逆合成孔径成像在鱼雷真假目标识别中的应用及展望

何心怡,高 贺,卢 军,程善政

(海军装备研究院,北京,100161)

逆合成孔径成像在鱼雷真假目标识别中的应用及展望

何心怡,高 贺,卢 军,程善政

(海军装备研究院,北京,100161)

针对逆合成孔径成像在鱼雷真假目标识别中的应用问题,分析了鱼雷作战时面对的水声对抗环境以及逆合成孔径成像机理及其应用于鱼雷真假目标识别领域的相关因素,包括分辨率、距离走动、多普勒走动、鱼雷航速和声学图像识别,并探讨了逆合成孔径成像在鱼雷真假目标识别领域的后续研究重点,为该技术在鱼雷上的工程应用提供参考。

鱼雷; 逆合成孔径成像; 声自导系统; 真假目标识别

0 引言

作为水面舰艇、潜艇与航空反潜平台重要武器的鱼雷,是作战平台实施反舰、反潜作战的利器。鱼雷攻击时,特别是在实施反潜攻击时,面临的作战环境非常复杂,此时战场环境必将充斥着各种类型的大量水声对抗装备,包括干扰器、自航式声诱饵、悬浮式声诱饵等等,特别是具有尺度目标模拟能力的自航式声诱饵,其独特的“战场混淆器”效用,对鱼雷声自导识别目标真伪带来严峻挑战。唯有进一步提高鱼雷自导性能,特别是提高真假目标识别能力,才能在未来反潜战中充分发挥出鱼雷的综合性能与应有的作战效能,才能在未来复杂的战场环境中有效打击目标。

基于声学成像的真假目标识别技术,是鱼雷真假目标识别技术的重要发展方向[1]。其中,基于逆合成孔径成像的真假目标识别技术从机理而言,适用于鱼雷在低速航行状态下辨别目标的真伪[2-3],具有清晰的应用前景与较高的实战价值。根据收集到的公开资料,唐劲松[4]在国内率先开展了水中逆合成孔径成像技术研究; 许稼较为系统地研究了中远距离水中目标成像理论与应用[2],包括合成孔径成像、逆合成孔径成像、宽带相关成像,并研究提出了基于卷积-逆投影法逆合成孔径声呐成像算法[5]、基于时频分析的逆合成孔径声呐的距离-瞬时多普勒成像方法[6]; 何心怡[3]等对逆合成孔径成像技术在鱼雷声自导中的应用方向、研究重点等进行了系统探讨与初步规划;刘丹丹[7]、徐国军[8-10]、钱刚[11]、何心怡[12-13]还分别研究提出了多种水中目标逆合成孔径成像算法与运动补偿算法。

鉴于此,文中系统梳理了鱼雷作战时面对的水声对抗环境、逆合成孔径成像机理及其在鱼雷真假目标识别领域的相关要素以及后续研究重点,拟借此推动逆合成孔径成像技术在鱼雷声自导中的应用研究。

1 鱼雷作战时面对的水声对抗环境

鱼雷反潜攻击时通常采用主动声自导方式对目标进行探测(因此文中主要阐述逆合成孔径成像在鱼雷主动声自导中的应用研究),面对的水声对抗环境主要是潜艇施放的各类潜用水声对抗装备,主要包括气幕弹、声干扰器、悬浮式声诱饵、自航式声诱饵等,各类水声对抗装备的对抗机理如下[14]。

气幕弹主要通过化学方法在水中产生大量不溶或难溶于水、大小不同的气泡,这些气泡漂浮在水中形成“气泡幕”,以吸收与散射鱼雷主动声自导发射的主动声脉冲信号,并给鱼雷主动声自导“制造”一个固定的假目标; 同时,位于被掩护潜艇与鱼雷之间的气泡幕,一定程度上也屏蔽了被掩护潜艇的辐射噪声。

声干扰器由潜艇发射后,悬浮在水中某一深度,通过电子方法生成宽带大功率噪声信号向外辐射,在鱼雷主动声自导工作频段内产生强噪声对鱼雷主动声自导进行干扰,相当于增大了鱼雷主动声自导的背景干扰场,缩短鱼雷主动声自导的作用距离。

悬浮式声诱饵由潜艇发射后,悬浮在水中某一深度或在水中某一深度范围缓慢垂直运动,通过向外辐射发射艇辐射噪声样本或潜艇模拟辐射噪声实现对发射艇辐射噪声特性的模拟; 通过检测、应答声呐或声自导鱼雷发射的主动声脉冲信号实现对发射艇声反射特性的模拟。在应答时,悬浮式声诱饵通常在模拟回波中叠加固定的多普勒频移信息。

自航式声诱饵由潜艇发射后,其模拟潜艇辐射噪声特性和声反射特性的技术途径与悬浮式声诱饵类似,主要区别在于: 1) 自航式声诱饵通过自身的机动(包括航速、航深、航向等)实现对潜艇机动特性和多普勒频移特性的模拟; 2) 可拖曳携带多个发射换能器的线列阵,实现在鱼雷主动声自导频段对潜艇尺度目标特性的模拟; 3) 可实现对潜艇磁异常特性的模拟。

纵观各类水声对抗装备的对抗机理,能发现:1) 气幕弹生成的“气泡幕”所产生的反射回波不但没有多普勒特性,而且也没有强的反射亮点,鱼雷主动声自导可据此较容易将此类目标作为假目标剔除; 2) 声干扰器的主要作用是增大鱼雷主动声自导的背景干扰场,可通过改进鱼雷主动声自导的信号处理算法,进一步提高鱼雷主动声自导的检测能力,以更好地实现抑制声干扰器的对抗效能; 3) 悬浮式声诱饵最多仅具有垂直深度上的缓慢机动能力,不具备潜艇水平机动特性的模拟能力,其模拟回波所包含的多普勒特性与悬浮式声诱饵的实际机动特性不相符,鱼雷主动声自导也可据此较容易将此类目标作为假目标剔除; 4) 自航式声诱饵可较逼真地模拟潜艇机动特性、辐射噪声特性、声反射特性,有的还可模拟潜艇尺度目标特性、磁异常特性,其模拟的目标回波在时域、频域、空域均与实际潜艇回波较为接近,具有较强的“战场混淆”能力,鱼雷声自导很容易将自航式声诱饵辨识为真实目标。

综上分析,在未来反潜战中,为有效应对各种潜用水声对抗装备,特别是面对具有尺度目标模拟能力自航式声诱饵的挑战,要求鱼雷主动声自导应着力提高其真假目标识别能力,重点提升其辨识自航式声诱饵的能力。

2 逆合成孔径成像机理

水中目标逆合成孔径成像技术属声学成像技术,它一方面通过发射具有较高距离分辨率的宽带信号进行目标探测,进而获取高分辨的目标距离像; 另一方面利用目标的相对旋转运动通过对多个目标回波的相参积累与多普勒分析获得较高的方位分辨率,即获取高分辨的目标方位像,进而实现对目标进行声学成像[1-4]。逆合成孔径成像的典型成像场景是“成像平台静止、目标运动”,由于成像平台的自身运动是已知、可进行抵消的,因此,逆合成孔径成像适用于“成像平台运动、目标运动”的场景,适用于鱼雷主动声自导。

下面从成像分辨率、成像过程2个方面重点分析逆合成孔径成像的机理。

2.1 成像分辨率分析

从距离分辨率与方位分辨率2方面考察逆合成孔径成像。

逆合成孔径成像所获得的距离分辨率

式中:c是水中声速;B为鱼雷主动声自导发射的主动声脉冲信号带宽。

由式(1)可知,距离分辨率取决于主动声脉冲信号带宽。因此,针对鱼雷反潜攻击需求,根据真假目标识别所要辨析的目标尺度,选择适宜的鱼雷主动声脉冲信号带宽,即可满足逆合成孔径成像所需。

逆合成孔径成像所获得的方位分辨率

式中: Δθ指在逆合成孔径成像的观测时间内,被成像目标旋转角度的总和;为鱼雷主动声脉冲信号中心频率对应的波长。

由式(2)可知,对于鱼雷主动声自导,只需要很小的目标转角就可通过逆合成孔径成像获得较高的方位分辨率。

综合分析式(1)和式(2)可知,对于鱼雷主动声自导,根据其真假目标识别能力需求,通过设计适宜的主动声脉冲信号带宽与成像所用的观测时间,并辅以科学合理的鱼雷真假目标识别弹道,那么目标只要有很小的旋转角度即可通过逆合成孔径成像获得较高的距离分辨率与方位分辨率。

2.2 成像过程分析

在鱼雷主动声自导应用场景中,逆合成孔径成像是利用目标的相对运动进行成像。以鱼雷为基准点,目标的相对运动可分解为圆周运动与旋转运动。如图1所示,目标从A点到B点的相对运动,可等效为目标先从A点移动到C点,然后再旋转角运动到B点,此时,对逆合成孔径成像有贡献的是从C点到B点的旋转运动[2-3]。

图1 目标相对运动分解示意图Fig.1 Schematic of relative motion decomposition of atarget

因此,逆合成孔径成像过程主要包括:

1) 补偿掉目标相对于鱼雷的平移运动,即将目标补偿为绕某个旋转轴旋转的目标,此时目标等效为旋转体目标;

2) 根据目标转动的角度与目标尺度,采用合适的成像算法对等效后的旋转体目标回波进行声学图像重构,进而得到目标的声学像。

首先介绍运动补偿,设某次目标回波

式中:a(t)为目标回波的复包络;f0为中心频率。

将目标回波延迟时间

将延迟后的目标回波去除载频即可得到时延处理后的目标回波复包络

由式(5)可知,逆合成孔径成像的运动补偿可分为2步:

1) 粗补偿,针对目标回波的复包络a(t-)τ,在时延轴上进行平移对准,也就是说对齐目标回波的包络,即由式(4)对应的处理过程来实现;

2) 精补偿,针对目标回波的初始相位2πf0进行校准,即由式(5)对应的处理过程来实现。经过粗补偿与精补偿后,即可将目标等效为绕某个旋转轴旋转的旋转体目标。

再次,进行成像处理,即利用运动补偿后的目标回波重构目标的声学像。目前常用的逆合成孔径成像方法有: 卷积反投影成像算法[5,7]、距离-多普勒成像算法[8-9]、极坐标格式成像算法[10]、距离-瞬时多普勒成像算法[6,11]、频域反向投影成像算法[12]以及等效圆周合成孔径算法[12]等。各种成像算法均有其特点。

3 逆合成孔径成像应用于鱼雷真假目标识别领域的要素分析

鱼雷最高航速大多在 40 kn以上,速制包括单速制、双速制、多速制与无级速制。被鱼雷攻击的潜艇目标,水下巡航速度通常在 4～8 kn,最大隐蔽航速(指潜艇在水下逃逸时其螺旋桨不空化时的最大航速)通常为十几节。鱼雷对目标进行真假识别时,雷目距离通常处于1 km左右,此时,鱼雷大多处于尾追攻击态势。因此,将逆合成孔径成像应用于鱼雷真假目标识别领域,需要重点考虑以下要素: 分辨率、距离走动与多普勒走动、鱼雷航速和声学图像识别等。

3.1 分辨率需求分析

对于鱼雷真假目标识别,近期急需重点辨识的目标是潜用自航式声诱饵与潜艇。潜用自航式声诱饵直径从约100 mm、长1 m多至直径约500 mm、长数米不等,而潜艇长度在数十米以上、宽度与高度也在数米以上,因此可知:

1) 逆合成孔径成像选用的主动声脉冲信号带宽应足以分辨出潜用自航式声诱饵。由式(1)可知,若主动声脉冲信号带宽为5 kHz,则距离分辨率即可达到15 cm,满足对潜用自航式声诱饵的辨识需要;

2) 逆合成孔径成像的方位分辨率取决于目标的旋转角度。理论上,只要目标有很小的旋转角度就可实现较高的方位分辨率,如中心频率为30 kHz的发射信号,当目标旋转角度为0.05 rad时,即可实现 0.5 m的方位分辨率。但由于目标运动是非合作的,因此,采用逆合成孔径成像进行真假目标识别时,应专门设计鱼雷真假目标识别弹道,根据鱼雷主动声自导测得的目标距离、方位和航速,鱼雷按真假目标识别弹道运动,等效实现较大的目标旋转角度,满足目标声学成像对较高的方位分辨率的需求。

3.2 距离走动与多普勒走动分析

如果在逆合成孔径成像的观测时间内,目标产生的距离走动和多普勒走动应不大于对应的分辨率[9],否则将产生成像模糊。

为防止出现成像模糊,在逆合成孔径成像观测时间内(取决于相参积累时所利用的目标回波的个数与探测重复周期),距离走动与多普勒走动的约束条件如下[9]

式中:X和Y分别为目标的最大纵向直径与最大横向直径。

由式(6)和式(7)可知,为防止逆合成孔径成像时的距离及多普勒走动,应设计合理的鱼雷声自导的主动声脉冲信号的中心频率、带宽以及成像观测时间等。

3.3 鱼雷航速

实施逆合成孔径成像时,要将鱼雷等效为静止的成像平台,因此,针对鱼雷主动声自导对逆合成孔径成像的实际应用,应根据运动相对性原理将鱼雷的运动分量等效迭加到目标的运动中,即鱼雷运动最终将合成于目标航速之中。如果鱼雷航速过快,可能因多个目标回波之间的去相关而导致无法有效实施声学成像。因此,为避免出现距离走动与多普勒走动,采用逆合成孔径成像对目标进行真假识别时,应限制鱼雷的航速并对鱼雷弹道进行合理设计。

3.4 声学图像识别

通过逆合成孔径成像获得目标的声学图像后,应根据图像识别技术辨识目标的真伪,即通过图像识别算法识别声学图像,进而分辨出目标是潜艇还是水声对抗装备。关于声学图像识别,一方面应通过鱼雷实航试验大量获取不同鱼雷航速、不同目标舷角时,潜艇、水声对抗装备的声学图像样本,为寻求正确高效的图像识别算法准备充足的输入样本; 另一方面在借鉴其他图像识别领域行之有效的图像识别算法的同时,应高度关注海洋中非等声速水文条件下声线弯曲现象对声学成像、以及声学图像识别的影响。

关于非等声速水文条件对声学图像识别的影响,可能的解决方法有: 1) 研究寻求对水文条件较为稳健的图像识别算法,提高图像识别的正确率; 2) 根据鱼雷攻击时的水文条件寻求发展相应的声学图像补偿算法。

4 后续研究重点

与雷达成像相比较,逆合成孔径成像在鱼雷声自导中实现的主要困难在于水声传播的低速性和水声信道起伏对成像的影响。因此,开展逆合成孔径成像在鱼雷声自导中的应用研究,应将克服上述因素的影响作为后续研究重点,主要包括:

1) 克服水声传播的低速性对逆合成孔径成像的影响。众所周知,雷达波传播速度是300 000 km/s,而声波在水中的传播速度约是1 500 m/s。在这种情况下,对水中目标进行逆合成孔径成像不能忽略潜艇等目标的运动速度,防止出现距离走动与多普勒走动的异常情况。因此,应通过鱼雷声自导系统设计、鱼雷真假目标识别弹道设计与成像算法3个途径加以解决,包括鱼雷主动声脉冲信号带宽设计、成像观察时间设计、成像算法以及鱼雷实施真假目标识别时的航速与弹道等等;

2) 水声信道起伏、声线弯曲对于逆合成孔径成像质量有明显影响,为此,一方面应加强在复杂水声环境中有关逆合成孔径成像运动补偿技术研究,另一方面可借鉴雷达成像领域的相关成果研究如何更好地克服信道起伏影响[15-16];

3) 开展逆合成孔径成像技术在鱼雷上应用的实航验证研究。目前,国内相关研究人员在水中目标逆合成孔径成像的理论与仿真研究已达到一定深度,后续迫切需要开展相关实航试验,依托实航试验数据寻求工程化价值高的逆合成孔径成像算法和运动补偿算法;

4) 面对复杂的水下战场环境,没有哪一种鱼雷真假目标识别技术是万能的。因此,在开展基于逆合成孔径成像的真假目标识别技术研究的同时,应同步开展多种真假目标识别技术的综合应用研究,以期更好地提高鱼雷真假目标识别能力。

5 结束语

针对复杂水下战场环境对鱼雷真假目标识别能力需求,文中系统分析了鱼雷作战时面对的水声对抗环境、逆合成孔径成像机理及其应用于鱼雷真假目标识别领域的相关要素与后续研究重点。鉴于后续要开展大量的鱼雷实航试验验证,因此,应根据实航试验情况回馈,进一步深入审视逆合成孔径成像在鱼雷中的应用研究,进而为推动鱼雷水声对抗能力的快速提高提供有力支撑。

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Application and Prospect of Inverse Synthetic Aperture Imaging Technology for Torpedo′s True/False Target Identification

HE Xin-yi,GAO He,LU Jun,CHENG Shan-zheng
(Naval Academy of Armament,Beijing 100161,China)

Aiming at the application of inverse synthetic aperture imaging technology to torpedo′s true/false target identification,the undersea acoustic countermeasure environment for torpedo operation,the imaging mechanism of inverse synthetic aperture,and some correlation factors with torpedo′s true/false target identification are analyzed,including resolution,range walk,Doppler walk,speed of torpedo,and acoustic image recognition. The further research topics on application of inverse synthetic aperture imaging technology to torpedo′s true/false target identification are discussed. This study may provide a reference for the engineering application of a torpedo.

torpedo; inverse synthetic aperture imaging; acoustic homing system; true/false target identification

TJ630.3; TN973.3

A

2096-3920(2017)03-0226-05

【编者按】对中远距离水中目标的真假识别是鱼雷、攻击型无人水下航行器等装备的研究热点,而基于逆合成孔径声学成像的真假目标识别技术是一种在中远程距离上,适用于鱼雷主动声自导,具有较好发展潜力的真假目标识别技术。美国在20世纪90年代就开展了逆合成孔径成像在水声中的应用研究,但由于该研究领域军事意义显著,许多研究成果仍处于保密状态。自 20世纪 90年代后期,国内学者也开展了该领域的相关研究工作,目前的研究成果主要集中在水中目标逆合成孔径成像算法方面。本文作者在国家自然科学基金资助项目的支撑下,系统研究了逆合成孔径成像技术在鱼雷主动声自导中的应用原理、系统设计、成像算法和运动补偿算法等,为该技术在鱼雷上的工程应用提供了理论依据。受本刊邀请,作者简明扼要地介绍了其主要研究成果,文中内容对鱼雷真假目标识别研究领域具有较强的牵引作用与借鉴价值。

何心怡,高贺,卢军,等. 逆合成孔径成像在鱼雷真假目标识别中的应用及展望[J]. 水下无人系统学报,2017,25(3): 226-230.

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.03.002

2017-03-13;

2017-05-09.

国家自然科学基金项目资助(60902071).

何心怡(1976-),男,博士,高级工程师,主要从事水中兵器论证与研究工作.

(责任编辑: 杨力军)