基于脈沖幅度起伏頻率的體目標與點源合成目標回波分辨

陳云飛, 賈兵，黎勝，王振山，李桂娟

(1. 大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024；2. 水下測控技術重點實驗室，遼寧 大連 116013)

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基于脈沖幅度起伏頻率的體目標與點源合成目標回波分辨

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 船舶工程學院，遼寧 大連 116024；2. 水下測控技術重點實驗室，遼寧 大連 116013)

針對水中體目標回波與點源合成目標回波分辨問題，研究了體目標和常規點源合成目標回波脈沖幅度起伏頻率特性。基于目標回波亮點模型，理論分析證明了體目標回波脈沖幅度起伏頻率具有隨載波頻率相關的變化特性，而常規點源合成目標回波的脈沖幅度起伏頻率不具有相應特性，據此提出并研究了基于脈沖幅度起伏頻率的體目標回波與點源合成目標回波分辨的方法。海上試驗對Benchmark模型回波與兩個點聲源合成的模擬回波進行對比，試驗結果表明：通過主動發射兩個頻率差別明顯的載頻信號，基于接收回波的脈沖幅度起伏峰值頻率對比，可以對體目標回波與合成回波進行分辨，驗證了基于脈沖幅度起伏頻率的體目標回波與點源合成目標回波分辨方法的可行性。

水中目標；合成回波；幅度起伏頻率；回波分辨；亮點模型；回波模擬

回波模擬誘騙是應對主動魚雷自導攻擊的重要對抗方式，其核心在于對目標自身聲散射特征的逼真模擬。常規的回波模擬主要是通過接收入射波信號，然后由數個代表典型亮點的發射換能器按照一定的目標強度、多普勒頻移和回波展寬進行回波合成[1-4]，從而模擬真實目標的回波信號。這種方式能夠很好的模擬被掩護目標的主要回波亮點的相對位置、相對幅度和目標的尺度特性，對主動聲自導具有極強的誘騙能力，如何在海洋混響背景中對分辨真實目標回波和模擬目標回波進行分辨和識別是水中目標探測普遍關心的技術問題[5-7]。

按照通信論的觀點，主動聲吶發射的脈沖信號經目標反射后產生回波，目標對入射聲波進行了幅度和波形的變換[8]，導致目標回波信號的脈沖幅度起伏，其本質是目標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制[9-13]，目標回波的包絡波形結構攜帶了目標的外形、結構、材質等屬性參數信息，回波脈沖幅度起伏頻率則是表征目標回波包絡波形結構的重要特征之一。目標回波的包絡起伏及其起伏間隔等特性信息也是海豚等海洋哺乳動物進行目標分類識別所利用的重要特征[14-16]，而聽覺感知試驗研究也表明載波頻率和脈沖幅度起伏頻率對聽覺時間調制檢測能力具有重要影響[17]。

目標回波模擬主要是對水中體目標回波包絡的幾個峰值點進行模擬，但由于真實目標回波是由目標上各散射體所散射的聲波相互干涉迭加而成，除了幾個典型的峰值點，基于有限個數的點源模擬的目標回波包絡很難與包含弱散射背景的真實目標回波包絡完全一致。之前的研究較少關注模擬目標與真實目標亮點之外的回波包絡起伏差異，特別是不同載波頻率的回波包絡起伏峰值頻率的差異，本文之前的研究表明體目標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，在上述研究的基礎上本文研究了體目標和常規點源合成目標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回波與點源合成目標回波分辨的方法，并通過海上試驗進行驗證。

1 水中目標回波脈沖幅度起伏頻率特性理論分析

水中復雜目標都可以等效成由若干個散射亮點的組合，從信號幅度起伏的角度來說，回波亮點為入射信號幅度經調制后表現出的回波包絡起伏峰值點，參考目標回波亮點模型的表達方式，單頻信號回波包絡起伏的頻域形式可表示為

(1)

式中：ai(θ)為亮點強度系數，θ為入射舷角，N為亮點個數，并假定體目標的回波亮點等間隔分布，τθ為相鄰亮點信號到接收起點的時延差，具體為

(2)

式中：L為目標的縱向長度，C為水中聲速。為了說明規律，假設各亮點具有相同的散射強度，則有ai(θ)=a(θ)，式(1)可改寫為

F(|y1(t,θ)|)=

F{a(θ)exp(j2πft)|h(f,θ)|}

(3)

其中

h(f,θ)=

(4)

式(4)中，當fτθ=m時(m=1,2,3,...)，h(f,θ)可以取得最大值1，目標回波包絡形成相對峰值，即回波亮點，可見目標回波亮點的形成主要由兩個因素決定，分別是載頻f和目標最小亮點分辨間隔τθ，二者存在反比關系。當發射信號的載頻越大，則目標回波中的包絡起伏的間隔越小，回波信號能夠表征的目標尺度分辨率越高；當載頻一定時，目標回波脈沖能夠形成以最小亮點分辨間隔τθ為間隔的周期性多亮點幅度起伏，亮點幅度起伏的強度由體目標部位散射強度決定。從上述機理分析表明，入射聲波的載頻變化，目標回波的包絡起伏頻率將隨之變化，體現了體目標的目標屬性。

目前常規的目標回波模擬采用空間分布的數個收發合置換能器代表目標上的主要亮點位置，通過應答轉發的方式，各個換能器對接收到的入射波信號進行幅度和相位加權后轉發，從而合成回波信號，由于換能器的個數固定，這種方法所能夠模擬的回波包絡的亮點個數固定，無法模擬亮點之間的體目標散射特性變化，因此當入射聲波的頻率改變時，模擬回波的脈沖幅度起伏峰值頻率將不會顯著變化。

2 體目標回波與模擬回波的分辨方法

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

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

通過對兩個不同載波頻率回波時域包絡調制頻率最大值及其與載頻之間的對應關系對比進行體目標與合成目標回波的分辨。

3 海上實驗研究

3.1 實驗條件

海上實驗在大連近海進行，實驗海域寬闊，水深30 m，底質平坦，測試目標和測試系統由中間具有水井的測量船搭載。測試目標為Benchmark縮比模型，模型長3 m，按照1∶20的縮比尺度制作，材料為不銹鋼。圖2為Benchmark模型吊放和測試的示意圖，模型通過兩根直徑為7 mm的軟繩吊掛在模型轉臺上，通過轉臺的轉動改變模型的舷角，收發合置換能器布放在距目標10.5 m位置，二者布放深度為5 m，滿足遠場要求，發射波束開角中心對準模型位置固定不動，被測目標模型從艇艏開始旋轉180°，數據采集采用連續記錄的方式。發射信號分別為線性調頻信號40～80 kHz和20～40 kHz，脈沖寬度為3 ms。

圖2 Benchmark模型測試示意圖Fig.2 Configuration of Benchmark sea testing

圖3為基于點聲源模擬回波試驗示意圖，測試環境和測試方式與Benchmark模型回波測試一致，具體測試采用2個收發合置換能器，換能器之間的

距離為1.4 m，通過旋轉連結2個收發合置換能器的支架，以模擬回波的方位變化特性。需要說明的是試驗測試主要是驗證體目標回波和點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 點聲源模擬回波試驗示意圖Fig.3 Configuration of synthetic echo testing

3.2 實驗結果的討論與分析

對實驗測得的Benchmark縮比模型回波信號和合成的模擬回波信號分別進行回波脈沖幅度起伏特性處理分析，具體為：

1) 截取目標各舷角對應的回波數據,并進行帶通濾波；

2) 對回波數據進行包絡提取,輸出相應舷角的目標回波包絡；

3) 對各舷角回波包絡進行幅值歸一化處理；

4) 對歸一化的回波包絡進行頻域變換；

5) 得出目標回波脈沖幅度起伏特征隨舷角變化特性。

由于被測目標為連續旋轉，數據采集采用連續記錄的方式，為了能夠將目標舷角與相應測試數據對應，在數據處理中實際數據的選取是根據旋轉角度與采集數據的時間長度的對應關系進行截取。

圖4 LFM40～80 kHz載頻回波信號、包絡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載頻回波時域波形和回波包絡，圖5是Benchmark縮比模型45°下的LFM20～40 kHz載頻回波時域波形和回波包絡。通過圖4(b)和圖5(b)可以明顯看出，載頻不同，回波信號的包絡波形結構顯著不同，載頻越高，回波信號的包絡幅度起伏越劇烈。

圖6為舷角45°時LFM40～80 kHz載頻的合成回波時域波形和信號包絡，圖7為舷角45°時LFM20～40 kHz載頻的合成回波時域波形和信號包絡。通過圖6(b)和圖7(b)對比可見，載頻變化時，合成回波的包絡波形基本不發生變化。

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

圖6 LFM40～80 kHz載頻模擬回波信號、包絡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、包絡Fig.7 Waveform and envelope of LFM20～40 kHz frequency synthetic echo

進一步對比載頻變化時，體目標回波與合成回波信號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據處理結果，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應增加，與理論分析的一致，體現了水中體目標的特征；同時目標舷角不同，其脈沖幅度起伏峰值頻率也發生變化。圖9為不同載頻信號合成的回波信號脈沖幅度起伏峰值頻率隨舷角變化的處理結果，不同載頻合成的回波信號的脈沖幅度起伏峰值頻率變化很小，表明常規的亮點合成回波模擬能夠模擬水中目標的典型亮點特征，但是無法模擬回波包絡的細節，并且當入射波的載頻發生變化時，合成回波難以模擬不同載頻信號本身的尺度分辨能力變化，從而無法模擬回波的細節變化。

通過圖8和圖9的海上試驗結果對比，驗證了體目標和點源合成回波脈沖幅度起伏頻率的變化特性，同時也驗證了基于回波脈沖幅度起伏頻率的水中目標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比Fig.8 Maximum frequency comparison of Benchmark model echo magnitude fluctuation with different LFM carrier frequency

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

4 結論

本文針對水中體目標回波與點源合成目標回波分辨問題，提出了一種基于回波信號脈沖幅度起伏頻率的水中體目標回波和人為合成的回波分辨方法，主要研究結論如下：

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

2)海上實測研究驗證了體目標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論。同時海上試驗也表明通過主動發射兩個頻率差別明顯的載頻信號，基于回波脈沖幅度起伏峰值頻率的對比，可以對體目標回波合成回波進行分辨，驗證了基于脈沖幅度起伏頻率的體目標回波與點源合成目標回波分辨方法的可行性。

3)需要指出的是本文中為了驗證點源合成信號的脈沖幅度起伏頻率不隨載頻變化，限于實驗條件使用了兩個點聲源進行回波合成，實際上使用點聲源模擬的亮點個數對實驗結果具有一定的影響，當點聲源的個數增多即模擬的亮點個數增加，由于各點源信號相互間的干涉和疊加，載波頻率改變時，合成信號的包絡結構細節將產生變化，兩個不同載頻合成回波的脈沖幅度起伏頻率將產生差異，即理論上當點聲源個數足夠多以至于能夠模擬回波結構的細節時，回波模擬的效果將更加逼真，但目前通過有限個點源尚難以模擬體目標的回波細節特性，而這也是難以工程實現的。

目前的研究還只是條件可控的模型試驗的結果，海上實際復雜目標和環境干擾條件下的方法適用性還有待進一步研究。

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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.

水下測控技術重點實驗室基金項目(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與點源合成目標回波分辨[J]. 哈爾濱工程大學學報, 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.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160527.1354.004.html