探雷聲吶隨機(jī)觸點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)理與分布

馬愛民,張 琦,崔 鵬

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連 116018)

1 問題描述

聲吶探雷是當(dāng)前最重要的反水雷手段,它定向發(fā)射高頻聲波,并接收海底目標(biāo)反射的回波,當(dāng)回波強(qiáng)度在聲吶圖像上形成孤立回波點(diǎn)時(shí),即被視為發(fā)現(xiàn)目標(biāo),聲吶員可用光標(biāo)錄取其方位距離,再由指控根據(jù)本艦位置對目標(biāo)完成二次定位,得到聲吶觸點(diǎn)。探雷聲吶多年的使用經(jīng)驗(yàn)已證明2種普遍存在的情況[1-2]:一是對同區(qū)域海底多次搜索時(shí),每次都會(huì)錄取數(shù)量不等的聲吶觸點(diǎn),并呈現(xiàn)出與海區(qū)相關(guān)的穩(wěn)定性;二是多次搜索錄取的聲吶觸點(diǎn)中,總有相當(dāng)一部分觸點(diǎn)呈孤立狀態(tài),與其它觸點(diǎn)不重合。圖1給出2個(gè)搜索實(shí)例。

圖1(a)和圖1(b)分別為2個(gè)不同的搜索實(shí)例,各自標(biāo)出作業(yè)區(qū)和聲吶觸點(diǎn),并以三角符標(biāo)出含有2個(gè)以上觸點(diǎn)的重復(fù)目標(biāo),其余為孤立觸點(diǎn)。(a)區(qū)位于東海,面積0.3 n mile2,11次搜索共錄取觸點(diǎn)231個(gè),平均每次搜索中錄取21個(gè);作業(yè)區(qū)內(nèi)共有觸點(diǎn)194個(gè),其中孤立觸點(diǎn)53個(gè)。(b)區(qū)位于黃海,面積0.75 n mile2,4次搜索共錄取觸點(diǎn)138個(gè),平均每次搜索錄取34.5個(gè);作業(yè)區(qū)內(nèi)共有觸點(diǎn)77個(gè),其中孤立觸點(diǎn)58個(gè)。這2個(gè)搜索實(shí)例表明,在同一海區(qū)中,探雷聲吶每次搜索錄取的觸點(diǎn)數(shù)量差別不大,且有大量觸點(diǎn)處于孤立狀態(tài),與其它觸點(diǎn)不重合,呈現(xiàn)出位置隨機(jī)特性。

不同使用單位在不同海區(qū)的大量應(yīng)用實(shí)例表明,與上述實(shí)例類似的隨機(jī)觸點(diǎn)現(xiàn)象具有普遍性,其數(shù)量或密度與海區(qū)有關(guān)。這些隨機(jī)觸點(diǎn)在后續(xù)分類過程中易于排除,但需消耗大量時(shí)間,根據(jù)目前掌握的情況,即使在最好的海區(qū),隨機(jī)觸點(diǎn)也會(huì)嚴(yán)重影響獵雷效率。而在最差海區(qū)中,隨機(jī)觸點(diǎn)密度可達(dá)到每平方海里過百,實(shí)際上已經(jīng)無法執(zhí)行清除水雷任務(wù)。

圖1 探雷聲吶多次搜索實(shí)例Fig.1 Multiple searching examples for mine detecting sonar

隨機(jī)觸點(diǎn)現(xiàn)象在國外探獵雷相關(guān)文獻(xiàn)中也有提及,通常表述為虛警,也提及對獵雷效率有影響,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致獵雷困難[3],形成所謂不適合探獵雷的海區(qū)等情況。但國外文獻(xiàn)中除了討論一般獵雷作戰(zhàn)流程外,并未見到消除虛警的其它技術(shù)措施,似乎虛警的影響并不嚴(yán)重,與國內(nèi)面臨的情況有所不同。

綜上所述,探雷聲吶搜索過程中形成的隨機(jī)觸點(diǎn),基本特征是位置隨機(jī)出現(xiàn),且重復(fù)出現(xiàn)的可能性很小,數(shù)量主要取決于聲吶型號和海區(qū)特性。本文以應(yīng)用實(shí)例為對象探討隨機(jī)觸點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理和分布規(guī)律,尋找快速剔除隨機(jī)觸點(diǎn)、提高目標(biāo)辨識(shí)效率的有效方法。

2 隨機(jī)觸點(diǎn)生成機(jī)理

海底存在大量自然和人工物體,其尺度、形狀、材質(zhì)各不相同。聲吶探測理論中統(tǒng)一用目標(biāo)強(qiáng)度描述目標(biāo)的探測特性,在水雷探測問題中,強(qiáng)度接近水雷的目標(biāo)稱為探測似雷目標(biāo),強(qiáng)度明顯小于水雷的目標(biāo)可稱之為微小目標(biāo)。

2.1 艦殼聲吶錄取目標(biāo)一般方法

使用艦殼式探雷聲吶搜索海底時(shí),操作員根據(jù)探測聲吶圖像上回波亮點(diǎn)的大小、強(qiáng)度和穩(wěn)定性等特征,判定其是否可能是水雷,并錄取其位置。根據(jù)聲吶探測理論,在自然環(huán)境和聲吶自身的隨機(jī)干擾下,即使不存在真實(shí)目標(biāo),聲吶圖像上仍然會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)回波點(diǎn)。但這種隨機(jī)回波點(diǎn)不大會(huì)連續(xù)穩(wěn)定地出現(xiàn)在同一位置,在艦殼式探雷聲吶數(shù)秒一次的探測周期下易于排除。由此可見,對于有一定經(jīng)驗(yàn)的探雷聲吶操作員來說,在調(diào)整好聲吶圖像的工作參數(shù)后,一旦錄取到觸點(diǎn),通常意味著確實(shí)存在對應(yīng)的目標(biāo)。

2.2 海底微小目標(biāo)

海底真實(shí)目標(biāo)自然分布、數(shù)量眾多,包括礁石、地形凹凸、動(dòng)植物及遺骸、人造物品等,其大小不同,尺度連續(xù)分布,且尺度越小數(shù)量越多。

圖2 海底微小凹凸地貌與探測似雷石塊Fig.2 Tiny concave and convex landform on seabed and mine like rock

圖2是某海區(qū)的海底地貌局部圖,可見海底表面布滿了微小凹凸,圖中偏左稍遠(yuǎn)處隱約可見的較大目標(biāo)為石塊,其附近區(qū)域的聲吶探測圖像如圖3所示。

圖3 探測聲吶圖像Fig.3 Detection sonar image

圖3的中部回波為石塊,右側(cè)回波為人工布放的油桶,它們都與水雷回波十分相似,通過預(yù)先建立的數(shù)據(jù)庫即可有效排除。除了似雷目標(biāo)回波外,整個(gè)圖3中還充斥著較弱的回波點(diǎn),它們應(yīng)與圖2中遍布海底的凹凸地形有關(guān)。自然環(huán)境與此相似的地貌還有礫石、沙紋、碎石等,其共同特點(diǎn)是體積小、數(shù)量大,回波強(qiáng)度普遍較弱。

2.3 聲吶觸點(diǎn)隨機(jī)性

根據(jù)聲吶探測理論,目標(biāo)回波強(qiáng)度與體積、外形和材質(zhì)有關(guān),通常用二維或三維方向圖表示[4]。海底微小目標(biāo)體積不大,平均回波強(qiáng)度都很小,但其外形和材質(zhì)的隨機(jī)組合,有可能在某個(gè)特定方向形成尖銳的目標(biāo)強(qiáng)度,足以形成似雷回波。這種情況類似于角反射器,雖然目標(biāo)強(qiáng)度相同,但實(shí)際尺度僅為真實(shí)目標(biāo)的十分之一。天然微小目標(biāo)的強(qiáng)反射張角不會(huì)太大,對應(yīng)某個(gè)狹長空間,如果獵雷艦位置航向航速恰好合適,則可在一段時(shí)間內(nèi)形成連續(xù)穩(wěn)定的聲吶回波,從而被錄取為聲吶觸點(diǎn)。

除了微小目標(biāo)強(qiáng)反射方向分布和獵雷艦運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性外,聲吶錄取目標(biāo)還存在多種隨機(jī)因素影響,如海洋背景噪聲的周期性起伏改變目標(biāo)信噪比[4]、同頻干擾[5]、操作員的差異和觀察判斷錄取的隨機(jī)性等[6]。在多種隨機(jī)因素的綜合影響下,單個(gè)微小目標(biāo)被錄取的概率很小,但大量微小目標(biāo)同時(shí)存在,即可在每次搜索中呈現(xiàn)出一定錄取率。然而對某個(gè)已被錄取的小目標(biāo),再次被錄取的可能性仍然很低,表現(xiàn)出難以重復(fù)錄取的特性。海底微小目標(biāo)的隨機(jī)性和孤立性,可類比地面散落的大量碎玻璃,移動(dòng)的觀察者可觀察到一些強(qiáng)反光點(diǎn),但每個(gè)點(diǎn)都一閃而過,很難被再次觀察到。根據(jù)目前經(jīng)驗(yàn),探雷聲吶搜索過程中,隨機(jī)觸點(diǎn)的出現(xiàn)間隔為幾分鐘,情形類似于泊松點(diǎn)。

2.4 聲吶觸點(diǎn)重復(fù)性

尺度或回波強(qiáng)度似雷的目標(biāo),在多次搜索中會(huì)被重復(fù)錄取,并散布在定位誤差范圍內(nèi)。隨著目標(biāo)回波強(qiáng)度減小,重復(fù)錄取率必然隨之下降,逐漸退化為非重復(fù)的孤立觸點(diǎn),可見目標(biāo)自身的強(qiáng)度是其被重復(fù)錄取的重要因素。這種自身重復(fù)性對微小目標(biāo)可能性很小,但因其總數(shù)量很大,因而仍然有可能被觀測到。

除了同一目標(biāo)被重復(fù)錄取的情況外,不同目標(biāo)也有可能產(chǎn)生重復(fù)觸點(diǎn),注意這里所討論的是大量微小目標(biāo)的情況,不包括彼此靠近的2個(gè)似雷目標(biāo)形成的重復(fù)觸點(diǎn)。如果將大量微小目標(biāo)視為純粹的隨機(jī)點(diǎn),則在定位誤差限定的范圍內(nèi),有可能同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)隨機(jī)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)觸點(diǎn)間的距離和定位誤差判定其是否屬于重復(fù)觸點(diǎn),但難以區(qū)分它們是否來自同一目標(biāo),這會(huì)導(dǎo)致聲吶觸點(diǎn)的建模和預(yù)測變得復(fù)雜[7]。

3 隨機(jī)觸點(diǎn)分布特點(diǎn)

表1 實(shí)例a觸點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical results of contacts in example a

為了全面考查隨機(jī)觸點(diǎn)的分布情況,對圖1中實(shí)例(a)中作業(yè)區(qū)內(nèi)194個(gè)觸點(diǎn)進(jìn)行聚類分析[8],原則是觸點(diǎn)間最大距離不超過由定位誤差所限定的某個(gè)門限值,共得到80個(gè)聚類組。再依據(jù)各聚類組所含觸點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)量,得到觸點(diǎn)的重合向量Y=(53,9,3,5,1,1,0,1,0,3,4),其中第n個(gè)分量yn表示含有n個(gè)觸點(diǎn)的聚類組數(shù)。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1中n和Y是原始數(shù)據(jù),n表示重合次數(shù),Y表示n重合聚類組的數(shù)量,例如(n,Y)=(2,9)表示2觸點(diǎn)聚類組有9個(gè),共計(jì)18個(gè)觸點(diǎn)。原始數(shù)據(jù)與作業(yè)區(qū)面積和搜索次數(shù)相關(guān),需要?dú)w一化。重合次數(shù)n歸一化為p=n/k,k是最大搜索次數(shù),p的實(shí)際意義是目標(biāo)發(fā)現(xiàn)頻率,且k越大越接近概率。重合點(diǎn)數(shù)量Y歸一化為y=Y/s/k,s是作業(yè)區(qū)面積。y的直觀意義是單位面積搜索一次錄取觸點(diǎn)的平均數(shù)。實(shí)例(a)中總搜索次數(shù)k=11,作業(yè)區(qū)面積s=0.3 n mile2。繪制Y～p曲線如圖4所示。

圖4中縱坐標(biāo)是重合點(diǎn)數(shù)Y,橫坐標(biāo)是概率p。與目標(biāo)真實(shí)情況對比可知,Y～p線可分為3個(gè)部分:第一部分集中在p=1/11(n=1,k=11)處,主要來自發(fā)現(xiàn)概率極小但數(shù)量很多的微小目標(biāo),是典型的孤立隨機(jī)點(diǎn),稱為虛觸點(diǎn)。第2部分在p=2/11～6/11(n=2～6)各點(diǎn)上,主要來自發(fā)現(xiàn)概率很小且數(shù)量較多的目標(biāo),當(dāng)它們被重復(fù)發(fā)現(xiàn)時(shí)即形成目標(biāo),但概率明顯低于水雷,稱為虛目標(biāo)。顯然目標(biāo)越小越容易形成虛觸點(diǎn),而目標(biāo)越大越容易形成虛目標(biāo)。第3部分在右半側(cè)n≥6各點(diǎn)上,主要來自尺度與水雷相近、但數(shù)量不是很多的較大目標(biāo)(含水雷),統(tǒng)稱為似雷目標(biāo)。

圖4 實(shí)例(a)的數(shù)據(jù)圖Fig.4 Data diagram of sample (a)

上述虛觸點(diǎn)、虛目標(biāo)和似雷目標(biāo)的分布情況,雖然是基于觀測結(jié)果的討論,但已能夠反映出海底目標(biāo)依概率分布這一客觀事實(shí),與是否進(jìn)行過觀測沒有關(guān)系。試想當(dāng)觀測次數(shù)k→∞時(shí),統(tǒng)計(jì)結(jié)果將趨于真值。實(shí)例(a)搜索次數(shù)k=11,似雷目標(biāo)已接近真值,虛目標(biāo)也具有一定代表性。

來自不同使用部門、時(shí)間和地點(diǎn)的大量應(yīng)用實(shí)例已經(jīng)證明,虛觸點(diǎn)和虛目標(biāo)的數(shù)量遠(yuǎn)多于似雷目標(biāo),它們消耗的辨識(shí)時(shí)間遠(yuǎn)超過似雷目標(biāo),是提高探獵雷效率面臨的最大問題。更值得注意的是,目前受到高度重視,并認(rèn)為能有效提高目標(biāo)探測辨識(shí)效率的小目標(biāo)數(shù)據(jù)庫,并不能解決虛觸點(diǎn)和虛目標(biāo)問題。因?yàn)閿?shù)據(jù)庫只能排除重復(fù)發(fā)現(xiàn)的目標(biāo),在新的搜索任務(wù)中,似雷目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率高,易于重復(fù)發(fā)現(xiàn),通過比對數(shù)據(jù)庫中的舊目標(biāo)即可快速排除,但與舊目標(biāo)不重合的大量虛觸點(diǎn)和虛目標(biāo),無法通過數(shù)據(jù)庫比對排除。如何快速排除虛觸點(diǎn)和虛目標(biāo),是探雷聲吶面臨的一個(gè)重要問題。

觀察重合向量可以發(fā)現(xiàn),虛觸點(diǎn)數(shù)量占比很大,并且集中在n=1處。因而可以想到,在多次搜索后,只需通過聚類分析篩除全部孤立觸點(diǎn),便可大幅度提高辨識(shí)效率。當(dāng)然這種措施會(huì)增大漏探概率,為此需要更多的搜索次數(shù),可見在直接分類識(shí)別和多次搜索后聚類篩選兩種策略之間需要對比優(yōu)化,才能達(dá)到最高的工作效率。

4 結(jié)束語

對探雷聲吶錄取的觸點(diǎn)進(jìn)行聚類分析,統(tǒng)計(jì)聚類組的分布情況,可以得到以下結(jié)論:1)大數(shù)量、低概率的微小目標(biāo)物理模型,能合理解釋探雷聲吶觸點(diǎn)的隨機(jī)分布特性。2)聲吶觸點(diǎn)聚類統(tǒng)計(jì)能揭示海底微小目標(biāo)和似雷目標(biāo)的分布規(guī)律,具有實(shí)用價(jià)值。3)完全孤立的虛觸點(diǎn)占有很高比例,且相對易于排除,有利于提高水雷的辨識(shí)效率。

探雷聲吶在國內(nèi)應(yīng)用已有十余年,但對海底小目標(biāo)的相關(guān)研究進(jìn)展仍然緩慢。隨著未來探雷聲吶裝備的普及,該領(lǐng)域的基礎(chǔ)性研究必然逐步展現(xiàn)出重要性,并具有廣闊的發(fā)展空間。