基于線性調頻(LFM)信號的單體魚類目標回波識別與性能分析

湯濤林，吳陳波，李國棟，劉 晃

(1 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,上海 200092；2 青島海洋科學與技術試點國家實驗室深藍漁業工程聯合實驗室,山東 青島 266000)

在魚類目標強度估計時，需要選擇單體的回波信號進行計算，排除由多個目標干涉形成的回波。在魚群密度很低的理想情況下，單體回波可以在距離上分割，單體識別很容易實現[1]。但實際上，即使魚群密度較低，魚也不一定均勻分布，可能在某個區域內密度較高[2]而形成回波疊加。多個目標形成的干涉回波會對目標強度估計精度造成很大的影響[3]，這就需要研究具有良好性能的單體目標識別算法。

Foote等[4]提出了用回波幅度范圍和回波脈寬范圍作為單體回波的區分標準，但不同單體間的回波幅度和尺度差異很大，不能做嚴格的控制，因此該方法性能有限。Soule等[5]提出使用回波內的相位變化作為單體信號的一個區分標準，后經試驗表明，該方法大大提高了單體識別的性能，并一直沿用至今。2015年SIMRAD公司向外發布新型的寬帶科學探魚儀EK80，以取代傳統的窄帶探魚儀EK60。EK80使用的是線性調頻信號(LFM)[6]，相比窄帶探魚儀性能有很大提升[7]。由于LFM信號的頻率是時變的，傳統的基于相位標準差的單體識別方法不再適用。目前，寬帶信號下的單體識別方法和性能研究尚未見文獻報道。

本研究分析了寬帶信號下的單體識別標準，通過構建一個試驗平臺，在消聲水池內對寬帶信號下的單體識別方法和識別性能進行測試和驗證。

1 材料與方法

1.1 寬帶探測信號

傳統探魚儀使用單頻窄脈沖信號(CW)作為探測信號，而寬帶探魚儀一般使用線性調頻信號(LFM信號，也稱Chirp信號)作為探測信號，LFM信號的解析表示為：

(1)

1.2 幅度篩選

使用經驗數據或者模型計算可以確定不同單體目標強度范圍[8]，對補償后的回波進行幅度篩選可以快速排除不是單體的目標。單體魚的目標強度很低[9]，在其他用途的聲吶中，一般都是作為噪聲處理，而對探魚儀是重要的信號。相比窄帶探魚儀，寬帶探魚儀性能有很大提升，重要的一點是得益于匹配濾波，在白噪聲條件下，匹配濾波可以使輸出信噪比達到最大[10]，是從噪聲中提取有用信號的有效方法，非常適合單體這類弱信號的檢測，可顯著提升探魚儀的探測能力[11]。

為了避免入射角引起的目標強度變化，單體目標強度測量都采用垂直探測方式[12]，其探測能力會受到體積混響的影響。由于海水中的體積混響與脈沖寬度成正比[13]，因此匹配濾波壓縮脈沖后探魚儀的抗混響能力也有提高。

匹配濾波器的時域沖激響應為：h(t)=s*(-t)，LFM信號通過該濾波器后的輸出為：

(2)

當t=0時，匹配濾波器輸出達到峰值。可以證明，匹配濾波后輸出信噪比與輸入信噪比之比為2 Bt，因此，使用匹配濾波后的峰值進行幅度篩選可以獲得更好的性能。

魚的目標強度與魚鰾的大小、魚鰾的形狀、魚體的體長及聲波入射角[15]等很多因素相關，通過幅度篩選能夠提供的區分能力非常有限，需要做進一步處理。

1.3 距離分辨

在幅度篩選的基礎上排除距離過近的目標。由于單體魚反射尺度較小，忽略回波展寬，探魚儀的最小可分辨距離ΔR=cτ/2，其中，c為水中聲速，τ為發射脈寬，一般以信號包絡的半功率點作為脈寬的起始和結束位置。例如，選取1 ms發射脈寬時，距離分辨率約為750 mm，當兩條魚的距離小于750 mm時，回波會發生重疊。窄帶單體識別時可以通過設置一定的接收脈沖寬度作為條件，排除重疊信號。

由聲吶方程可知，探魚儀的作用距離和發射脈寬成正比，窄帶信號隨發射脈寬增加，距離分辨力會下降。在寬脈沖內加載線性調頻LFM信號，可以在大時寬的前提下擴展信號的帶寬。LFM信號通過匹配濾波器后脈寬與帶寬成反比，這樣既可以達到寬脈沖的檢測能力，又保持了窄脈沖的距離分辨力，在有限峰值功率條件下，有效地解決了探測距離和距離分辨力的矛盾。提高距離分辨力有利于在距離上區分單體，在魚群密度較高時，也能獲得較為準確的單體目標強度估計[16]。

寬帶LFM信號，取匹配濾波輸出s0(t)的近似包絡[17]可以得到：

(3)

1.4 區分重疊回波

1.5 角度估計

角度估計是分裂波束探魚儀的核心功能。對于窄帶分裂波束探魚儀，目標方位角一般通過到達各子陣信號的相位差解算，在信噪比高的條件下，一些窄帶超分辨率算法還可以突破瑞利限，但在寬帶信號下，這些方法無法使用或者性能下降。寬帶分裂波束探魚儀，一般通過時延估計來求波達方向[22]。本研究中采用了廣義互相關(GCC)[23]做時延估計：

(4)

(5)

(6)

1.6 試驗設計

為了驗證單體識別方法和性能，搭建了試驗平臺，主要配置見表1。板卡間使用硬件同步，軟件為使用Intel math kernel library開發的專用程序，包括收發控制、數字下變頻、匹配濾波、波達方向估計、數據存盤導出等功能。

表1 試驗平臺主要配置

試驗在中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所的消聲水池內進行，水池深度6 m，水溫13℃，聲速約為1 460 m/s[28]。使用直徑36 mm的碳化鎢合金球對平臺的相位一致性和幅度一致性進行校準[29-30]，各試驗換能器和目標球布置如圖2所示。

圖2 換能器和目標球相對位置

2 結果與分析

2.1 距離分辨測試

距離分辨測試中使用了帶寬30 kHz，脈寬0.3 ms的線性調頻信號，未壓縮距離分辨率220 mm，壓縮后距離分辨率25 mm。使用2個36 mm合金球沿聲軸方向吊放并不斷靠近，觀察未壓縮和脈沖壓縮后的目標分辨效果，結果如圖3所示。在距離270 mm時，未做脈沖壓縮的兩個回波也能區分出兩個目標；當距離靠近到195 mm時，兩個回波開始重疊，回波脈沖寬度約為400 mm，大于單體的脈沖寬度，因此可以通過脈沖寬度篩選來拒絕此類信號；當距離靠近到50 mm時，信號基本重疊，無法通過回波脈沖寬度進行區分，但仍可以通過脈沖壓縮后的數據進行區分。試驗結果和理論計算值符合。

圖3 兩目標球不同間距回波及脈沖壓縮結果

2.2 角度估計

在換能器橫向方向不同位置吊放直徑36 mm的目標球，已知換能器子陣間距約76 mm，目標球深度4.35 m。當目標球角度θ=3.41°時，由于目標到橫向兩子陣的聲程差，可以看到接收信號存在時延(圖4a)。使用寬度為93 mm的滑動窗，短時角度估計如圖4b所示，由于目標球不是理想的點目標，具有一定尺度，因此可以看到其回波內的角度均勻變化，變化幅度約0.5°。

圖4 目標方位角3.41°時子陣接收信號和短時方位角估計

試驗共測試了6組數據，由于目標距離換能器較近，使用球面波計算目標聲程差和真實角度。角度估計、角度估計誤差及短時角度標準差見表2，其中最大估計誤差-0.06°。

2.3 相同距離重疊回波區分

在換能器橫向方向相同距離上對稱放置2個目標球，調整小球位置讓回波基本重疊，改變目標球距離D，觀察回波內角度變化。當兩目標球距離D= 276 mm時，其回波信號與角度變化如圖5所示，干涉造成了回波內部的角度大幅抖動。

圖5 間隔276 mm兩目標球回波及回波內角度變化

共測試了3組數據：小球間距D=276 mm，重疊回波內角度標準差θdev=18.59°;D=426 mm，回波角度標準差θdev=41.42°;D=620 mm，回波內角度標準差θdev=47.93°。3組數據中最小角度標準差為18.59°。對照之前單體回波內角度標準差最大值為0.16°，兩者區別明顯。

3 結論

相比窄帶探魚儀，寬帶探魚儀有更強的弱信號檢測能力，更高的距離分辨力，單體魚類信號分辨力提高。寬帶信號下，基于回波內相位標準差的單體識別方法不再適用，對于空間上無法分割的重疊回波，利用回波內角度標準差能獲得較好的拒絕性能。寬帶信號探測帶來更豐富的水下信息，使得更高精度的資源估計、種類識別等應用成為可能，具有巨大的優勢和發展前景。

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