水中目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏特征研究

水中目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏特征研究陳云飛;黎勝;王振山;李桂娟;高峰Echosignalofunderwatertargetistheincidentsignalmodulatedbymaterial,structureandshapeparameters.Howtoextracttheparametersofphysicalcharacteristicfromthescatteringsignalisthefocusofidentifyingunderwatertarget.Inthispaper,themechanismamongmaterial,structureparametersoftar-getandechoenvelopefluctuationofscatteringsignalisanalyzed.Andtheechoenvelopefluctuationfeatureofunderwatertargetscatteringsignalisputforwardfromthestandpointofechosignalcharacteristicappli-cation.Combinedwiththeoreticalderivation,themechanismanddescriptionofechoenvelopefluctuationfeatureofunderwatercomplextargetscatteringsignalispresented.Seaexperimentsresultsdemonstratethefrequencyofechomagnitudefluctuationvaryingwithcarrierfrequencyandazimuth.【期刊名稱】《船舶力學(xué)》【總頁數(shù)】10(P218-227)【關(guān)鍵詞】水中目標(biāo);目標(biāo)回波;脈沖包絡(luò)起伏【作者】陳云飛;黎勝;王振山;李桂娟;高峰【作者單位】大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院,遼寧大連116024;水下測控技術(shù)重點實驗室,遼寧大連116013;大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院,遼寧大連116024;水下測控技術(shù)重點實驗室,遼寧大連116013;水下測控技術(shù)重點實驗室,遼寧大連116013;水下測控技術(shù)重點實驗室,遼寧大連116013【正文語種】中文【中圖分類】TB566主動聲納是探測和感知水中物體或目標(biāo)的重要手段，其對目標(biāo)識別或判識的信息源來自目標(biāo)散射波所攜帶的目標(biāo)特征信息，其中目標(biāo)外形、結(jié)構(gòu)、尺度等目標(biāo)本質(zhì)屬性信息是對主動聲納目標(biāo)識別極為重要的目標(biāo)特征信息，表征和提取與目標(biāo)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(biāo)散射聲信號分類識別研究的焦點。從通信論的觀點可以認(rèn)為，主動聲納發(fā)射的聲脈沖信號經(jīng)目標(biāo)反射后產(chǎn)生回波，在入射聲波與目標(biāo)相互作用過程中，目標(biāo)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(dǎo)致目標(biāo)回波信號的脈沖包絡(luò)起伏。水中彈性目標(biāo)聲散射機理研究揭示了目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏與目標(biāo)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(biāo)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(luò)的幅度起伏，因此目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏蘊含了目標(biāo)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(luò)起伏進行時域特征表征和特征提取[7-9]，并針對水中復(fù)雜目標(biāo)回波亮點特征的舷角變化特性，對目標(biāo)回波亮點相對關(guān)系進行定量分析，建立了目標(biāo)回波特征統(tǒng)計表征模型[10]，深化了目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏的特征表征和提取研究。目前有關(guān)復(fù)雜目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏的亮點特征研究大都是針對目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)的時域波形結(jié)構(gòu)特征，少有研究關(guān)注目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏的強弱、周期與目標(biāo)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(luò)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(luò)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(biāo)的聲環(huán)繞波在時域上存在周期性[2]，表現(xiàn)為目標(biāo)回波包絡(luò)的周期性起伏，回波包絡(luò)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(luò)的周期性加強，這表明回波脈沖包絡(luò)起伏的頻率與目標(biāo)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(biāo)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(biāo)外形、結(jié)構(gòu)等屬性參數(shù)相關(guān)聯(lián)的目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏頻域特征表征模型，海上實測研究驗證了目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏特征對BenchMark模型和石頭兩類不同屬性目標(biāo)的回波特性表征效果。水中簡單彈性圓柱目標(biāo)的散射聲回波中存在周期性的環(huán)繞波[2]到無限長圓柱激發(fā)的環(huán)繞波的周期為：其中：Cpha圓柱的半徑，表征了目標(biāo)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(dāng)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(biāo)的環(huán)繞波在時域的周期性引起了回波信號包絡(luò)幅度的周期性起伏，這種特性可以用回波的脈沖包絡(luò)起伏頻率進行表征?；夭}沖包絡(luò)起伏的頻率由目標(biāo)的材質(zhì)、尺度等參數(shù)決定，回波包絡(luò)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(biāo)屬性參數(shù)信息。水中復(fù)雜目標(biāo)可以看作是各種簡單目標(biāo)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(biāo)回波亮點模型可以表征包含幾何散射與彈性散射的復(fù)雜目標(biāo)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(biāo)回波亮點，任何一個復(fù)雜目標(biāo)都可以等效成由若干個散射亮點的組合。從信號包絡(luò)起伏的角度來說，目標(biāo)回波亮點體現(xiàn)為回波包絡(luò)起伏的多個峰值點?；诹咙c模型，目標(biāo)回波信號可表示：其中：y0（tθ）為傳感器接收到的目標(biāo)回波，x（t-τi）τi，b（）ti起點的時延差，具體如下：其中：L為目標(biāo)的縱向長度，N為亮點個數(shù)。設(shè)發(fā)射信號為：其中：f0KK=0K≠0為簡化起見，不考慮背景項，則該單頻回波信號的復(fù)包絡(luò)可表示如下：由（8）式可知，該回波信號的包絡(luò)表示為：考慮回波信號包絡(luò)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(shè)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(dāng)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(biāo)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(biāo)回波亮點形成主要由兩個因素決定，即：載頻f和目標(biāo)最小亮點分辨間隔τθ。其中，發(fā)射信號的載頻越大，目標(biāo)回波亮點的分辨間隔越小，其能表征目標(biāo)尺度的分辨率越高；當(dāng)載頻一定時，目標(biāo)回波包絡(luò)能夠形成以最小亮點分辨間隔τθ特性決定。由此可知，對應(yīng)（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(biāo)的散射特性。BenchMark（12）式可知，當(dāng)fτ=，則不同舷角時的目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)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(luò)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(biāo)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(biāo)的最大橫向尺度。對于彈性目標(biāo)，由于其存在彈性散射，其回波時域幅度起伏特征將隨目標(biāo)材料參數(shù)的變化而與剛性目標(biāo)存在一定的差異?；冢?1）～（15）式，采用散射場計算中最常用的標(biāo)準(zhǔn)BenchMark模型進行仿真，回波信號的頻率為40-80kHz，脈沖寬度為3ms，設(shè)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(biāo)回波時域幅度起伏頻率的仿真結(jié)果如圖1所示結(jié)合理論和仿真結(jié)果表明：BenchMark波包絡(luò)幅度起伏極值頻率隨之增加；）當(dāng)目標(biāo)回波亮點周期分布且存在亮點強度差異時，目標(biāo)回波包絡(luò)頻域?qū)⒋鏋榱蓑炞C仿真和理論分析中得出的水中目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏在頻域所表現(xiàn)出的與入射聲波的頻率、目標(biāo)方位角和目標(biāo)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(biāo)的目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏特征海上測試實驗實驗條件30m的大連近海進行。圖2BenchMark模型照片，該模3m1:2037mm10.5m位置，滿足遠(yuǎn)場要求。被測目標(biāo)和測試濕端的布放深度為5m，發(fā)射波束開角中心對準(zhǔn)模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（20-40kHz40-80kHz）CW信號（30kHz60kHz），1ms3ms兩種?；夭}沖包絡(luò)起伏特征提取BenchMark模型的散射實測數(shù)據(jù)進行分析處理。由于被測目標(biāo)為連續(xù)旋轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)采集采用連續(xù)記錄的方式，為4截取目標(biāo)各舷角對應(yīng)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(luò)提取，輸出相應(yīng)舷角的目標(biāo)回波包絡(luò)；·對各舷角回波包絡(luò)進行幅值規(guī)一化和低通濾波處理；·對歸一化的回波包絡(luò)進行包絡(luò)譜計算；·得出目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏特征隨舷角變化特性。BenchMark5～65BencheMark20-40kHz、40-80kHz6Benchmark30kHz、60kHz值。實驗結(jié)果的討論與分析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(biāo)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(dāng)入射波的頻率增大時，目標(biāo)回波亮點的分辨間隔越小，回波信號能夠表征的目標(biāo)部位散射分辨率越高，回波脈沖包絡(luò)所包含的細(xì)小亮點個數(shù)隨之增加，從而回波信號的脈沖是體目標(biāo)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(luò)起伏頻率變化比單頻信號更顯著。脈沖包絡(luò)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(luò)起伏頻譜，可以看出BenchMark模型的回波脈沖包絡(luò)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(biāo)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。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(luò)起伏頻譜與入射信號的脈沖寬度相關(guān)，相同舷角目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)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(biāo)尺度分辨率越高，回波所能表征的目標(biāo)部位散射特性越精細(xì)，從而回波信號的幅度起伏頻率越高，這與理論分析一致。隨方位的變化特性如圖7和圖9所示，對于目標(biāo)截面與縱向尺度之比小于1的水中目標(biāo)，其回波脈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(biāo)亮點間的相對距離最大，表現(xiàn)為多亮點目標(biāo)，其回波脈沖包絡(luò)起伏頻率大，而在正橫方位，目標(biāo)各部位回波幾乎同時到達接收基陣，目標(biāo)回波表現(xiàn)出的亮點數(shù)少，目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏頻率低。但是在試驗中，目標(biāo)艏艉方向附近，其回波脈沖包絡(luò)起伏頻率有時較低，這是由于艏艉方向目標(biāo)回波強度小，目標(biāo)回波信噪比較低，導(dǎo)致在進行回波脈沖包絡(luò)起伏頻率特性求取時出現(xiàn)偏差。與礁石的對比為了對比人造目標(biāo)和石頭目標(biāo)的回波脈沖包絡(luò)起伏特征，本文同時也測試分析了石頭回波脈沖包絡(luò)起伏特征，試驗測量所用礁石的最大尺度為60cm。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40-80kHz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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)起伏頻譜對比，石頭表面隨機凹凸不平，其回波存在眾多細(xì)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(luò)起伏頻率峰值比BenchMark模型的大，而BenchMark模型的回波脈沖包絡(luò)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(biāo)的重要特征區(qū)別。本文提出并研究了一種表征目標(biāo)尺度、外形、結(jié)構(gòu)等屬性參數(shù)的回波脈沖包絡(luò)起伏特征，分析了該特征與目標(biāo)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(biāo)回波亮點模型，建立了目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏特征的表征模型，揭示了入射聲波頻率與目標(biāo)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：對回波的影響；BenchMark率最大值隨之增加；BenchMark礁石由于表面隨機凹凸不平，回波存在眾多細(xì)小雜碎的亮點，其回波脈沖包BenchMarkBenchMark【相關(guān)文獻】惠俊英,生雪莉.水下聲信道[M]2,2007:133.鮑筱玲.水中有限彈性圓柱的窄脈沖回波響應(yīng)與螺旋表面行波[J].聲學(xué)學(xué)報,1990,15(1):20-27.BaoXiaoling.Echoresponseandhelicalsurfacewavesoffinitecylinderexcitedsoundpulseinwater[J].ACTAAcoustic,1990,15(1):20-27.[3]湯渭霖.聲吶目標(biāo)回波的亮點模型[J].聲學(xué)學(xué)報,1994,19(2):92-100.TangWeilin.Highlightmodelofechoesfromsonartargets[J].ACTAAcoustic,1994,19(2):92-100.[D].上海:上海交通大學(xué),2001:16FanJun.Studyonechocharacteristicsofunderwatercomplextargets[D].Shanghai:ShanghaiJiaotongUniversity,2001:16.[J].聲學(xué)學(xué)報,2010,35(4):419-426FanWei,ZhengGuoyin,FanJun.Analysisofcircumferentialwavesonawater-filledcylindricalshell[J].ACTAAcoustic2010,35(4):419-426.[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2007:18RenPeng.Analysisonbackscatteringwavestructureofelasticcylindershell[D].Harbin:HarbinEngineeringUniversity2007:18.MullerMW,etal.Phantomechohighlightamplitudeandtemporaldifferenceresolutionsofanecholocatingdolphin,Tursiopstruncatus[J].JASA,2007,122(4):2255-2262.[8]DeLong,Au,Stamper.Echofeatureusedbyhumanlistenerstodiscriminateamongobjectsthatvaryinmaterialorwallthickness:Implicationsforecholocatingdolphins[J].JASA,2007,121(1):605-617.Dankiewicz,eta