一种气泡背景下目标检测算法

吴　双，杨长生，梁　红

（西北工业大学 航海学院，陕西 西安，710072）

一种气泡背景下目标检测算法

吴双，杨长生，梁红

（西北工业大学 航海学院，陕西 西安，710072）

研究发现，海豚在气泡背景下检测目标的能力优于人工声呐。基于海豚在搜索目标时发射的信号都是脉冲串的形式，且有些信号的相邻2个脉冲相位相反。文中采用Keller-Miksis方程的气泡模型，使用相位相反的仿海豚喀啦脉冲对，利用双反脉冲声呐（TWIPS）研究了其在气泡背景下探测目标的有效性，并将其与标准声呐处理进行对比。仿真结果表明，对于文中采用的气泡云分布，利用TWIPS探测线性目标时其性能优于标准声呐处理的性能。

气泡；目标检测；Keller-Miksis方程；双反脉冲声呐

0　引言

在浅海海域以及生物活跃区域等存在大量的气泡，学术界关于气泡特性的研究［1-2］也有很多，气泡的散射和衰减使得人工主动声呐不能准确地探测到淹没在水下气泡云中的目标。气泡云形成的自然过程包括降水、舰船尾流、波浪破碎、地球物理活动或者生物活动等。通过观察可以发现，海豚仍然可以在这样的环境中有效地捕食猎物。文中致力于采用海豚“喀啦”［3］信号，利用双反脉冲声呐（twin inverted pulse donar ，TWIPS）仿真实现气泡背景下目标的探测，并证明了TWIPS在气泡背景下探测目标的性能优于标准声呐处理［4］的性能。

1　气泡后向散射理论

一定条件下，气泡云的后向散射可以等效为单个气泡后向散射的累加，因此首先给出单个气泡的后向散射。计算不同半径单个气泡的理论响应时首先求解Keller-Miksis方程［5］

气泡壁的液体声强为

在距离气泡中心r处的声强为

利用龙格库塔方法求解式（1），将解得的气泡瞬时半径和半径速度代入式（3），即可求得单个气泡的后向散射。

在考虑气泡间多重散射情况下，气泡云（一群气泡）后向散射响应的计算非常复杂。文中不考虑气泡间的散射并假设气泡云球形分散，气泡云中的气泡均匀分布，仿真中将连续的气泡云半径分布离散成几个区间，并将各个区间内所有气泡的半径用某一代表性的半径代替，如表1所示。通过计算可知，气体所占体积分数为1.936×10-8，此时，气泡云的后向散射可以看成是各个区间代表气泡的后向散射的叠加。

表1　气泡云分布Table 1　Bubble cloud distribution

2　气泡背景下目标检测算法

研究表明，当发射脉冲的幅度足够高或者发射脉冲的频率接近谐振频率时，气泡发生非线性散射［6］，而目标可以看成是线性散射体。因此气泡背景下目标检测问题就归结为非线性背景下检测线性散射问题。

TWIPS［7-8］是Leighton教授通过观察浅海海域海豚的行为而提出的，它能增强目标的线性散射，同时抑制气泡的非线性散射，反之亦然。其流程框图如图1（a）所示。

图1　双反脉冲声呐和标准声呐处理的流程框图Fig.1　Processing flow chart of twin inverted pulse sonar（TWIPS）and standard sonar

为了考察TWIPS在实现气泡背景下探测目标的性能，文中用标准声呐处理进行比较，其流程框图如图1（b）所示。图1中的回波是发射信号p（t）作用在气泡和目标上的总响应。p（t）由s1（t），s2（t）这2个脉冲组成，这2个脉冲除了相位相反外其余特性完全一致，两脉冲间隔为τ，即p（t）=s1（t）-s2（t-τ）。在此脉冲激励下，目标散射为线性，其响应为

式中，h（t）是系统的脉冲响应。s2（t）与s1（t）的相位相反，那么响应x2（t）为

将xk（t）的匹配滤波器输出表示为Xk（t），其中，k=1，2。X2（t）与X1（t）的和，记作P+，对于线性散射体来说其为零，而对于非线性散射体，一般情况下P+不为零，这是因为对于非线性系统，相位相反的2个脉冲的散射并不是按线性增益-1的比例变化的。X1（t）减去X2（t），记作P-，能够提高散射信号的线性成分，同时抑制非线性部分。

3　仿真及讨论

仿真中使用仿海豚喀啦脉冲对，其正脉冲如图2所示。正脉冲持续时间为120 μs，由2个负调频结构的线性调频信号组成，频率范围分别为为30～84 kHz和76～130 kHz（所对应气泡谐振半径近似为25～110 μm）。

为了考察在仿海豚脉冲对作用下不同半径气泡的响应，选取气泡半径为40 μm和250 μm，这2种半径的单个气泡后向散射的仿真结果如图3所示。

图2　仿真中使用的脉冲时域图和频谱图Fig.2　Pulse used in the simulation in time domain and frequency domain

图3（a）中，气泡响应的幅度不是按入射脉冲的幅度比例变化，原因是40 μ m气泡半径的谐振频率在入射脉冲的频率带宽之内，气泡发生非线性散射。由图3（b）可以看出，气泡没有发生非线性响应，即气泡相当于一个线性散射体，原因是1 000 μm气泡半径的谐振频率低于入射脉冲的最低频率。对于表1所示的气泡云分布，在图2的仿海豚信号的激励下，气泡云后向散射的仿真结果如图4所示。

图3　相位相反的2个脉冲激励下的单个气泡后向散射曲线Fig.3　Backscattering curves of single bubble inspired by two pulses with inverted phase

图4　正脉冲激励下的气泡云后向散射曲线Fig.4　Backscattering curves of bubble cloud inspired by positive pulse

图5　双反脉冲声呐（TWIPS）和标准声呐处理的成像图Fig.5　Images processed by TWIPS and standard sonar

为了考察TWIPS在区分线性散射体和非线性散射体上的有效性，在此使用声探测图像来说明，如图5所示（作为比较，同时给出标准声呐处理输出）。由图5可知，P+抑制了线性散射体，而P-增强了线性散射体，从而推断出TWIPS可以区分线性散射体和非线性散射体，也就是说TWIPS能够实现在气泡背景下检测目标。

为了定量考察TWIPS在气泡背景下检测目标性能，给出了接收机工作特性曲线，横坐标表示信混比（目标回波与气泡云后向散射的功率比）。如图6所示。结果表明，TWIPS比标准声呐处理在气泡水中检测目标的性能更优。

图6　P-和标准声呐处理的接收机工作特性曲线Fig.6　Receiver operating characteristic curves of P_ and standard sonar processing

4　结论

文中对单个气泡的后向散射和气泡云的后向散射响应进行了研究，并研究了TWIPS在气泡背景下探测目标的可行性以及其探测性能。仿真结果表明，采用仿海豚脉冲利用TWIPS可以实现对线性散射体和非线性散射体的区分，即可以探测到气泡背景下的目标。此外，TWIPS在气泡背景下检测目标的性能优于标准声呐处理。

［1］马青山，陈亚林，郝保安，等.舰船远尾流场气泡特性研究［J］.鱼雷技术，2014，22（4）：311-315.

Ma Qing-shan，Chen Ya-lin，Hao Bao-an，et al.Study on Bubble Characteristics of Ship Far Wake Field［J］.Torpedo Technology，2014，22（4）：311-315.

［2］张群，王英民.尾流中多气泡模型及有限元分析［J］.鱼雷技术，2014，22（4）：316-320.

Zhang Qun，Wang Ying-min.Multi-bubble Models in Ship Wake and Finite Element Analysis［J］.Torpedo Technology，2014，22（4）：316-320.

［3］Capus C，Pailhas Y，Brown K，et al.Bio-inspired Wideband Sonar Signals Based on Observations of the Bottlenose Dolphin（Tursiops truncatus）［J］.The Journal of the Acoustical Society of America，2007，121（1）：594-604.

［4］Leighton T G，White P R，Finfer D C.Contrast Enhancement Between Linear and Nonlinear Scatterers：U.S.Patent Application 11/917，990［P］.2004-6-26.

［5］Leighton T.The Acoustic Bubble［M］.London，UK：Academic Press，1994.

［6］吴双，杨长生，梁红.仿生信号的气泡后向散射仿真分析［J］.声学技术，2014，33（4）：411-414.

Wu Shuang，Yang Chang-sheng，Liang Hong.Simulation Analysis of Bubbles Backscatter of Bionic Signals［J］.Technical Acoustics，2014，33（4）：411-414.

［7］Leighton T G，Finfer D C，Chua G H，et al.Clutter Suppression and Classification Using Twin Inverted Pulse Sonar in Ship Wakes［J］.The Journal of the Acoustical Society of America，2011，130（5）：3431-3437.

［8］Leighton T G，Finfer D C，White P R，et al.Clutter Suppression and Classification Using Twin Inverted Pulse Sonar（TWIPS）［J］.Royal Society of London Proceedings Series A，2010，466：3453-3478.

（责任编辑：杨力军）

An Algorithm of Target Detection in Bubbly Water

WU Shuang，YANG Chang-sheng，LIANG Hong

（School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China）

It is quite difficult to detect targets using man-made sonar due to the existance of bubbles，while researches indicate that dolphins outperform man-made sonar in detecting targets in bubbly water.The signals emitted by dolphins are in the form of pulse sequences，and some of two adjacent pulses are of inverted phase.In this study，the bubble model of Keller-Miksis equation and the twin inverted pulse sonar（TWIPS）are used to investigate the effectiveness of target detection of the dolphin-like clicking sound pulse pair with inverted phase in bubbly water.Furthermore，the performances are compared between TWIPS and standard sonar.Simulation results show that for the detection of linear target，TWIPS behaves better than the standard sonar in given bubble cloud distribution.

bubbles；target detection；Keller-Miksis equation；twin inverted pulse sonar（TWIPS）

TJ630.34；TB56

A

1673-1948（2015）04-0276-04

2015-06-02；

2015-06-23.

国家自然科学基金（61201322）、（61379007），中央高校基本科研业务费专项资金（3102015ZY015）.

吴双（1990-），女，在读硕士，研究方向为水下信号与信息处理.