基于线性调频(LFM)信号的单体鱼类目标回波识别与性能分析

汤涛林，吴陈波，李国栋，刘 晃

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092；2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室深蓝渔业工程联合实验室,山东 青岛 266000)

在鱼类目标强度估计时，需要选择单体的回波信号进行计算，排除由多个目标干涉形成的回波。在鱼群密度很低的理想情况下，单体回波可以在距离上分割，单体识别很容易实现[1]。但实际上，即使鱼群密度较低，鱼也不一定均匀分布，可能在某个区域内密度较高[2]而形成回波叠加。多个目标形成的干涉回波会对目标强度估计精度造成很大的影响[3]，这就需要研究具有良好性能的单体目标识别算法。

Foote等[4]提出了用回波幅度范围和回波脉宽范围作为单体回波的区分标准，但不同单体间的回波幅度和尺度差异很大，不能做严格的控制，因此该方法性能有限。Soule等[5]提出使用回波内的相位变化作为单体信号的一个区分标准，后经试验表明，该方法大大提高了单体识别的性能，并一直沿用至今。2015年SIMRAD公司向外发布新型的宽带科学探鱼仪EK80，以取代传统的窄带探鱼仪EK60。EK80使用的是线性调频信号(LFM)[6]，相比窄带探鱼仪性能有很大提升[7]。由于LFM信号的频率是时变的，传统的基于相位标准差的单体识别方法不再适用。目前，宽带信号下的单体识别方法和性能研究尚未见文献报道。

本研究分析了宽带信号下的单体识别标准，通过构建一个试验平台，在消声水池内对宽带信号下的单体识别方法和识别性能进行测试和验证。

1 材料与方法

1.1 宽带探测信号

传统探鱼仪使用单频窄脉冲信号(CW)作为探测信号，而宽带探鱼仪一般使用线性调频信号(LFM信号，也称Chirp信号)作为探测信号，LFM信号的解析表示为：

(1)

1.2 幅度筛选

使用经验数据或者模型计算可以确定不同单体目标强度范围[8]，对补偿后的回波进行幅度筛选可以快速排除不是单体的目标。单体鱼的目标强度很低[9]，在其他用途的声呐中，一般都是作为噪声处理，而对探鱼仪是重要的信号。相比窄带探鱼仪，宽带探鱼仪性能有很大提升，重要的一点是得益于匹配滤波，在白噪声条件下，匹配滤波可以使输出信噪比达到最大[10]，是从噪声中提取有用信号的有效方法，非常适合单体这类弱信号的检测，可显著提升探鱼仪的探测能力[11]。

为了避免入射角引起的目标强度变化，单体目标强度测量都采用垂直探测方式[12]，其探测能力会受到体积混响的影响。由于海水中的体积混响与脉冲宽度成正比[13]，因此匹配滤波压缩脉冲后探鱼仪的抗混响能力也有提高。

匹配滤波器的时域冲激响应为：h(t)=s*(-t)，LFM信号通过该滤波器后的输出为：

(2)

当t=0时，匹配滤波器输出达到峰值。可以证明，匹配滤波后输出信噪比与输入信噪比之比为2 Bt，因此，使用匹配滤波后的峰值进行幅度筛选可以获得更好的性能。

鱼的目标强度与鱼鳔的大小、鱼鳔的形状、鱼体的体长及声波入射角[15]等很多因素相关，通过幅度筛选能够提供的区分能力非常有限，需要做进一步处理。

1.3 距离分辨

在幅度筛选的基础上排除距离过近的目标。由于单体鱼反射尺度较小，忽略回波展宽，探鱼仪的最小可分辨距离ΔR=cτ/2，其中，c为水中声速，τ为发射脉宽，一般以信号包络的半功率点作为脉宽的起始和结束位置。例如，选取1 ms发射脉宽时，距离分辨率约为750 mm，当两条鱼的距离小于750 mm时，回波会发生重叠。窄带单体识别时可以通过设置一定的接收脉冲宽度作为条件，排除重叠信号。

由声呐方程可知，探鱼仪的作用距离和发射脉宽成正比，窄带信号随发射脉宽增加，距离分辨力会下降。在宽脉冲内加载线性调频LFM信号，可以在大时宽的前提下扩展信号的带宽。LFM信号通过匹配滤波器后脉宽与带宽成反比，这样既可以达到宽脉冲的检测能力，又保持了窄脉冲的距离分辨力，在有限峰值功率条件下，有效地解决了探测距离和距离分辨力的矛盾。提高距离分辨力有利于在距离上区分单体，在鱼群密度较高时，也能获得较为准确的单体目标强度估计[16]。

宽带LFM信号，取匹配滤波输出s0(t)的近似包络[17]可以得到：

(3)

1.4 区分重叠回波

1.5 角度估计

角度估计是分裂波束探鱼仪的核心功能。对于窄带分裂波束探鱼仪，目标方位角一般通过到达各子阵信号的相位差解算，在信噪比高的条件下，一些窄带超分辨率算法还可以突破瑞利限，但在宽带信号下，这些方法无法使用或者性能下降。宽带分裂波束探鱼仪，一般通过时延估计来求波达方向[22]。本研究中采用了广义互相关(GCC)[23]做时延估计：

(4)

(5)

(6)

1.6 试验设计

为了验证单体识别方法和性能，搭建了试验平台，主要配置见表1。板卡间使用硬件同步，软件为使用Intel math kernel library开发的专用程序，包括收发控制、数字下变频、匹配滤波、波达方向估计、数据存盘导出等功能。

表1 试验平台主要配置

试验在中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所的消声水池内进行，水池深度6 m，水温13℃，声速约为1 460 m/s[28]。使用直径36 mm的碳化钨合金球对平台的相位一致性和幅度一致性进行校准[29-30]，各试验换能器和目标球布置如图2所示。

图2 换能器和目标球相对位置

2 结果与分析

2.1 距离分辨测试

距离分辨测试中使用了带宽30 kHz，脉宽0.3 ms的线性调频信号，未压缩距离分辨率220 mm，压缩后距离分辨率25 mm。使用2个36 mm合金球沿声轴方向吊放并不断靠近，观察未压缩和脉冲压缩后的目标分辨效果，结果如图3所示。在距离270 mm时，未做脉冲压缩的两个回波也能区分出两个目标；当距离靠近到195 mm时，两个回波开始重叠，回波脉冲宽度约为400 mm，大于单体的脉冲宽度，因此可以通过脉冲宽度筛选来拒绝此类信号；当距离靠近到50 mm时，信号基本重叠，无法通过回波脉冲宽度进行区分，但仍可以通过脉冲压缩后的数据进行区分。试验结果和理论计算值符合。

图3 两目标球不同间距回波及脉冲压缩结果

2.2 角度估计

在换能器横向方向不同位置吊放直径36 mm的目标球，已知换能器子阵间距约76 mm，目标球深度4.35 m。当目标球角度θ=3.41°时，由于目标到横向两子阵的声程差，可以看到接收信号存在时延(图4a)。使用宽度为93 mm的滑动窗，短时角度估计如图4b所示，由于目标球不是理想的点目标，具有一定尺度，因此可以看到其回波内的角度均匀变化，变化幅度约0.5°。

图4 目标方位角3.41°时子阵接收信号和短时方位角估计

试验共测试了6组数据，由于目标距离换能器较近，使用球面波计算目标声程差和真实角度。角度估计、角度估计误差及短时角度标准差见表2，其中最大估计误差-0.06°。

2.3 相同距离重叠回波区分

在换能器横向方向相同距离上对称放置2个目标球，调整小球位置让回波基本重叠，改变目标球距离D，观察回波内角度变化。当两目标球距离D= 276 mm时，其回波信号与角度变化如图5所示，干涉造成了回波内部的角度大幅抖动。

图5 间隔276 mm两目标球回波及回波内角度变化

共测试了3组数据：小球间距D=276 mm，重叠回波内角度标准差θdev=18.59°;D=426 mm，回波角度标准差θdev=41.42°;D=620 mm，回波内角度标准差θdev=47.93°。3组数据中最小角度标准差为18.59°。对照之前单体回波内角度标准差最大值为0.16°，两者区别明显。

3 结论

相比窄带探鱼仪，宽带探鱼仪有更强的弱信号检测能力，更高的距离分辨力，单体鱼类信号分辨力提高。宽带信号下，基于回波内相位标准差的单体识别方法不再适用，对于空间上无法分割的重叠回波，利用回波内角度标准差能获得较好的拒绝性能。宽带信号探测带来更丰富的水下信息，使得更高精度的资源估计、种类识别等应用成为可能，具有巨大的优势和发展前景。

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