一般將艦船等目標(biāo)當(dāng)作點(diǎn)聲源來近似處理，通過對(duì)目標(biāo)噪聲的時(shí)域或頻域特征進(jìn)行分析，提取出反映目標(biāo)特征的物理量，從而判別目標(biāo)屬性.隨著水聲對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，聲誘餌通過播放典型艦船的輻射噪聲錄音來模擬艦船信號(hào),其時(shí)域和頻域特征與真實(shí)艦船已十分逼近，水下聲探測(cè)系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)的時(shí)域和頻域特征已較難識(shí)別目標(biāo)，這些變化對(duì)水下聲探測(cè)系統(tǒng)的目標(biāo)識(shí)別能力提出了新的挑戰(zhàn)，使我們不得不考慮提取目標(biāo)的其他特征完成對(duì)目標(biāo)的識(shí)別.

前蘇聯(lián)根據(jù)大量實(shí)船通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了艦船輻射噪聲通過特性在艦船幾個(gè)特別部位出現(xiàn)極大值的結(jié)論[1].國內(nèi)的一些學(xué)者也指出[2-8]，當(dāng)目標(biāo)距離與目標(biāo)尺度可比擬時(shí)，艦船輻射噪聲源具有分布式特性，不同噪聲源具有不同的距離和方位，沿艦船艏艉方向分布有三個(gè)明顯的聲輻射亮點(diǎn)，分別為輔機(jī)部位(船體中部)、主機(jī)部位(船體中后部)和螺旋槳部位，從而明顯地形成多源輻射噪聲.在此基礎(chǔ)上，本文研究了一種基于頻數(shù)直方圖的水下體積目標(biāo)識(shí)別方法.

1 識(shí)別方法

假設(shè)目標(biāo)艦船以正橫距離X通過水下聲探測(cè)系統(tǒng)上方，水下聲探測(cè)系統(tǒng)與目標(biāo)的相對(duì)位置見圖1.

L-船長；H-水下聲探測(cè)系統(tǒng)布放深度；θ-艦船的聲輻射亮點(diǎn)在水平方向的擴(kuò)展角圖1 水下聲探測(cè)系統(tǒng)與目標(biāo)艦船的相對(duì)位置

令R為水下聲探測(cè)系統(tǒng)的識(shí)別半徑，從目標(biāo)艦船的半船長進(jìn)入水下聲探測(cè)系統(tǒng)識(shí)別半徑開始至離開，見圖2.θ的變化范圍為

(1)

圖2 目標(biāo)艦船進(jìn)入水下聲探測(cè)系統(tǒng)動(dòng)作半徑

假設(shè)僅存在一個(gè)目標(biāo)(艦船或聲誘餌，另一目標(biāo)可通過空域?yàn)V波消除)，提取反映目標(biāo)不同部位的特征線譜，在一定的信噪比條件下，可以得到目標(biāo)不同部位聲輻射源相對(duì)于探測(cè)系統(tǒng)的方位角，根據(jù)方位角水平擴(kuò)展的離散程度可以估計(jì)目標(biāo)的尺度.圖3為理想條件下艦船體積聲源和聲誘餌點(diǎn)聲源的方位估計(jì)結(jié)果，其中體積聲源用三個(gè)不同中心頻率的窄帶點(diǎn)聲源模擬.

圖3 理想情況下聲源的方位估計(jì)結(jié)果

實(shí)際由于環(huán)境噪聲的影響，對(duì)目標(biāo)各部位特征頻率分量的DOA估計(jì)結(jié)果并沒有圖3那么理想，圖3中代表艦船聲輻射亮點(diǎn)的三個(gè)峰值并不能嚴(yán)格分開.當(dāng)考慮實(shí)際情況時(shí)，更趨向于圖4所示的結(jié)果(三個(gè)點(diǎn)聲源所形成的水平擴(kuò)展角為20°).

圖4 考慮噪聲時(shí)聲源的方位估計(jì)結(jié)果

由圖4可知，對(duì)于體積目標(biāo)，其方位-頻數(shù)曲線在目標(biāo)方向上更加平坦，而對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)，其峰值則較為尖銳.

對(duì)圖4以頻數(shù)ξ為界分成上、下兩個(gè)部分，見圖5.

A、B-目標(biāo)可能方位的下界和上界圖5 方位-頻數(shù)曲線劃分示意圖

圖5中假設(shè)上、下兩部分的面積分別為S1和S2，再設(shè)定一閾值α，利用以下的準(zhǔn)則判斷目標(biāo)屬性：

(2)

設(shè)當(dāng)目標(biāo)分別為點(diǎn)和體積時(shí)得到的統(tǒng)計(jì)均值分別為m1和m2，則閾值α為

α=(m1+m2)/2

(3)

2 仿真研究

假設(shè)目標(biāo)艦船長為160 m，距離水下聲探測(cè)系統(tǒng)的正橫距離為200 m，沿艦船艏艉方向分布的三個(gè)點(diǎn)噪聲源在聲探測(cè)系統(tǒng)坐標(biāo)系中的方位角分別為-146°，-135°和-124°.則不同信噪比下，當(dāng)ξ=0.4時(shí)上、下兩部分的面積之比的統(tǒng)計(jì)均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表1，表中數(shù)值通過1 000次獨(dú)立仿真平均得到.

表1 不同信噪比下上、下部分面積之比的統(tǒng)計(jì)特性

不同正橫距離下閾值α與信噪比的關(guān)系見圖6.

圖6 閾值與信噪比的關(guān)系

利用式(3)得到的門限值，對(duì)模擬的艦船目標(biāo)和聲誘餌進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，不同信噪比下得到的成功識(shí)別概率見圖7，其中在每個(gè)信噪比下得到的結(jié)果為經(jīng)過1 000次獨(dú)立仿真平均得到.從圖中可以看出，當(dāng)SNR>10 dB時(shí)，對(duì)體積目標(biāo)和點(diǎn)目標(biāo)的成功識(shí)別概率均達(dá)到80%以上，且距離越近，識(shí)別概率越高，與工程實(shí)際相符合.

圖7 不同信噪比下目標(biāo)成功識(shí)別概率

3 結(jié) 束 語

根據(jù)真實(shí)艦船和聲誘餌在空間尺度上的差別，提取反映艦船目標(biāo)不同部位的特征頻率并估計(jì)其方位，得到歸一化頻數(shù)直方圖.將頻數(shù)直方圖分成上下兩上部分，在目標(biāo)方向上計(jì)算上下兩部分的面積并求其比值，根據(jù)比值大小判別目標(biāo)屬性.在不同正橫和信噪比下對(duì)方法的目標(biāo)識(shí)別能力進(jìn)行了仿真分析，得到了較好的識(shí)別效果.

[1] 湛雅倩.考慮艦船噪聲多源信號(hào)的仿真與輸出實(shí)現(xiàn)[D]．西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[2] 劉勛，相敬林，周越，等．作為體積目標(biāo)的船舶聲輻射縱向分布特性的研究[J]．西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，18(3)：234-238．

[3] 劉勛，相敬林，周越．基于聲強(qiáng)向量法的體積目標(biāo)被動(dòng)跟蹤與尺度估計(jì)[J]．聲學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23(1)：456-459．

[4] LIU X，XIANG J L．Passive tracking and size estimation of target based on acoustic intensity vector[J]．Journal of Chinese Acoustics，2001，20 (3)：224-237．

[5] 劉勛．體積目標(biāo)的被動(dòng)聲定向方法和尺度估計(jì)研究[D]．西安：西北工業(yè)大學(xué)，2000．

[6] 羅建，相敬林．連續(xù)噪聲過程的模擬[J]．聲學(xué)學(xué)報(bào)，1997，22(16)：509-514．

[7] 劉勛，相敬林．基于聲強(qiáng)向量法和聲壓梯度法的水中目標(biāo)定向[J]．兵工學(xué)報(bào)，2001，22(1)：90-94．

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A Target Recognition Method in Ship Volume Based on Frequency Histogram

XIAODawei1)HeGuangjin2)

(DepartmentofWeaponryEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)1)(MilitaryRepresentativeOfficeinGuangzhou750Factory,Guangzhou430033,China)2)

With the development of underwater acoustic confrontation technology, acoustic decoy is used to simulate the ship signal by broadcasting radiation noise recording of typical ships. Due to the time and frequency domain characteristics approach the real ship, it is difficult to identify the target for the underwater acoustic detecting system according to the time domain and frequency domain characteristics. In this regard, the spatial characteristics of ship and acoustic decoy are analyzed. Also, the multi-highlight model of ship radiation noise is established. Moreover, by using the space scale difference of target ship through the sound detection system in different abeam distances, a target recognition method based on frequency histogram is proposed, and the target identification ability is simulated under different abeam distance and signal to noise ratio. The results show that also a good recognition effect will be achieved in a long distance when the target signal is stronger.

target recognition; frequency histogram； DOA estimation

TP391.9

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.016

2017-07-13

肖大為(1982—)：男，講師，博士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)樗履繕?biāo)探測(cè)與識(shí)別