水下目標(biāo)聲學(xué)探測識別初步實驗研究

秦華偉，范相會，胡杭民，楊宏升

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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水下目標(biāo)聲學(xué)探測識別初步實驗研究

秦華偉，范相會，胡杭民，楊宏升

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

摘要：介紹了水下目標(biāo)三維成像技術(shù)及基本原理，根據(jù)目標(biāo)回波亮點(diǎn)模型，設(shè)計出線性換能器陣列系統(tǒng)；該系統(tǒng)發(fā)射一次聲波就可以獲取包含水下目標(biāo)信息的一系列二維回波信號，再由計算機(jī)處理回波信號合成目標(biāo)的三維聲學(xué)圖像.其次，分析了剛性目標(biāo)和柔性目標(biāo)的回波散射強(qiáng)度的差別.實驗結(jié)果表明，目標(biāo)回波亮點(diǎn)模型在實際應(yīng)用中切實可行，為聲納目標(biāo)識別等方面的研究提供支持.

關(guān)鍵詞：水下目標(biāo)；聲學(xué)探測；回波亮點(diǎn)；回波強(qiáng)度

0引言

聲吶探測技術(shù)是人類探測海洋的主要手段，水下目標(biāo)的三維聲成像技術(shù)在水下目標(biāo)的探測、識別等方面有重要的意義.聲成像技術(shù)的主要原理是利用發(fā)射換能器發(fā)射聲波，再由接收換能器接收回波信號，所接收到的回波攜帶有水下目標(biāo)的信息，通過計算機(jī)對聲波信號的處理合成目標(biāo)的二維或多維圖像[1].

目前水下目標(biāo)探測中普遍使用的聲吶系統(tǒng)主要是側(cè)掃聲吶和扇掃聲吶.側(cè)掃聲吶的換能器基陣一般安裝在水下拖體的兩側(cè)，波束發(fā)射方向與艦船行進(jìn)方向垂直；通過拖體的前進(jìn)合成二維面陣，再由二維面陣的數(shù)據(jù)合成水下目標(biāo)的三維圖像.扇掃聲吶直接采用二維聲吶基陣，在水下空間的3個方向X，Y，Z上直接獲得分辨力；三維成像聲吶的典型代表當(dāng)屬歐洲共同體和挪威共同研發(fā)的Echoscope系列聲吶[2].Echoscope聲吶采用了平面基陣聲吶，因此陣元數(shù)和相應(yīng)的電子通道數(shù)大大增加；每發(fā)射一次聲波，根據(jù)接收到的回波信號可得到水下目標(biāo)在垂直和水平方向上的聲學(xué)特征信息，再由相關(guān)計算機(jī)軟件進(jìn)行三維模型重建，得到水下目標(biāo)的三維聲學(xué)模型[3].

本文采用基于亮點(diǎn)模型的典型水下目標(biāo)的回波信號成像方法，對剛性鐵球和柔性氣球進(jìn)行聲學(xué)探測識別，并且對比了剛性物體和柔性物體回波強(qiáng)度的差異，為水下目標(biāo)聲學(xué)成像、目標(biāo)識別等方面的研究提供思路和方法.

1水下目標(biāo)回波亮點(diǎn)模型

1.1水下目標(biāo)回波

當(dāng)超聲波在傳播過程中碰到障礙物時，會在障礙物的表面激發(fā)出次級聲源，并向周圍進(jìn)行散射[4].對于形狀規(guī)則的球形物體，由于發(fā)射的聲波是小振幅波，所以接收到的聲學(xué)回波信號服從線性聲學(xué)規(guī)律；因此，可以把水下目標(biāo)等效為一個線性不變系統(tǒng)，回波信號就是目標(biāo)對入射聲波信號的響應(yīng).目標(biāo)回波是入射聲波與目標(biāo)相互作用的結(jié)果，在相互作用的過程中，目標(biāo)物體本身的相關(guān)聲學(xué)特征信息也會反應(yīng)在聲學(xué)回波信號上[5].因此，對水下目標(biāo)的聲學(xué)回波信號進(jìn)行一些分析和處理，可以提取出水下目標(biāo)的聲學(xué)特征信息.

1.2目標(biāo)回波亮點(diǎn)函數(shù)模型

亮點(diǎn)間的相對位置關(guān)系是一個固定的比例關(guān)系，表征了目標(biāo)的形狀信息，因此其可以作為目標(biāo)識別的重要參數(shù)之一[6].

目標(biāo)回波與目標(biāo)的固有震動特性和入射聲波的特性有關(guān)[7].單個亮點(diǎn)的目標(biāo)傳遞函數(shù)可以表示為[8]：

(1)

由線性迭加原理可知，水下目標(biāo)亮點(diǎn)模型可以等效成多個亮點(diǎn)的迭加，因此，總的傳遞函數(shù)關(guān)系式可以表示成：

(2)

其中，N為等效的亮點(diǎn)總數(shù)，目標(biāo)模型就是由一組不同方位上的Am，τm，φm(m=1，2，…，N)3個參數(shù)組成.

2目標(biāo)識別實驗

2.1剛性球體目標(biāo)識別

實驗在室溫為23 ℃的大水箱里進(jìn)行，實驗原理如圖1所示.目標(biāo)圓球為鐵球，由5個換能器組成的線性換能器陣列正對目標(biāo)圓球，以圓球為中心，繞圓球1周進(jìn)行回波探測實驗.實驗發(fā)射的信號為200～300kHz寬帶線性調(diào)頻信號，波形選擇為正弦脈沖波，脈沖長度為10個周期，脈沖間隔為10ms.接收換能器接收到的回波波形如圖2所示.波形較大的連續(xù)10個周期波形為目標(biāo)圓球的回波，回波的聲壓幅值為5mV左右，且回波信號較為明顯.

圖1　實驗原理圖

圖2　鐵球回波信號

從圖2可以看出目標(biāo)回波時延τ，由目標(biāo)回波時延和超聲波在水中聲速v可以計算出目標(biāo)相對換能器的位置D=v τ/2.根據(jù)實驗結(jié)果得到的剛性鐵球側(cè)面目標(biāo)回波散點(diǎn)如圖3所示，20個目標(biāo)散點(diǎn)反應(yīng)了鐵球的側(cè)面輪廓.繞鐵球1周采集的回波散點(diǎn)經(jīng)過處理后形成鐵球的三維散點(diǎn)圖如圖4所示.對鐵球的三維散點(diǎn)進(jìn)行擬合得到的球體方程如下：

(x-0.546)2+(y-0.523)2+(z-0.477)2=100.835.

(3)

圖3　鐵球側(cè)面回波散點(diǎn)圖

圖4　鐵球三維回波散點(diǎn)圖

剛性小球的直徑為10cm，根據(jù)小球的三維散點(diǎn)擬合結(jié)果，對小球的球心定位誤差為0.49%，球面采樣點(diǎn)平均誤差為0.83%.

2.2柔性氣球輪廓識別

柔性氣球的輪廓識別實驗方案和剛性鐵球的實驗方案一樣，由5個換能器組成的線性陣列繞氣球1周進(jìn)行回波探測.接收換能器接收到氣球回波信號如圖5所示.從圖5中可以明顯地看出，氣球的回波有2個波形，這是由于氣球表面相對于鐵球是柔性表面，頻率較高的超聲波一部分被氣球的前表面反射，另一部分穿過氣球前表面后被氣球的后表面內(nèi)壁反射，因此形成大小不同的2列回波.由2列回波之間的時延τ和聲波速度v可以得到聲波在氣球中的往返距離D=v τ，從而求出氣球的直徑d=v τ/2.

圖5　氣球回波信號

實驗時水箱里的氣球圖片和回波處理后的氣球輪廓如圖6所示.由氣球散點(diǎn)回波處理后得到的氣球二維聲圖像和氣球?qū)嶋H輪廓具有高度的相似性.圖6中的氣球聲圖像頂端沒有回波散點(diǎn)，主要原因是此處的氣球曲率較大，導(dǎo)致入射聲波反射角度較大，沒有接收到有用回波信號.

此外，通過對比剛性小球和柔性氣球的回波信號強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，剛性小球的回波聲壓幅值為5 mV左右，柔性氣球的回波強(qiáng)度為2 mV左右.這主要是因為兩者的材料不同，引起散射強(qiáng)度不同.回波亮點(diǎn)強(qiáng)度變化主要由目標(biāo)形狀、材質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等重要特征決定，該特征對于水中剛性目標(biāo)回波與柔性目標(biāo)回波的識別具有重要意義[4].

3結(jié)束語

本文利用水下目標(biāo)聲學(xué)亮點(diǎn)模型理論，采用線性換能器陣列發(fā)射超聲波掃描水下目標(biāo)，通過接收到的目標(biāo)聲學(xué)回波信號建立了剛性小球的三維散點(diǎn)聲圖像和柔性氣球的二維輪廓圖，在一定程度上較好地重構(gòu)出水下剛性和柔性目標(biāo)的特征；分析對比剛性小球和柔性氣球回波強(qiáng)度，識別出剛性目標(biāo)和柔性目標(biāo)回波強(qiáng)度的差異；但由于水聲信道的復(fù)雜性，使得聲成像技術(shù)在水聲領(lǐng)域的應(yīng)用還有一定難度.在下一步的研究中，還需要考慮信號多途、混響等因素對聲波信號的影響，探索出最佳的信號噪聲處理方法，并應(yīng)用到水下目標(biāo)三維聲成像技術(shù)中.

參考文獻(xiàn)

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Preliminary Experiments of Acoustic Detection and Recognition of Underwater Target

QIN Huawei, FAN Xianghui, HU Hangmin, YANG Hongsheng

(SchoolofMechanicalEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：Introduce underwater 3-D imaging technology and basic principle, it designed a linear transducer array system according to echo highlight of model in this paper; the system can receives a series of echo signals about underwater target by transmitting acoustic signal, then the echo signals are produced by computer and compose 3-D acoustic image of target. Second, it analyzed the difference of echo scattering intensity of rigid-target and non-rigid target. The experiment results show that the model of echo highlight was practicable and can be used in some practical situations.

Key words：underwater target; acoustic detection; echo highlight; echo intensity

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.04.013

收稿日期：2015-11-27

基金項目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項目(41276092)

作者簡介：秦華偉(1976-)，男，山西長治人，教授，海洋機(jī)電裝備.

中圖分類號：P733.23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-9146(2016)04-0062-04