探雷聲吶隨機觸點產生機理與分布

馬愛民,張 琦,崔 鵬

(海軍大連艦艇學院,遼寧 大連 116018)

1 問題描述

聲吶探雷是當前最重要的反水雷手段,它定向發射高頻聲波,并接收海底目標反射的回波,當回波強度在聲吶圖像上形成孤立回波點時,即被視為發現目標,聲吶員可用光標錄取其方位距離,再由指控根據本艦位置對目標完成二次定位,得到聲吶觸點。探雷聲吶多年的使用經驗已證明2種普遍存在的情況[1-2]:一是對同區域海底多次搜索時,每次都會錄取數量不等的聲吶觸點,并呈現出與海區相關的穩定性;二是多次搜索錄取的聲吶觸點中,總有相當一部分觸點呈孤立狀態,與其它觸點不重合。圖1給出2個搜索實例。

圖1(a)和圖1(b)分別為2個不同的搜索實例,各自標出作業區和聲吶觸點,并以三角符標出含有2個以上觸點的重復目標,其余為孤立觸點。(a)區位于東海,面積0.3 n mile2,11次搜索共錄取觸點231個,平均每次搜索中錄取21個;作業區內共有觸點194個,其中孤立觸點53個。(b)區位于黃海,面積0.75 n mile2,4次搜索共錄取觸點138個,平均每次搜索錄取34.5個;作業區內共有觸點77個,其中孤立觸點58個。這2個搜索實例表明,在同一海區中,探雷聲吶每次搜索錄取的觸點數量差別不大,且有大量觸點處于孤立狀態,與其它觸點不重合,呈現出位置隨機特性。

不同使用單位在不同海區的大量應用實例表明,與上述實例類似的隨機觸點現象具有普遍性,其數量或密度與海區有關。這些隨機觸點在后續分類過程中易于排除,但需消耗大量時間,根據目前掌握的情況,即使在最好的海區,隨機觸點也會嚴重影響獵雷效率。而在最差海區中,隨機觸點密度可達到每平方海里過百,實際上已經無法執行清除水雷任務。

圖1 探雷聲吶多次搜索實例Fig.1 Multiple searching examples for mine detecting sonar

隨機觸點現象在國外探獵雷相關文獻中也有提及,通常表述為虛警,也提及對獵雷效率有影響,嚴重時會導致獵雷困難[3],形成所謂不適合探獵雷的海區等情況。但國外文獻中除了討論一般獵雷作戰流程外,并未見到消除虛警的其它技術措施,似乎虛警的影響并不嚴重,與國內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觸點,基本特征是位置隨機出現,且重復出現的可能性很小,數量主要取決于聲吶型號和海區特性。本文以應用實例為對象探討隨機觸點的產生機理和分布規律,尋找快速剔除隨機觸點、提高目標辨識效率的有效方法。

2 隨機觸點生成機理

海底存在大量自然和人工物體,其尺度、形狀、材質各不相同。聲吶探測理論中統一用目標強度描述目標的探測特性,在水雷探測問題中,強度接近水雷的目標稱為探測似雷目標,強度明顯小于水雷的目標可稱之為微小目標。

2.1 艦殼聲吶錄取目標一般方法

使用艦殼式探雷聲吶搜索海底時,操作員根據探測聲吶圖像上回波亮點的大小、強度和穩定性等特征,判定其是否可能是水雷,并錄取其位置。根據聲吶探測理論,在自然環境和聲吶自身的隨機干擾下,即使不存在真實目標,聲吶圖像上仍然會出現隨機回波點。但這種隨機回波點不大會連續穩定地出現在同一位置,在艦殼式探雷聲吶數秒一次的探測周期下易于排除。由此可見,對于有一定經驗的探雷聲吶操作員來說,在調整好聲吶圖像的工作參數后,一旦錄取到觸點,通常意味著確實存在對應的目標。

2.2 海底微小目標

海底真實目標自然分布、數量眾多,包括礁石、地形凹凸、動植物及遺骸、人造物品等,其大小不同,尺度連續分布,且尺度越小數量越多。

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,圖中偏左稍遠處隱約可見的較大目標為石塊,其附近區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,通過預先建立的數據庫即可有效排除。除了似雷目標回波外,整個圖3中還充斥著較弱的回波點,它們應與圖2中遍布海底的凹凸地形有關。自然環境與此相似的地貌還有礫石、沙紋、碎石等,其共同特點是體積小、數量大,回波強度普遍較弱。

2.3 聲吶觸點隨機性

根據聲吶探測理論,目標回波強度與體積、外形和材質有關,通常用二維或三維方向圖表示[4]。海底微小目標體積不大,平均回波強度都很小,但其外形和材質的隨機組合,有可能在某個特定方向形成尖銳的目標強度,足以形成似雷回波。這種情況類似于角反射器,雖然目標強度相同,但實際尺度僅為真實目標的十分之一。天然微小目標的強反射張角不會太大,對應某個狹長空間,如果獵雷艦位置航向航速恰好合適,則可在一段時間內形成連續穩定的聲吶回波,從而被錄取為聲吶觸點。

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

2.4 聲吶觸點重復性

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

除了同一目標被重復錄取的情況外,不同目標也有可能產生重復觸點,注意這里所討論的是大量微小目標的情況,不包括彼此靠近的2個似雷目標形成的重復觸點。如果將大量微小目標視為純粹的隨機點,則在定位誤差限定的范圍內,有可能同時出現多個隨機點。實際應用中可以根據觸點間的距離和定位誤差判定其是否屬于重復觸點,但難以區分它們是否來自同一目標,這會導致聲吶觸點的建模和預測變得復雜[7]。

3 隨機觸點分布特點

表1 實例a觸點統計結果Table 1 Statistical results of contacts in example a

為了全面考查隨機觸點的分布情況,對圖1中實例(a)中作業區內194個觸點進行聚類分析[8],原則是觸點間最大距離不超過由定位誤差所限定的某個門限值,共得到80個聚類組。再依據各聚類組所含觸點數統計數量,得到觸點的重合向量Y=(53,9,3,5,1,1,0,1,0,3,4),其中第n個分量yn表示含有n個觸點的聚類組數。相關統計數據如表1所示。

表1中n和Y是原始數據,n表示重合次數,Y表示n重合聚類組的數量,例如(n,Y)=(2,9)表示2觸點聚類組有9個,共計18個觸點。原始數據與作業區面積和搜索次數相關,需要歸一化。重合次數n歸一化為p=n/k,k是最大搜索次數,p的實際意義是目標發現頻率,且k越大越接近概率。重合點數量Y歸一化為y=Y/s/k,s是作業區面積。y的直觀意義是單位面積搜索一次錄取觸點的平均數。實例(a)中總搜索次數k=11,作業區面積s=0.3 n mile2。繪制Y～p曲線如圖4所示。

圖4中縱坐標是重合點數Y,橫坐標是概率p。與目標真實情況對比可知,Y～p線可分為3個部分:第一部分集中在p=1/11(n=1,k=11)處,主要來自發現概率極小但數量很多的微小目標,是典型的孤立隨機點,稱為虛觸點。第2部分在p=2/11～6/11(n=2～6)各點上,主要來自發現概率很小且數量較多的目標,當它們被重復發現時即形成目標,但概率明顯低于水雷,稱為虛目標。顯然目標越小越容易形成虛觸點,而目標越大越容易形成虛目標。第3部分在右半側n≥6各點上,主要來自尺度與水雷相近、但數量不是很多的較大目標(含水雷),統稱為似雷目標。

圖4 實例(a)的數據圖Fig.4 Data diagram of sample (a)

上述虛觸點、虛目標和似雷目標的分布情況,雖然是基于觀測結果的討論,但已能夠反映出海底目標依概率分布這一客觀事實,與是否進行過觀測沒有關系。試想當觀測次數k→∞時,統計結果將趨于真值。實例(a)搜索次數k=11,似雷目標已接近真值,虛目標也具有一定代表性。

來自不同使用部門、時間和地點的大量應用實例已經證明,虛觸點和虛目標的數量遠多于似雷目標,它們消耗的辨識時間遠超過似雷目標,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,并認為能有效提高目標探測辨識效率的小目標數據庫,并不能解決虛觸點和虛目標問題。因為數據庫只能排除重復發現的目標,在新的搜索任務中,似雷目標發現概率高,易于重復發現,通過比對數據庫中的舊目標即可快速排除,但與舊目標不重合的大量虛觸點和虛目標,無法通過數據庫比對排除。如何快速排除虛觸點和虛目標,是探雷聲吶面臨的一個重要問題。

觀察重合向量可以發現,虛觸點數量占比很大,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,便可大幅度提高辨識效率。當然這種措施會增大漏探概率,為此需要更多的搜索次數,可見在直接分類識別和多次搜索后聚類篩選兩種策略之間需要對比優化,才能達到最高的工作效率。

4 結束語

對探雷聲吶錄取的觸點進行聚類分析,統計聚類組的分布情況,可以得到以下結論:1)大數量、低概率的微小目標物理模型,能合理解釋探雷聲吶觸點的隨機分布特性。2)聲吶觸點聚類統計能揭示海底微小目標和似雷目標的分布規律,具有實用價值。3)完全孤立的虛觸點占有很高比例,且相對易于排除,有利于提高水雷的辨識效率。

探雷聲吶在國內應用已有十余年,但對海底小目標的相關研究進展仍然緩慢。隨著未來探雷聲吶裝備的普及,該領域的基礎性研究必然逐步展現出重要性,并具有廣闊的發展空間。