一種多源信息融合的聲吶綜合目標(biāo)識別方法

梁民贊，孟 華，陳遙沛，曾 翔

(中國人民解放軍91388 部隊，廣東 湛江 524022)

0 引 言

聲吶目標(biāo)識別是基于聲吶裝備發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的前提下，聲吶操作員依據(jù)聲吶裝備探測目標(biāo)信息，利用圖譜分析、聽音識別、運動要素分析等綜合信息判明目標(biāo)屬性的過程，可以說聲吶目標(biāo)識別也是聲吶裝備后置數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)。

完成水下目標(biāo)識別的關(guān)鍵是利用目標(biāo)的不變特征[1]。迄今為止，國內(nèi)外有關(guān)水下目標(biāo)識別的報道多屬依據(jù)目標(biāo)譜結(jié)構(gòu)，但由于先驗資料不足，致使這種方式的識別實施具有較大的難度。對于回聲信號而言，要想依據(jù)譜結(jié)構(gòu)去識別更是難以實現(xiàn)。因此，尋求利用潛艇外相特征而識別潛艇的方法是本文所提及方法的核心。

目標(biāo)分類識別是模式識別的一個分支。水聲目標(biāo)的分類識別目前主要有2 種技術(shù)：一種是利用目標(biāo)聲信號的統(tǒng)計特性，建立專家系統(tǒng)進行分類識別；另一種是近年來發(fā)展起來的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類識別系統(tǒng)。其各有優(yōu)缺點，可以相互補充。水聲目標(biāo)分類識別的復(fù)雜性使識別技術(shù)的總趨勢朝綜合識別方向發(fā)展，就是采用數(shù)據(jù)融合的方式將各種可以利用的知識綜合起來，除系統(tǒng)提供的識別信息以外，還要考慮位置因素、人的因素和各種先驗知識等，最后作出判斷。

目標(biāo)分類識別一般包括特征提取和分類判決2 個階段，首先是從采集到的信號中提取特征，然后根據(jù)所提取的特征進行分類?？梢?，對目標(biāo)的分類識別首要條件是要獲得良好的目標(biāo)信號，從中提取目標(biāo)特征。否則，目標(biāo)的分類識別準(zhǔn)確度就會下降。

本文提出聲吶綜合目標(biāo)識別方法，綜合運用聲吶探測回波特征信息、頻譜信息、音頻信息、目標(biāo)運動要素信息、雷達信息等戰(zhàn)場態(tài)勢信息及情報信息進行識別，達到快速、準(zhǔn)確識別目標(biāo)。綜合目標(biāo)識別的一個重要理念，就是建立聲吶目標(biāo)特征數(shù)據(jù)庫，將不同數(shù)據(jù)源、多年歷史和未來采集的數(shù)據(jù)“整合”，形成一個有組織的便于分析挖掘的數(shù)據(jù)環(huán)境。把大數(shù)據(jù)運用理念引入水聲目標(biāo)識別將為水中目標(biāo)識別、作戰(zhàn)輔助決策提供數(shù)據(jù)支撐和信息支撐。

1 聲吶目標(biāo)特征

目標(biāo)的不變特征是目標(biāo)本身固有的本質(zhì)特征，是目標(biāo)在某一狀態(tài)下所呈現(xiàn)的穩(wěn)定特性。目標(biāo)的不變特征可由目標(biāo)的內(nèi)相特征和外相特征組成。目標(biāo)的內(nèi)相特征是指目標(biāo)的聲譜結(jié)構(gòu)；目標(biāo)的外相特征是指目標(biāo)的外形、速度等[1]。重點圍繞聲吶探測的目標(biāo)對象特性研究，提出聲吶目標(biāo)綜合識別方法，進而建立聲吶目標(biāo)特征數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 潛艇目標(biāo)強度

潛艇的發(fā)射聲波來自潛艇外剖面的鏡面反射，以及來自潛艇外殼和耐壓殼體結(jié)構(gòu)及其后結(jié)構(gòu)的反射或散射。對于潛艇目標(biāo)強度，正橫方位上聲反射強度最強，首尾方向目標(biāo)強度最弱，聲反射強度測量結(jié)果呈“蝴蝶圖”，如圖1 所示[2]。

圖 1 潛艇目標(biāo)強度對方位角依賴性的“蝴蝶”圖Fig. 1 “Butterfly” map of submarine target strength versus azimuth dependence

若將潛艇的柱形耐殼體近似為圓柱體，則可以對潛艇目標(biāo)強度進行估計。

垂直于柱軸入射：式中：TS為圓柱體目標(biāo)強度；a為圓柱體半徑；L 為圓柱體長度；θ 為與法線夾角；

1.2 艦艇輻射噪聲

艦艇輻射噪聲譜具有連續(xù)性，或稱為連續(xù)譜，譜上疊加有窄帶離散分量，通常簡稱為線譜。艦艇水下輻射噪聲可簡化為周期信號（時域級數(shù)疊加的形式）和非周期信號兩部分的疊加[3]：

1.3 聲吶目標(biāo)特性獲取

聲吶用于感知海洋環(huán)境中的目標(biāo)信息，主要包括：

1）艦艇輻射噪聲特征及被動聲吶系統(tǒng)；

2）艦艇聲反射特征及主動聲吶系統(tǒng)；

3）淺海/深海海洋環(huán)境測量。

聲吶探測的目標(biāo)方位信息、距離信息、徑向速度信息、頻譜信息和音頻信息，為被動聲吶、主動聲吶探測識別、目標(biāo)運動要素解算等提供了實測手段支撐。

1.4 聲吶目標(biāo)特征組成

聲吶目標(biāo)類型主要分為回聲目標(biāo)和噪聲目標(biāo)2 種類型。聲吶目標(biāo)聲信號特征體系，揭示了與潛艇目標(biāo)螺旋槳槳數(shù)、槳葉數(shù)、尺度/噸位、外形、結(jié)構(gòu)、目標(biāo)外部材質(zhì)、目標(biāo)行為等屬性相關(guān)聯(lián)的輻射聲、散射聲兩大類聲信號精細特征形成機理、模型和規(guī)律。聲吶探測目標(biāo)回波特征、輻射噪聲特性與目標(biāo)尺度/噸位及特定機械周期運動、螺旋槳、目標(biāo)外形、目標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材質(zhì)、目標(biāo)行為特征、聲場干涉/畸變、聽覺感知等相關(guān)的回聲和輻射噪聲信號密切相關(guān)。

聲吶目標(biāo)識別是基于聲吶裝備發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的前提下，聲吶操作員依據(jù)聲吶裝備探測目標(biāo)信息，采取圖譜分析、聽音識別、目標(biāo)運動要素等判明目標(biāo)屬性的過程。在聲吶裝備自動目標(biāo)識別水平和能力還很有限的情況下，提出目標(biāo)特征信息深度挖掘提取的方法，采取回波特征信息、頻譜信息、音頻信息、目標(biāo)運動要素信息、雷達信息等信息進行綜合識別的作戰(zhàn)使用樣式，成為提升聲吶目標(biāo)識別正確率的重要手段。因此，聲吶目標(biāo)特征信息深度提取、聲吶操作員目標(biāo)綜合識別的人機結(jié)合識別方式是促進聲吶目標(biāo)識別正確率提升的有效途徑，聲吶目標(biāo)識別信息源組成如圖2所示。

圖 2 聲吶目標(biāo)識別信息源組成圖Fig. 2 Sonar target identification information source composition diagram

2 聲吶目標(biāo)綜合識別方法

要提高目標(biāo)識別能力，應(yīng)以信息技術(shù)為推動，進行“全系統(tǒng)、全流程、全要素”的綜合識別，運用多種技術(shù)手段進行目標(biāo)識別，提升目標(biāo)識別的水平。本文提出一種多信息源融合[4]聲吶目標(biāo)綜合識別方法。聲吶目標(biāo)識別需要指揮員及聲吶操作員綜合運用聲吶探測回波特征信息、頻譜信息、音頻信息、目標(biāo)運動要素信息、雷達信息等戰(zhàn)場態(tài)勢信息及情報信息，通過排除法和印證法相互查證，才能快速、準(zhǔn)確識別目標(biāo)，從而提高聲吶目標(biāo)識別正確率。

2.1 水面/水下目標(biāo)識別

首先利用雷達或AIS 信息通過排除法排除水面目標(biāo)（包括搜索編隊的隊員艦、商船、鋼質(zhì)漁船等），初步確定目標(biāo)為水下目標(biāo)。

2.2 左右舷識別

對于艦殼聲吶，設(shè)備在技術(shù)上即可判別目標(biāo)左右舷；對于拖曳線列陣聲吶，若是三元陣，從技術(shù)上，目前有采用每個陣元含有3 個水聽器的三元組線列陣、采用矢量水聽器、采用雙拖、主被動的方式等來解決，可自動判別目標(biāo)左右舷。對于一維拖曳線列陣，往往存在左右模糊現(xiàn)象。所謂目標(biāo)左右舷模糊問題，即當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，無法肯定目標(biāo)是處在本艦的左舷還是右舷。這是由于線列陣上的水聽器是無指向性的，這是一維拖曳線列陣被動聲吶的一個不足。為了解決這個問題，從戰(zhàn)術(shù)上，一般采取本艦的一定機動措施來觀測目標(biāo)方位的變化情況，才能做出對目標(biāo)舷角的判斷。

根據(jù)本艦轉(zhuǎn)向機動后目標(biāo)舷角相對原舷角的變化規(guī)律判別左右舷，可以依據(jù)以下的判決原則：

1）本艦向左轉(zhuǎn)向

目標(biāo)舷角增大，目標(biāo)在右舷；

目標(biāo)舷角減小，目標(biāo)在左舷。

2）本艦向右轉(zhuǎn)向

目標(biāo)舷角增大，目標(biāo)在左舷；

目標(biāo)舷角減小，目標(biāo)在右舷。

3）對于由多途效應(yīng)[2]引起的目標(biāo)方位模糊問題，則可以通過艦艇機動將目標(biāo)置于舷側(cè)波束內(nèi)，然后按前述2 條準(zhǔn)則進行判決。

對于一維拖曳線列陣聲吶發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，利用窄帶檢測判明其類型后本艦應(yīng)立即機動轉(zhuǎn)向，判別目標(biāo)的舷側(cè)。機動的方法是：首先根據(jù)目標(biāo)可能的來襲方向假設(shè)其位于本艦的某一舷，然后向另一舷側(cè)方向轉(zhuǎn)向并觀察目標(biāo)方位的變化情況，判斷其左右舷。

2.3 運動目標(biāo)識別

通過反潛系統(tǒng)解算目標(biāo)航向、航速等運動要素或檢查目標(biāo)有無明顯機械噪聲、螺旋槳噪聲、偶發(fā)脈沖等特征確定目標(biāo)是運動目標(biāo)或非運動目標(biāo)。通常主動聲吶輸出僅有方位和距離2 個參量。將距離方位的參量輸出經(jīng)過解算后可得出目標(biāo)的長度、速度和目標(biāo)強度。

1）潛艇的速度

2）潛艇反射強度

依據(jù)主動聲吶方程[5]

根據(jù)主動聲吶判型的依據(jù)和目標(biāo)譜圖顯示，結(jié)合搜索艦戰(zhàn)術(shù)機動，反潛火控系統(tǒng)解算出的目標(biāo)航向、航速等參數(shù)判明目標(biāo)屬性并掌握目標(biāo)的運動態(tài)勢。對被動聲吶而言，可利用目標(biāo)的“螺旋槳拍”確定目標(biāo)的螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)并估算目標(biāo)航速。

2.4 金屬目標(biāo)識別

通過海圖對海底山坡、海溝、暗礁、凸起峰的準(zhǔn)確位置進行標(biāo)識，對目標(biāo)反射特征和反射系數(shù)確定目標(biāo)為金屬目標(biāo)或非金屬目標(biāo)。

2.5 目標(biāo)特征識別

初始空段落

通過檢查海底是否有沉船來確定目標(biāo)是否為坐沉海底的潛艇，沉船由于沉沒時間長短關(guān)系，表層會吸附不同厚度的海生物，對目標(biāo)的反射系數(shù)和回聲、回波、譜圖特征與潛艇區(qū)別較為明顯。

實際使用當(dāng)中，對于有經(jīng)驗的聲吶操作員來說，可以從LOFAR 圖上所含有的信息中找出有助于運動目標(biāo)的識別與分析。如在某個波束上某個目標(biāo)最強；哪個目標(biāo)有多普勒頻移，這表明該目標(biāo)有一定的運動速度或航跡發(fā)生變化；通過線譜的頻率可識別目標(biāo)等。

2.6 多途目標(biāo)識別

對主動聲吶而言，平坦海底或良好水文條件下往往多途干擾較少，但對于斜坡海底、起伏海底或惡劣水文條件下，聲傳播多途效應(yīng)變得嚴(yán)重，引起聲吶雜波點較多，需要雜波背景中準(zhǔn)確識別出目標(biāo)。

搜索編隊或其他艦艇在標(biāo)定的位置點不能同時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，要考慮目標(biāo)是否為由于本艦聲吶發(fā)射聲波經(jīng)過多次反射發(fā)現(xiàn)的其他遠距離海域的目標(biāo)，此時可以變換一下聲吶量程或信號處理形式進行檢測識別。

聲吶目標(biāo)綜合識別流程如圖3 所示。

準(zhǔn)確判明目標(biāo)屬性，最有效的方法就是進行多信息源查證識別，聲吶操作員通過聲吶信息、運動要素信息、雷達信息等，依據(jù)目標(biāo)顯示特征、回聲特征、噪聲特征、譜圖顯示特征、海區(qū)聲場環(huán)境進行有效的識別判型。

3 聲吶目標(biāo)特征數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)

首先，通過建立聲納目標(biāo)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，逐步完善目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫，進而開展目標(biāo)特性數(shù)據(jù)獲取和積累，以便利用排除法和數(shù)據(jù)查詢匹配法，最終有效解決聲吶目標(biāo)識別問題。

水聲目標(biāo)數(shù)據(jù)匯集工作量巨大，除了需要采集目標(biāo)聲和非聲數(shù)據(jù)外，還需要通過紙質(zhì)或者電子值更日志記錄各種相關(guān)的態(tài)勢、狀態(tài)、環(huán)境等信息，任務(wù)結(jié)束還需搜集相關(guān)的雷達、情報等信息，要花費大量精力進行數(shù)據(jù)整編匯集。通過建立聲吶目標(biāo)數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，作戰(zhàn)數(shù)據(jù)、態(tài)勢數(shù)據(jù)、情報數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)、AIS 數(shù)據(jù)等都全時采集并匯入數(shù)據(jù)庫，在后期進行數(shù)據(jù)分析時，即可自動從數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)搜集時空匹配的其他同步信息，聲吶操作員僅需重點記錄目標(biāo)的聲和非聲數(shù)據(jù)即可，與數(shù)據(jù)同步的其他相關(guān)信息需要記錄的將大大減少。

圖 3 多信息源融合的聲吶目標(biāo)綜合識別流程圖Fig. 3 Multi-information source fusion sonar target comprehensive identification flow chart

4 結(jié) 語

通過多信息源融合的綜合目標(biāo)識別方法，可將碎片化式、分散的、孤立的數(shù)據(jù)融合起來，從而轉(zhuǎn)化成信息優(yōu)勢，形成標(biāo)準(zhǔn)的識別流程，提高聲吶目標(biāo)識別正確率。