水中目标回波脉冲包络起伏特征研究

陈云飞，黎 胜，王振山，李桂娟，高 峰

（1.大连理工大学 船舶工程学院，辽宁 大连 116024；2.水下测控技术重点实验室，辽宁 大连 116013）

水中目标回波脉冲包络起伏特征研究

陈云飞1，2，黎 胜1，王振山2，李桂娟2，高 峰2

（1.大连理工大学 船舶工程学院，辽宁 大连 116024；2.水下测控技术重点实验室，辽宁 大连 116013）

水中目标散射声信号中蕴含了目标外形、结构、材质等物理属性信息，如何表征和提取这些属性信息一直是水中目标散射声信号分类与识别研究关注的焦点之一。为此，文章提出并研究了与水中目标属性信息相关联的散射声信号包络起伏特征，分析了该特征与目标外形、结构等物理属性间的内在关联及其形成机理，建立了相应的特征表征模型，并开展了理论仿真分析和模型实验验证研究。研究结果表明：体目标回波的脉冲包络起伏极值频率随入射声波的载频增加而增加，这体现了体目标的属性；BenchMark模型的回波脉冲包络起伏频率与目标方位角密切相关，其中艏艉方向最大，正横方位最小。

水中目标；目标回波；脉冲包络起伏

0 引 言

主动声纳是探测和感知水中物体或目标的重要手段，其对目标识别或判识的信息源来自目标散射波所携带的目标特征信息，其中目标外形、结构、尺度等目标本质属性信息是对主动声纳目标识别极为重要的目标特征信息，表征和提取与目标物理属性参数相关联的散射声信号特征一直是水中目标散射声信号分类识别研究的焦点。从通信论的观点可以认为，主动声纳发射的声脉冲信号经目标反射后产生回波，在入射声波与目标相互作用过程中，目标对入射声脉冲做了线性变换，即对入射声波进行了幅度和波形的变换[1]，导致目标回波信号的脉冲包络起伏。水中弹性目标声散射机理研究揭示了目标回波脉冲包络起伏与目标材质、结构、尺度等属性参数之间的机理关系[2-6]，目标几何散射波和弹性散射波共同叠加引起了入射声波脉冲包络的幅度起伏，因此目标回波脉冲包络起伏蕴含了目标属性参数的信息。已开展的大量研究采用回波亮点的数量、亮点的强度分布、亮点的间隔等参数对脉冲包络起伏进行时域特征表征和特征提取[7-9]，并针对水中复杂目标回波亮点特征的舷角变化特性，对目标回波亮点相对关系进行定量分析，建立了目标回波特征统计表征模型[10]，深化了目标回波脉冲包络起伏的特征表征和提取研究。目前有关复杂目标回波脉冲包络起伏的亮点特征研究大都是针对目标回波脉冲包络的时域波形结构特征，少有研究关注目标回波脉冲包络起伏的强弱、周期与目标属性参数之间的内在联系，以及载波频率对脉冲包络起伏的影响，而听觉感知试验研究也表明载波频率和脉冲包络起伏频率对听觉时间测检测能力具有重要影响[11]。已有研究表明水中简单实心圆柱目标的声环绕波在时域上存在周期性[2]，表现为目标回波包络的周期性起伏，回波包络起伏频率与圆柱的材质和圆柱的直径相关；周期性加隔板有限长圆柱壳中的周期性分布内部结构能够形成明显的几何声散射[12]，引起回波包络的周期性加强，这表明回波脉冲包络起伏的频率与目标结构参数存在内在的关联。本文针对与水中目标属性参数相关联的散射信号特征表征和提取问题，建立与目标外形、结构等属性参数相关联的目标回波脉冲包络起伏频域特征表征模型，海上实测研究验证了目标回波脉冲包络起伏特征对BenchMark模型和石头两类不同属性目标的回波特性表征效果。

1 目标回波脉冲包络起伏特征形成机理

水中简单弹性圆柱目标的散射声回波中存在周期性的环绕波[2]，平面波垂直入射到无限长圆柱激发的环绕波的周期为：

其中：Cph为弹性圆柱或圆柱壳中表面波的相速度，表征了目标的材质信息，a为圆柱的半径，表征了目标的尺度信息。

在斜入射情况下，圆柱表面可能激发起与柱轴成一定角度的倾斜传播的表面波。当圆柱足够长时，其表面可传播螺旋形环绕波，而螺旋环绕波的周期为：

其中：C为水中声速，β为声波入射角（即入射声线与柱轴夹角），α为螺旋角（即螺旋线与柱轴夹角）。简单目标的环绕波在时域的周期性引起了回波信号包络幅度的周期性起伏，这种特性可以用回波的脉冲包络起伏频率进行表征。回波脉冲包络起伏的频率由目标的材质、尺度等参数决定，回波包络起伏的强度与快慢（即频率）体现了弹性散射波与几何散射波的能量差异与不同类型表面波的到达时间差异，表征了目标属性参数信息。

水中复杂目标可以看作是各种简单目标的组合体，其回波信号中包含了几何反射波和各种类型的弹性波，各种性质的波在时域上的到达时间不同，目标回波亮点模型可以表征包含几何散射与弹性散射的复杂目标回波，即把镜反射波和环绕波等构成的弹性散射波统一看成是目标回波亮点，任何一个复杂目标都可以等效成由若干个散射亮点的组合。从信号包络起伏的角度来说，目标回波亮点体现为回波包络起伏的多个峰值点。基于亮点模型，目标回波信号可表示：

其中：y0（ t, θ）为传感器接收到的目标回波，x（t-τi）为经过τi延时的入射声波，ai（θ）为亮点强度系数，θ为目标与入射声波的夹角，b（）t为回波背景。

为简化推导流程，假设体目标的散射亮点等间隔分布，τi为第i个亮点与信号接收起点的时延差，具体如下：

其中：L为目标的纵向长度，N为亮点个数。设发射信号为：

其中：f0为起始频率，K为调频斜率。当K=0时，其为单频信号；当K≠0时，其为线性调频信号。

为简化起见，不考虑背景项，则该单频回波信号的复包络可表示如下：

由（8）式可知，该回波信号的包络表示为：

考虑回波信号包络起伏的周期性，则（9）式频域形式可表示如下：

为突出规律性，假设各亮点具有相同的散射强度特性，即ai（θ）=a（θ），则（10）式可改写为：

其中：

在（12）式中，当fτθ＝m（m=1,2,3,…）时，h（f, θ）可以取得最大值1，传感器接收到的目标回波形成相对峰值，形成所谓回波亮点。因此，（12）式清楚表明目标回波亮点形成主要由两个因素决定，即：载频f和目标最小亮点分辨间隔τθ。其中，发射信号的载频越大，目标回波亮点的分辨间隔越小，其能表征目标尺度的分辨率越高；当载频一定时，目标回波包络能够形成以最小亮点分辨间隔τθ为间隔的周期性多亮点幅度起伏，由于实际目标亮点散射强度并非完全相同，传感器接收到的回波信号亮点幅度起伏的差异则由体目标各散射部位实际散射强度特性决定。由此可知，对应（12）式中的回波周期性多亮点起伏，（11）式中必然存在线谱，而该线谱特性则表征了体目标的散射特性。

考虑BenchMark模型类纵向尺度大于横向尺度的体目标，由（12）式可知，当入射声信号的频率为f，目标回波亮点的分辨越小间隔为τ=，则不同舷角时的目标回波脉冲包络起伏最大频率可表示为：

θ其中：Nmax（θ）为不同舷角条件下的回波信号包络的最大起伏个数。

随着舷角的变化，理论上刚性BenchMark模型类目标回波调制频率的极值可表示如下：

其中：τs为脉冲宽度，d为目标的最大横向尺度。对于弹性目标，由于其存在弹性散射，其回波时域幅度起伏特征将随目标材料参数的变化而与刚性目标存在一定的差异。基于（11）～（15）式，采用散射场计算中最常用的标准BenchMark模型进行仿真，回波信号的频率为40-80 kHz，脉冲宽度为3 ms，设定亮点的幅度系数相同且等间隔分布。线性调频宽带信号和单频60kHz的目标回波时域幅度起伏频率的仿真结果如图1所示

图1 目标回波包络起伏频率随载频和方位角变化Fig.1 Frequency of echomagnitude fluctuation varying with carrier frequency and azimuth

结合理论和仿真结果表明：

（1）对于BenchMark模型类水中目标，其回波脉冲包络起伏频率随目标方位角变化，其中艏艉方向极值频率最大，正横方位包络起伏极值频率最小；

（2）回波包络起伏极值频率与入射声波的载频存在关联，随着载频增加，目标回波包络幅度起伏极值频率随之增加；

（3）当目标回波亮点周期分布且存在亮点强度差异时，目标回波包络频域将存在线谱特性，线谱频率由载频、亮点间距决定。

2 海上实验研究

为了验证仿真和理论分析中得出的水中目标回波脉冲包络起伏在频域所表现出的与入射声波的频率、目标方位角和目标属性参数之间的关系，在大连海域进行了以BenchMark缩比模型为被测水中目标的目标回波脉冲包络起伏特征海上测试实验。

2.1 实验条件

实验在水深30m的大连近海进行。图2为实验用的BenchMark模型照片，该模型长3m，按照1: 20的缩比尺度制作，材料为不锈钢。实验布放如图3所示，实验模型通过两根直径为7mm的软绳吊挂在模型转台上，通过转台的转动改变模型的舷角。作为声信号发射和接收用的收发合置换能器布放在距目标10.5m位置，满足远场要求。被测目标和测试湿端的布放深度为5m，发射波束开角中心对准模型位置固定不动。被测目标模型从艇艏开始旋转180°，数据采集采用连续记录的方式。发射信号分别为线性调频信号（20-40 kHz、40-80 kHz）和单频CW信号（30 kHz、60 kHz），信号的脉冲宽度分别为1ms和3ms两种。

图2 BenchMark缩比模型照片Fig.2 Image of scalled BenchMark submarinemodel

图3 实验设备布置示意图Fig.3 Configuration of sea testing

2.2 回波脉冲包络起伏特征提取

基于本文研究的目标回波幅度起伏特征理论模型，对BenchMark模型的散射实测数据进行分析处理。由于被测目标为连续旋转，数据采集采用连续记录的方式，为了能够将目标舷角与相应测试数据对应，在数据处理中实际数据的选取是根据旋转角度与采集数据的时间长度的对应关系进行截取。图4为目标回波脉冲包络起伏特征提取信号处理流程，具体为：

· 截取目标各舷角对应的回波数据，并进行带通滤波；

· 对回波数据进行包络提取，输出相应舷角的目标回波包络；

·对各舷角回波包络进行幅值规一化和低通滤波处理；

·对归一化的回波包络进行包络谱计算；

·得出目标回波脉冲包络起伏特征随舷角变化特性。

按照上述数据处理流程，对试验测量得到的不同参数条件下的BenchMark模型的回波信号进行处理，具体结果如图5～6所示。其中图5为BencheMark模型在线性调频信号20-40 kHz、40-80 kHz下的全方位回波脉冲包络起伏特征实测结果。图6为Benchmark模型在单频信号30 kHz、60 kHz下的全方位回波脉冲包络起伏特征实测结果。图中的黑色星号线为不同舷角的回波脉冲包络起伏频率最大值。

图4 回波脉冲包络起伏特征提取算法流程Fig.4 Procedure of extraction algorithm for echomagnitude fluctuation feature

图5 BenchMark模型线性调频信号全方位回波脉冲包络起伏特征Fig.5 Echomagnitude fluctuation feature of BenchMarkmodelwith LFM signal

图6 BenchMark模型单频信号全方位回波脉冲包络起伏特征Fig.6 Echomagnitude fluctuation feature of BenchMark modelwith CW signal

2.3实验结果的讨论与分析

（1）载波频率的影响

如图7所示，与理论分析结果一致，在线性调频信号和单频信号激励条件下，相同舷角目标回波的幅度起伏频率随入射声波载频的增加而增大。这主要是当入射波的频率增大时，目标回波亮点的分辨间隔越小，回波信号能够表征的目标部位散射分辨率越高，回波脉冲包络所包含的细小亮点个数随之增加，从而回波信号的脉冲包络起伏频率增高，显性表征了体目标外形、表面粗糙度等属性对散射信号的影响，是体目标的重要特征。需要指出的是相同脉宽的宽带信号和单频信号相比，宽带信号时间分辨能力更高，因此实际回波信号中，不同宽带载频信号的脉冲包络起伏频率变化比单频信号更显著。

图7 BenchMark模型不同载频信号全方位回波脉冲包络起伏特征对比Fig.7 Echomagnitude fluctuation feature of BenchMark modelwith different carrier frequency signal

（2）脉冲包络起伏频谱的线谱特性

图8为不同信号形式下BenchMark模型单一方位的回波脉冲包络起伏频谱，可以看出BenchMark模型的回波脉冲包络起伏频谱中存在线谱，与理论分析一致。其中图8（d）中尤为明显，这是由于目标散射体上的周期性分布结构引起的回波周期性调制，如BenchMark模型中存在等间隔分布的肋板。

（3）不同脉冲宽度的影响

如图9所示，在线性调频信号和单频信号激励条件下，回波的脉冲包络起伏频谱与入射信号的脉冲宽度相关，相同舷角目标回波脉冲包络起伏频率最大值随着脉冲宽度的增加而减小。这是由于入射波的脉冲宽度越窄，回波信号的能够表征的目标尺度分辨率越高，回波所能表征的目标部位散射特性越精细，从而回波信号的幅度起伏频率越高，这与理论分析一致。

图8 BenchMark模型回波脉冲包络起伏频谱的线谱特性Fig.8 Line spectra feature of echomagnitude fluctuation spectrum for BenchMark model

图9 BenchMark模型不同脉宽回波脉冲包络起伏特征对比Fig.9 Echomagnitude fluctuation feature of BenchMark modelwith different pulse length

（4）随方位的变化特性

如图7和图9所示，对于目标截面与纵向尺度之比小于1的水中目标，其回波脉冲包络起伏频率最大值随目标方位角变化，其中艏艉方向最大，正横方位频率最小。这是因为特定载频和脉冲宽度的入射声波的时间分辨力固定，在艏艉方位，目标亮点间的相对距离最大，表现为多亮点目标，其回波脉冲包络起伏频率大，而在正横方位，目标各部位回波几乎同时到达接收基阵，目标回波表现出的亮点数少，目标回波脉冲包络起伏频率低。但是在试验中，目标艏艉方向附近，其回波脉冲包络起伏频率有时较低，这是由于艏艉方向目标回波强度小，目标回波信噪比较低，导致在进行回波脉冲包络起伏频率特性求取时出现偏差。

（5）与礁石的对比

为了对比人造目标和石头目标的回波脉冲包络起伏特征，本文同时也测试分析了石头回波脉冲包络起伏特征，试验测量所用礁石的最大尺度为60 cm。由于礁石形状不规则，没有BenchMark模型舷角的概念，因此选定礁石某方位为起始角度，旋转180°测量回波数据，具体测量方法与BenchMark模型散射特性测量方法相同。测试实验的发射信号为40-80 kHz之间的线性调频信号，脉冲宽度为1ms。

图10为不同载波频率下的石头回波脉冲包络起伏频率最大值对比，与本文理论分析一致，石头回波脉冲包络起伏频率最大值也随入射信号的载频增加而增加，同时由于石头没有规则的几何外形，其回波脉冲包络起伏频率不随方位角改变而规律变化；图11是石头与BenchMark模型全方位回波脉冲包络起伏频谱对比，石头表面随机凹凸不平，其回波存在众多细小杂碎的亮点，BenchMark模型由于其外壳光滑，其回波能量主要体现在几个典型亮点上，因此石头相对于BenchMark模型，其回波脉冲包络起伏频率峰值比BenchMark模型的大，而BenchMark模型的回波脉冲包络起伏频谱能量主要集中在低频，这也是这两种不同属性目标的重要特征区别。

图10 石头不同频率LFM载频信号脉冲包络 起伏频率最大值对比 Fig.10 Maximum frequency comparison of LFM carrier frequency signals

图11 石头与模型LFM40-80 kHz载频信号 多脉冲包络起伏频谱对比Fig.11 Feature comparison of stone and BenchMark model in all directions

3 结 论

本文提出并研究了一种表征目标尺度、外形、结构等属性参数的回波脉冲包络起伏特征，分析了该特征与目标材质、结构等物理属性间的内在关联及其形成机理；基于水中目标回波亮点模型，建立了目标回波脉冲包络起伏特征的表征模型，揭示了入射声波频率与目标回波幅度起伏频率之间的关联关系，并开展了理论仿真分析和模型实验验证研究。理论和实验研究表明：

（1）目标回波信号幅度起伏特征能够综合表征目标尺度、外形、结构等属性参数对回波的影响；

（2）BenchMark模型存在显著的脉冲包络起伏线谱频率，并且目标回波的脉冲包络起伏频率与入射声波的载频、脉冲宽度有关，其中载频增加，回波包络起伏频率最大值随之增加；

（3）BenchMark模型的回波脉冲包络起伏频率随目标方位角变化而变化，其中艏艉方向最大，而正横方位则最小；

（4）礁石由于表面随机凹凸不平，回波存在众多细小杂碎的亮点，其回波脉冲包络起伏频率的最大值比BenchMark模型的大，而BenchMark模型表面光滑，其回波脉冲包络起伏频谱能量主要集中在低频。

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Echomagnitude fluctuation feature of underwater target

CHEN Yun-fei1,2,LISheng1,WANG Zhen-shan2,LIGui-juan2,GAO Feng2
(1.School of Naval Architecture,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 2.Science and Technology on Underwater Testand Control Laboratory,Dalian 116013,China)

Echo signal of underwater target is the incident signalmodulated bymaterial,structure and shape parameters.How to extract the parameters of physical characteristic from the scattering signal is the focus of identifying underwater target.In this paper,themechanism amongmaterial,structure parameters of target and echo envelope fluctuation of scattering signal is analyzed.And the echo envelope fluctuation feature of underwater target scattering signal is put forward from the standpointof echo signal characteristic application.Combined with theoretical derivation,themechanism and description of echo envelope fluctuation feature of underwater complex target scattering signal is presented.Sea experiments results demonstrate the frequency of echomagnitude fluctuation varyingwith carrier frequency and azimuth.

underwater target;echo;envelope fluctuation feature

TB566

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2017.02.012

2016-09-26

水下测控技术重点实验室基金（9140C260201130C26096）

陈云飞（1978-），男，博士研究生，研究员，E-mail:yunfeichen@163.com；

黎 胜（1973-），男，教授，博士生导师。

1007-7294（2017）02-0218-10