基于脈沖幅度起伏頻率的體目標(biāo)與點(diǎn)源合成目標(biāo)回波分辨

陳云飛, 賈兵，黎勝，王振山，李桂娟

(1. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2. 水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116013)

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基于脈沖幅度起伏頻率的體目標(biāo)與點(diǎn)源合成目標(biāo)回波分辨

陳云飛1,2, 賈兵2，黎勝1，王振山2，李桂娟2

(1. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2. 水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116013)

針對(duì)水中體目標(biāo)回波與點(diǎn)源合成目標(biāo)回波分辨問(wèn)題，研究了體目標(biāo)和常規(guī)點(diǎn)源合成目標(biāo)回波脈沖幅度起伏頻率特性?；谀繕?biāo)回波亮點(diǎn)模型，理論分析證明了體目標(biāo)回波脈沖幅度起伏頻率具有隨載波頻率相關(guān)的變化特性，而常規(guī)點(diǎn)源合成目標(biāo)回波的脈沖幅度起伏頻率不具有相應(yīng)特性，據(jù)此提出并研究了基于脈沖幅度起伏頻率的體目標(biāo)回波與點(diǎn)源合成目標(biāo)回波分辨的方法。海上試驗(yàn)對(duì)Benchmark模型回波與兩個(gè)點(diǎn)聲源合成的模擬回波進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)主動(dòng)發(fā)射兩個(gè)頻率差別明顯的載頻信號(hào)，基于接收回波的脈沖幅度起伏峰值頻率對(duì)比，可以對(duì)體目標(biāo)回波與合成回波進(jìn)行分辨，驗(yàn)證了基于脈沖幅度起伏頻率的體目標(biāo)回波與點(diǎn)源合成目標(biāo)回波分辨方法的可行性。

水中目標(biāo)；合成回波；幅度起伏頻率；回波分辨；亮點(diǎn)模型；回波模擬

回波模擬誘騙是應(yīng)對(duì)主動(dòng)魚(yú)雷自導(dǎo)攻擊的重要對(duì)抗方式，其核心在于對(duì)目標(biāo)自身聲散射特征的逼真模擬。常規(guī)的回波模擬主要是通過(guò)接收入射波信號(hào)，然后由數(shù)個(gè)代表典型亮點(diǎn)的發(fā)射換能器按照一定的目標(biāo)強(qiáng)度、多普勒頻移和回波展寬進(jìn)行回波合成[1-4]，從而模擬真實(shí)目標(biāo)的回波信號(hào)。這種方式能夠很好的模擬被掩護(hù)目標(biāo)的主要回波亮點(diǎn)的相對(duì)位置、相對(duì)幅度和目標(biāo)的尺度特性，對(duì)主動(dòng)聲自導(dǎo)具有極強(qiáng)的誘騙能力，如何在海洋混響背景中對(duì)分辨真實(shí)目標(biāo)回波和模擬目標(biāo)回波進(jìn)行分辨和識(shí)別是水中目標(biāo)探測(cè)普遍關(guān)心的技術(shù)問(wèn)題[5-7]。

按照通信論的觀點(diǎn)，主動(dòng)聲吶發(fā)射的脈沖信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射后產(chǎn)生回波，目標(biāo)對(duì)入射聲波進(jìn)行了幅度和波形的變換[8]，導(dǎo)致目標(biāo)回波信號(hào)的脈沖幅度起伏，其本質(zhì)是目標(biāo)幾何散射波和彈性散射波共同疊加引起了入射聲波的幅度和相位調(diào)制[9-13]，目標(biāo)回波的包絡(luò)波形結(jié)構(gòu)攜帶了目標(biāo)的外形、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等屬性參數(shù)信息，回波脈沖幅度起伏頻率則是表征目標(biāo)回波包絡(luò)波形結(jié)構(gòu)的重要特征之一。目標(biāo)回波的包絡(luò)起伏及其起伏間隔等特性信息也是海豚等海洋哺乳動(dòng)物進(jìn)行目標(biāo)分類(lèi)識(shí)別所利用的重要特征[14-16]，而聽(tīng)覺(jué)感知試驗(yàn)研究也表明載波頻率和脈沖幅度起伏頻率對(duì)聽(tīng)覺(jué)時(shí)間調(diào)制檢測(cè)能力具有重要影響[17]。

目標(biāo)回波模擬主要是對(duì)水中體目標(biāo)回波包絡(luò)的幾個(gè)峰值點(diǎn)進(jìn)行模擬，但由于真實(shí)目標(biāo)回波是由目標(biāo)上各散射體所散射的聲波相互干涉迭加而成，除了幾個(gè)典型的峰值點(diǎn)，基于有限個(gè)數(shù)的點(diǎn)源模擬的目標(biāo)回波包絡(luò)很難與包含弱散射背景的真實(shí)目標(biāo)回波包絡(luò)完全一致。之前的研究較少關(guān)注模擬目標(biāo)與真實(shí)目標(biāo)亮點(diǎn)之外的回波包絡(luò)起伏差異，特別是不同載波頻率的回波包絡(luò)起伏峰值頻率的差異，本文之前的研究表明體目標(biāo)的回波脈沖幅度起伏峰值頻率隨入射波的頻率增加而增加，在上述研究的基礎(chǔ)上本文研究了體目標(biāo)和常規(guī)點(diǎn)源合成目標(biāo)回波脈沖幅度起伏頻率特性，提出了基于脈沖幅度起伏頻率的體目標(biāo)回波與點(diǎn)源合成目標(biāo)回波分辨的方法，并通過(guò)海上試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 水中目標(biāo)回波脈沖幅度起伏頻率特性理論分析

水中復(fù)雜目標(biāo)都可以等效成由若干個(gè)散射亮點(diǎn)的組合，從信號(hào)幅度起伏的角度來(lái)說(shuō)，回波亮點(diǎn)為入射信號(hào)幅度經(jīng)調(diào)制后表現(xiàn)出的回波包絡(luò)起伏峰值點(diǎn)，參考目標(biāo)回波亮點(diǎn)模型的表達(dá)方式，單頻信號(hào)回波包絡(luò)起伏的頻域形式可表示為

(1)

式中：ai(θ)為亮點(diǎn)強(qiáng)度系數(shù)，θ為入射舷角，N為亮點(diǎn)個(gè)數(shù)，并假定體目標(biāo)的回波亮點(diǎn)等間隔分布，τθ為相鄰亮點(diǎn)信號(hào)到接收起點(diǎn)的時(shí)延差，具體為

(2)

式中：L為目標(biāo)的縱向長(zhǎng)度，C為水中聲速。為了說(shuō)明規(guī)律，假設(shè)各亮點(diǎn)具有相同的散射強(qiáng)度，則有ai(θ)=a(θ)，式(1)可改寫(xiě)為

F(|y1(t,θ)|)=

F{a(θ)exp(j2πft)|h(f,θ)|}

(3)

其中

h(f,θ)=

(4)

式(4)中，當(dāng)fτθ=m時(shí)(m=1,2,3,...)，h(f,θ)可以取得最大值1，目標(biāo)回波包絡(luò)形成相對(duì)峰值，即回波亮點(diǎn)，可見(jiàn)目標(biāo)回波亮點(diǎn)的形成主要由兩個(gè)因素決定，分別是載頻f和目標(biāo)最小亮點(diǎn)分辨間隔τθ，二者存在反比關(guān)系。當(dāng)發(fā)射信號(hào)的載頻越大，則目標(biāo)回波中的包絡(luò)起伏的間隔越小，回波信號(hào)能夠表征的目標(biāo)尺度分辨率越高；當(dāng)載頻一定時(shí)，目標(biāo)回波脈沖能夠形成以最小亮點(diǎn)分辨間隔τθ為間隔的周期性多亮點(diǎn)幅度起伏，亮點(diǎn)幅度起伏的強(qiáng)度由體目標(biāo)部位散射強(qiáng)度決定。從上述機(jī)理分析表明，入射聲波的載頻變化，目標(biāo)回波的包絡(luò)起伏頻率將隨之變化，體現(xiàn)了體目標(biāo)的目標(biāo)屬性。

目前常規(guī)的目標(biāo)回波模擬采用空間分布的數(shù)個(gè)收發(fā)合置換能器代表目標(biāo)上的主要亮點(diǎn)位置，通過(guò)應(yīng)答轉(zhuǎn)發(fā)的方式，各個(gè)換能器對(duì)接收到的入射波信號(hào)進(jìn)行幅度和相位加權(quán)后轉(zhuǎn)發(fā)，從而合成回波信號(hào)，由于換能器的個(gè)數(shù)固定，這種方法所能夠模擬的回波包絡(luò)的亮點(diǎn)個(gè)數(shù)固定，無(wú)法模擬亮點(diǎn)之間的體目標(biāo)散射特性變化，因此當(dāng)入射聲波的頻率改變時(shí)，模擬回波的脈沖幅度起伏峰值頻率將不會(huì)顯著變化。

2 體目標(biāo)回波與模擬回波的分辨方法

由本文前述的理論分析可見(jiàn)，體目標(biāo)的脈沖幅度起伏頻率隨入射聲波的載波頻率發(fā)生變化，而常規(guī)的合成模擬目標(biāo)回波不具有這種特性，基于上述特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)的水中體目標(biāo)回波與點(diǎn)源合成目標(biāo)回波的分辨方法流程如圖1。

圖1 體目標(biāo)回波與點(diǎn)源合成回波分辨方法流程Fig.1 Procedure of discrimination of real underwater target echo and synthetic echo

通過(guò)對(duì)兩個(gè)不同載波頻率回波時(shí)域包絡(luò)調(diào)制頻率最大值及其與載頻之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)比進(jìn)行體目標(biāo)與合成目標(biāo)回波的分辨。

3 海上實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

海上實(shí)驗(yàn)在大連近海進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)海域?qū)掗煟?0 m，底質(zhì)平坦，測(cè)試目標(biāo)和測(cè)試系統(tǒng)由中間具有水井的測(cè)量船搭載。測(cè)試目標(biāo)為Benchmark縮比模型，模型長(zhǎng)3 m，按照1∶20的縮比尺度制作，材料為不銹鋼。圖2為Benchmark模型吊放和測(cè)試的示意圖，模型通過(guò)兩根直徑為7 mm的軟繩吊掛在模型轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)改變模型的舷角，收發(fā)合置換能器布放在距目標(biāo)10.5 m位置，二者布放深度為5 m，滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)要求，發(fā)射波束開(kāi)角中心對(duì)準(zhǔn)模型位置固定不動(dòng)，被測(cè)目標(biāo)模型從艇艏開(kāi)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(hào)分別為線性調(diào)頻信號(hào)40～80 kHz和20～40 kHz，脈沖寬度為3 ms。

圖2 Benchmark模型測(cè)試示意圖Fig.2 Configuration of Benchmark sea testing

圖3為基于點(diǎn)聲源模擬回波試驗(yàn)示意圖，測(cè)試環(huán)境和測(cè)試方式與Benchmark模型回波測(cè)試一致，具體測(cè)試采用2個(gè)收發(fā)合置換能器，換能器之間的

距離為1.4 m，通過(guò)旋轉(zhuǎn)連結(jié)2個(gè)收發(fā)合置換能器的支架，以模擬回波的方位變化特性。需要說(shuō)明的是試驗(yàn)測(cè)試主要是驗(yàn)證體目標(biāo)回波和點(diǎn)源合成回波的脈沖幅度起伏頻率隨載波頻率的變化特性的不同，因此合成回波與Benchmark模型回波的波形并不相同。

圖3 點(diǎn)聲源模擬回波試驗(yàn)示意圖Fig.3 Configuration of synthetic echo testing

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論與分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的Benchmark縮比模型回波信號(hào)和合成的模擬回波信號(hào)分別進(jìn)行回波脈沖幅度起伏特性處理分析，具體為：

1) 截取目標(biāo)各舷角對(duì)應(yīng)的回波數(shù)據(jù),并進(jìn)行帶通濾波；

2) 對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)提取,輸出相應(yīng)舷角的目標(biāo)回波包絡(luò)；

3) 對(duì)各舷角回波包絡(luò)進(jìn)行幅值歸一化處理；

4) 對(duì)歸一化的回波包絡(luò)進(jìn)行頻域變換；

5) 得出目標(biāo)回波脈沖幅度起伏特征隨舷角變化特性。

由于被測(cè)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，為了能夠?qū)⒛繕?biāo)舷角與相應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，在數(shù)據(jù)處理中實(shí)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(shí)間長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行截取。

圖4 LFM40～80 kHz載頻回波信號(hào)、包絡(luò)Fig.4 Waveform and envelope of LFM40～80 kHz frequency echo

圖4是Benchmark縮比模型45°下的LFM40～80 kHz載頻回波時(shí)域波形和回波包絡(luò)，圖5是Benchmark縮比模型45°下的LFM20～40 kHz載頻回波時(shí)域波形和回波包絡(luò)。通過(guò)圖4(b)和圖5(b)可以明顯看出，載頻不同，回波信號(hào)的包絡(luò)波形結(jié)構(gòu)顯著不同，載頻越高，回波信號(hào)的包絡(luò)幅度起伏越劇烈。

圖6為舷角45°時(shí)LFM40～80 kHz載頻的合成回波時(shí)域波形和信號(hào)包絡(luò)，圖7為舷角45°時(shí)LFM20～40 kHz載頻的合成回波時(shí)域波形和信號(hào)包絡(luò)。通過(guò)圖6(b)和圖7(b)對(duì)比可見(jiàn)，載頻變化時(shí)，合成回波的包絡(luò)波形基本不發(fā)生變化。

圖5 LFM20～40 kHz載頻回波信號(hào)、包絡(luò)Fig.5 Waveform and envelope of LFM20～40 kHz frequency echo

圖6 LFM40～80 kHz載頻模擬回波信號(hào)、包絡(luò)Fig.6 Waveform and envelope of LFM40～80 kHz frequency synthetic echo

圖7 LFM20～40 kHz載頻模擬回波信號(hào)、包絡(luò)Fig.7 Waveform and envelope of LFM20～40 kHz frequency synthetic echo

進(jìn)一步對(duì)比載頻變化時(shí)，體目標(biāo)回波與合成回波信號(hào)的脈沖幅度起伏峰值頻率特性，圖8為不同載頻的Benchmark縮比模型回波脈沖幅度起伏峰值頻率隨舷角變化的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，可以看出載頻增加，Benchmark縮比模型回波脈沖幅度起伏峰值頻率對(duì)應(yīng)增加，與理論分析的一致，體現(xiàn)了水中體目標(biāo)的特征；同時(shí)目標(biāo)舷角不同，其脈沖幅度起伏峰值頻率也發(fā)生變化。圖9為不同載頻信號(hào)合成的回波信號(hào)脈沖幅度起伏峰值頻率隨舷角變化的處理結(jié)果，不同載頻合成的回波信號(hào)的脈沖幅度起伏峰值頻率變化很小，表明常規(guī)的亮點(diǎn)合成回波模擬能夠模擬水中目標(biāo)的典型亮點(diǎn)特征，但是無(wú)法模擬回波包絡(luò)的細(xì)節(jié)，并且當(dāng)入射波的載頻發(fā)生變化時(shí)，合成回波難以模擬不同載頻信號(hào)本身的尺度分辨能力變化，從而無(wú)法模擬回波的細(xì)節(jié)變化。

通過(guò)圖8和圖9的海上試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了體目標(biāo)和點(diǎn)源合成回波脈沖幅度起伏頻率的變化特性，同時(shí)也驗(yàn)證了基于回波脈沖幅度起伏頻率的水中目標(biāo)回波與合成回波的分辨方法的可行性。

圖8 模型不同頻率回波脈沖幅度起伏峰值頻率對(duì)比Fig.8 Maximum frequency comparison of Benchmark model echo magnitude fluctuation with different LFM carrier frequency

圖9 合成信號(hào)脈沖幅度起伏峰值頻率角度變化對(duì)比Fig.9 Maximum frequency comparison of two synthetic echo magnitude fluctuation with different LFM carrier frequency

4 結(jié)論

本文針對(duì)水中體目標(biāo)回波與點(diǎn)源合成目標(biāo)回波分辨問(wèn)題，提出了一種基于回波信號(hào)脈沖幅度起伏頻率的水中體目標(biāo)回波和人為合成的回波分辨方法，主要研究結(jié)論如下：

1)理論分析證明了體目標(biāo)回波脈沖幅度起伏頻率具有隨載波頻率相關(guān)的變化特性，而常規(guī)點(diǎn)源合成目標(biāo)回波的脈沖幅度起伏頻率不具有隨載波頻率相關(guān)的變化特性。

2)海上實(shí)測(cè)研究驗(yàn)證了體目標(biāo)回波的脈沖幅度起伏峰值頻率隨入射聲波的載頻增加而增加，而點(diǎn)源合成回波的脈沖幅度起伏峰值頻率幾乎不變的理論分析結(jié)論。同時(shí)海上試驗(yàn)也表明通過(guò)主動(dòng)發(fā)射兩個(gè)頻率差別明顯的載頻信號(hào)，基于回波脈沖幅度起伏峰值頻率的對(duì)比，可以對(duì)體目標(biāo)回波合成回波進(jìn)行分辨，驗(yàn)證了基于脈沖幅度起伏頻率的體目標(biāo)回波與點(diǎn)源合成目標(biāo)回波分辨方法的可行性。

3)需要指出的是本文中為了驗(yàn)證點(diǎn)源合成信號(hào)的脈沖幅度起伏頻率不隨載頻變化，限于實(shí)驗(yàn)條件使用了兩個(gè)點(diǎn)聲源進(jìn)行回波合成，實(shí)際上使用點(diǎn)聲源模擬的亮點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的影響，當(dāng)點(diǎn)聲源的個(gè)數(shù)增多即模擬的亮點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，由于各點(diǎn)源信號(hào)相互間的干涉和疊加，載波頻率改變時(shí)，合成信號(hào)的包絡(luò)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)將產(chǎn)生變化，兩個(gè)不同載頻合成回波的脈沖幅度起伏頻率將產(chǎn)生差異，即理論上當(dāng)點(diǎn)聲源個(gè)數(shù)足夠多以至于能夠模擬回波結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)時(shí)，回波模擬的效果將更加逼真，但目前通過(guò)有限個(gè)點(diǎn)源尚難以模擬體目標(biāo)的回波細(xì)節(jié)特性，而這也是難以工程實(shí)現(xiàn)的。

目前的研究還只是條件可控的模型試驗(yàn)的結(jié)果，海上實(shí)際復(fù)雜目標(biāo)和環(huán)境干擾條件下的方法適用性還有待進(jìn)一步研究。

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[17]孟慶林, 原猛, 牟宏宇, 等. 包絡(luò)調(diào)制率和載波頻率對(duì)聽(tīng)覺(jué)時(shí)間調(diào)制檢測(cè)能力的影響[J]. 物理學(xué)報(bào), 2012, 61(16): 164302. MENG Qinglin, YUAN Meng, MOU Hongyu, et al. Effects of envelope modulation rate and carrier frequency on auditory temporal modulation detection[J]. Acta physica sinica, 2012, 61(16): 164302.

Discrimination between the real underwater target echo and the synthetic point-source echo based on the echo amplitude fluctuation frequency

CHEN Yunfei1,2, JIA Bing2, LI Sheng1, WANG Zhenshan2, LI Guijuan2

(1. School of Naval Architecture, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. Science and Technology on Underwater Test and Control Laboratory, Dalian 116013, China)

How to discriminate between the real underwater target echo and the synthetic echo is a key problem in identifying the underwater target. In this study, we analyze the echo amplitude fluctuation frequency of the real underwater target echo and the synthetic target echo of conventional point sources. The theoretical research based on the echo highlight model shows that the amplitude fluctuation frequency of the real target echo increases when the carrier frequency increases. However, the amplitude fluctuation frequency of the synthetic target echo does not have such a feature. A method of discriminating between the real target echo and the synthetic echo based on the echo amplitude fluctuation frequency is put forward herein. A sea test is conducted to compare the Benchmark model echo and the simulative echo synthesized by two-point sound sources. The test results show that by actively transmitting two signals with apparently different frequencies, the real target echo and the synthetic echo can be discriminated based on the contrast of the amplitude fluctuation peak frequencies of the received echo. The result verifies the feasibility of the method for discriminating between the real target echo and the echo of the point-source synthesized target based on the pulse amplitude fluctuation frequency.

underwater target; synthetic echo; amplitude fluctuation frequency; echo discrimination; highlight model; echo simulation

2015-09-06.

日期：2016-05-27.

水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(9140C260201130C26096).

陳云飛(1978-), 男,研究員,博士研究生； 黎勝(1973-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

陳云飛，E-mail: dlinstitute@vip.163.com.

10.11990/jheu.201509014

TB566

A

1006-7043(2016) 11-1467-06

陳云飛, 賈兵，黎勝，等. 基于脈沖幅度起伏頻率的體目標(biāo)與點(diǎn)源合成目標(biāo)回波分辨[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 37(11): 1467-1472. CHEN Yunfei, JIA Bing, LI Sheng, et al. Discrimination between the real underwater target echo and the synthetic point-source echo based on the echo amplitude fluctuation frequency[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(11): 1467-1472.

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