機載聲吶浮標數(shù)據(jù)記錄和利用

施丹枰 肖魁

（第七一五研究所，杭州，310023）

由于現(xiàn)代潛艇的隱蔽性和巨大威脅性，反潛已經(jīng)成為現(xiàn)代海上軍事斗爭中的主要環(huán)節(jié)和重要作戰(zhàn)任務。在各種反潛裝備中，聲吶浮標裝備在固定翼反潛巡邏飛機、反潛直升機、水面艦船等平臺上使用，具有反應迅速、搜索效率高、攻擊能力強、覆蓋海域廣、機動性強等特點，已成為世界各海軍強國戰(zhàn)術反潛的主要手段。

在聲吶浮標搜潛過程中，能夠積累獲取到大量的目標水聲和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有重要的研究價值[1]。當前我國聲吶浮標數(shù)據(jù)采集體制尚未完善，數(shù)據(jù)流轉機制沒有建立，導致聲吶浮標數(shù)據(jù)質量不高，處理難度較大，還不能滿足水下作戰(zhàn)、訓練和裝備研制及技術發(fā)展對水聲數(shù)據(jù)的保障需求。鑒于此，本文就聲吶浮標數(shù)據(jù)的采集記錄、分析處理、建庫管理、數(shù)據(jù)產(chǎn)品應用等方面進行初步的研究和探討。數(shù)據(jù)流轉過程如圖1所示。

圖1 聲吶浮標數(shù)據(jù)流轉過程

1 浮標數(shù)據(jù)記錄和整編

1.1 數(shù)據(jù)記錄規(guī)范

聲吶浮標搜潛裝備由聲吶浮標處理系統(tǒng)、聲吶浮標組成，聲吶浮標處理系統(tǒng)裝備在飛機或艦船平臺上，完成浮標信號接收、處理和顯示。聲吶浮標數(shù)據(jù)應根據(jù)組態(tài)數(shù)據(jù)規(guī)范要求設計記錄接口，一般通過飛機及艦船平臺的數(shù)據(jù)記錄設備進行采集和記錄。浮標記錄信息應包含浮標任務信息、聲吶浮標信息、平臺信息、環(huán)境信息及外部信息。

（1）任務信息由編號、名稱、時間、任務描述及各類標注信息組成。

（2）聲吶浮標信息是記錄數(shù)據(jù)中的主要組成部分，由浮標陣元數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、場景數(shù)據(jù)（音視頻）組成。其中浮標陣元數(shù)據(jù)包含聲傳感器及溫深等各類傳感器數(shù)據(jù)；聲吶浮標操作數(shù)據(jù)包含投放時間、浮標編號、浮標類型、無線電通道、浮標位置等；浮標狀態(tài)數(shù)據(jù)包含浮標無線電工作狀態(tài)、浮標定位信息、浮標成活狀態(tài)等；浮標場景數(shù)據(jù)包含信號處理送顯數(shù)據(jù)、收聽數(shù)據(jù)、顯控音視頻等。

（3）平臺信息由探測目標數(shù)據(jù)、平臺導航數(shù)據(jù)、聲吶狀態(tài)數(shù)據(jù)組成。探測目標數(shù)據(jù)包含位置、方位、距離、航速等；平臺導航數(shù)據(jù)包含經(jīng)緯度、航向、航速、高度等；聲吶狀態(tài)數(shù)據(jù)包含聲吶性能、系統(tǒng)/分機狀態(tài)。

（4）水聲環(huán)境信息包含海深、聲速剖面、海底類型、洋流狀況、海洋背景噪聲等。

（5）外部信息由雷達信息、AIS（Automatic Identification System）信息、其它聲吶平臺探測信息、值更信息等情報數(shù)據(jù)組成。

完成聲吶浮標數(shù)據(jù)記錄后，需要快速高效的渠道將聲吶浮標數(shù)據(jù)轉儲到地面處理和存儲設備，現(xiàn)階段主要通過拆卸記錄設備的專用存儲介質，在地面通過數(shù)據(jù)轉儲裝置讀取導入到地面設備。由現(xiàn)有浮標的數(shù)據(jù)采樣率和編碼形式，統(tǒng)計浮標數(shù)據(jù)的存儲量如表1所示。

表1 浮標數(shù)據(jù)量統(tǒng)計

1.2 數(shù)據(jù)整編方法

目前，聲吶浮標在不同的平臺上使用，浮標接收處理系統(tǒng)和記錄設備型號不一，記錄的浮標數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式尚不統(tǒng)一，需要對浮標數(shù)據(jù)進行整編，轉換為標準的格式和規(guī)范化文件包內(nèi)容，便于后續(xù)處理和管理。

數(shù)據(jù)整編包含數(shù)據(jù)轉換、音頻提取、文件內(nèi)容補充、數(shù)據(jù)架構整理等步驟：

（1）數(shù)據(jù)轉換是將不同記錄格式的記錄數(shù)據(jù)轉換成統(tǒng)一的格式；

（2）音頻提取是將聲吶浮標數(shù)據(jù)轉換為音頻文件，便于直接解碼播放和保存；

（3）通過按規(guī)范補充缺少的相關信息，并生成相應文件，完成內(nèi)容補充，如含AIS信息的文本文件，含情報獲取的目標運動軌跡文本文件等；

（4）提出數(shù)據(jù)文件目錄架構的規(guī)范要求，對單次任務浮標數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)文件名和文件目錄架構進行整理，形成格式統(tǒng)一、內(nèi)容完整的數(shù)據(jù)文件素材。

通過制定聲吶浮標組態(tài)數(shù)據(jù)記錄規(guī)范，完善聲吶浮標數(shù)據(jù)記錄內(nèi)容，在各浮標使用平臺上廣泛采集記錄組態(tài)化的聲吶浮標數(shù)據(jù)，并整編成規(guī)范化的聲吶浮標數(shù)據(jù)包，保證聲吶浮標數(shù)據(jù)質量，能夠有效提高后續(xù)數(shù)據(jù)分析、處理和使用效率。

2 浮標數(shù)據(jù)復盤和分析

2.1 浮標數(shù)據(jù)復盤

在聲吶浮標搜潛任務過程中，由于浮標工作時間短，接收處理資源有限、外部獲取情報信息不夠等原因，聲吶員不能保證對每一枚浮標在工作時段獲取的信息進行觀察和甄別，因此在任務結束后，需要根據(jù)記錄的浮標組態(tài)數(shù)據(jù)，對聲吶浮標搜潛任務情況進行復盤確認，評估浮標使用效能，并快速形成戰(zhàn)斗要報。聲吶浮標數(shù)據(jù)復盤可分為綜合態(tài)勢復盤、目標探測復盤、音視頻回放復盤三種方式。

2.1.1 綜合態(tài)勢復盤

綜合態(tài)勢復盤基于組態(tài)記錄數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在海圖上動態(tài)展示任務過程中聲吶浮標、探測目標、水面/水下平臺及飛機平臺的位置、深/高度信息及其它工作狀態(tài)信息。

通過解析任務數(shù)據(jù)，生成浮標射頻通道號、處理通道號、處理起始結束時間三者的對應關系，顯示作戰(zhàn)綜合態(tài)勢。綜合態(tài)勢要素包括：浮標投放信息、溫深信息、可疑目標信號頻率、有接觸浮標在態(tài)勢圖上的位置對應關系。

由外部情報信息在海圖上進行手動標繪，增加、刪除、修改態(tài)勢顯示元素，進行距離方位測量等操作。定位關注的任務時刻，控制復盤進度。綜合態(tài)勢復盤界面如圖2所示。

圖2 綜合態(tài)勢復盤界面

2.1.2 目標探測復盤

目標探測復盤基于組態(tài)記錄數(shù)據(jù)中的浮標陣元數(shù)據(jù)和浮標操作數(shù)據(jù)，進行聲吶浮標信號處理和顯控處理的模擬仿真，通過靈活的浮標通道、時刻點、處理參數(shù)選擇等進行復盤觀察收聽，對聲吶浮標的探測結果進行分析確認。

聲吶浮標信號處理方法和顯控界面與真實裝備一致，完成各型浮標的處理結果顯示和控制，完成浮標管理、定位作圖功能。

2.1.3 音視頻回放復盤

基于記錄的音視頻數(shù)據(jù)，通過音視頻解碼軟件回放聲吶浮標操作臺的音視頻，對任務過程進行確認，對聲吶浮標搜潛任務過程中的探測場景和聲吶員操作進行復盤確認。此項操作簡單快速，同樣是聲吶浮標任務復盤的一種重要手段。

通過以上數(shù)據(jù)復盤方式，同步再現(xiàn)聲吶浮標的作戰(zhàn)環(huán)境和目標探測情況，能夠對聲吶浮標探測到的目標信號視聽特征進行確認，對聲吶浮標搜潛任務過程和探測結果進行確認，從而為聲吶浮標搜潛信號處理算法、探潛戰(zhàn)法及作戰(zhàn)效能評估等研究內(nèi)容提供重要技術支撐。

2.2 浮標數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)階段，主要基于裝備信號處理算法，利用低頻線譜分析（Low Frequency Analysis and Record，LOFAR）、噪聲解調譜分析（Demodulated Noise，DEMON）、定向低頻線譜分析（Directional Low Frequency Analysis and Record，DIFAR）、測向定位分析（Correlation Display Analyzing and Recording，CODAR）、主動全向分析、海洋環(huán)境噪聲測量分析（Ambient Noise Measurement，ANM）、溫度深度測量分析（Bathythermograph，BT）等浮標數(shù)據(jù)分析手段，持續(xù)迭代地開展聲吶浮標目標識別、目標特征提取方面的研究。LOFAR分析工具界面如圖3所示。

圖3 LOFAR分析工具界面

2.2.1 目標檢測識別

一方面利用目標輻射噪聲 LOFAR譜和DEMON譜等常用特征，提取目標軸頻、葉頻和葉片數(shù)等物理特征。另一方面利用時頻聯(lián)合域變換、功率譜分析等信號處理方法進行數(shù)值特征提取。在此基礎上，人工判斷目標類型，將多枚浮標測得的目標方位角、線譜頻率、多普勒頻移、距離等信息進行數(shù)據(jù)融合，對單個或者多個目標進行跟蹤，獲得目標運動路徑、航速、航向等估計值，以進行目標定位與跟蹤。

2.2.2 目標特征提取

● 研究和掌握不同噪聲源輻射噪聲特性與運動工況、海洋信道傳輸?shù)扔绊懸?guī)律。

● 研究水聲目標散射特征，融合多傳感器信息建立目標樣本數(shù)據(jù)庫，構建大數(shù)據(jù)分析與處理框架。

● 研究深度學習和數(shù)據(jù)挖掘為代表的人工智能方法，通過對目標數(shù)據(jù)進行降維、關聯(lián)、分類等處理，擬合目標數(shù)據(jù)與目標類型之間的非線性關系，自動完成特征提取與識別。

通過對聲吶浮標數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，完成目標特征分析、提取，為特征庫提供素材，為裝備信號處理算法完善和目標識別性能提升提供技術支撐，實現(xiàn)聲吶浮標數(shù)據(jù)的利用價值最大化。

3 浮標數(shù)據(jù)建庫和管理

浮標數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)聲吶浮標數(shù)據(jù)的存儲管理與服務。廠站建設的數(shù)據(jù)庫通常采用典型中小規(guī)模數(shù)據(jù)存儲服務方案。浮標數(shù)據(jù)庫劃分為基礎數(shù)據(jù)庫（原始數(shù)據(jù)庫）、上報數(shù)據(jù)庫和應用支持數(shù)據(jù)庫三類。

3.1 數(shù)據(jù)庫功能

（1）基礎數(shù)據(jù)庫的建庫：實現(xiàn)聲吶浮標各類信息的錄入、存儲、加載、更新。

（2）上報數(shù)據(jù)庫的建庫：實現(xiàn)戰(zhàn)報及相應支撐數(shù)據(jù)的錄入、存儲、加載、更新。

（3）應用支持數(shù)據(jù)庫的導入：實現(xiàn)聲吶浮標目標特征數(shù)據(jù)、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、聲吶浮標系統(tǒng)使用性能數(shù)據(jù)的導入操作。

（4）數(shù)據(jù)查詢：實現(xiàn)對三類數(shù)據(jù)庫的相關信息檢索和查詢。

（5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計：實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。

（6）數(shù)據(jù)備份/恢復：數(shù)據(jù)庫采用 RAID（Redundant Arrays of Independent Disks）物理備份技術，能夠在數(shù)據(jù)庫遭到破壞后用備份數(shù)據(jù)進行恢復。

（7）數(shù)據(jù)導出：實現(xiàn)三類數(shù)據(jù)庫的按需導出。

（8）用戶管理模塊：實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的用戶管理，提供用戶添加/刪除/權限修改等功能。

3.2 數(shù)據(jù)庫結構設計

根據(jù)聲吶浮標系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)特點，建立基礎數(shù)據(jù)庫表的實體關系模型。基礎數(shù)據(jù)庫的實體包括任務、平臺信息、聲吶、海洋環(huán)境、目標、雷達探測信息、AIS目標信息、裝備使用性能等。

上報數(shù)據(jù)庫庫表是上報數(shù)據(jù)管理部門的標準庫表，主要用于疑似目標的二次綜合分析，要求上報數(shù)據(jù)要覆蓋水聲數(shù)據(jù)分析全要素。數(shù)據(jù)以任務批次上報，主要數(shù)據(jù)包括目標特性數(shù)據(jù)及同步信息、水聲環(huán)境數(shù)據(jù)、裝備性能庫表以及任務執(zhí)行相關信息等。

應用支持數(shù)據(jù)庫表是數(shù)據(jù)管理部門下發(fā)數(shù)據(jù)使用的標準庫表，包括目標特性數(shù)據(jù)、水聲環(huán)境數(shù)據(jù)、裝備性能庫表等，如表2所示。

表2 應用支持庫數(shù)據(jù)要素

通過聲吶浮標數(shù)據(jù)的建庫和管理，提供浮標分析前后數(shù)據(jù)快速查詢及下載服務，對樣本數(shù)據(jù)和目標特征數(shù)據(jù)進行關聯(lián)、分類，最終形成目標特征庫、聽音數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，從而為目標識別研究和模擬訓練提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

4 結論

聲吶浮標數(shù)據(jù)作為水聲數(shù)據(jù)中的一種，具備大數(shù)據(jù)特征，具有重要的研究價值。重視和規(guī)范記錄、整編、復盤、分析、信息挖掘、數(shù)據(jù)建庫、數(shù)據(jù)管理等一系列數(shù)據(jù)流轉過程環(huán)節(jié)，正確運用數(shù)據(jù)記錄和處理方法，對聲吶浮標數(shù)據(jù)充分利用，掌握數(shù)據(jù)特性、規(guī)律，挖掘數(shù)據(jù)價值，為聲吶浮標搜潛模擬訓練、聲吶浮標搜潛裝備性能提升、海洋環(huán)境研究提供豐富的數(shù)據(jù)支撐，對聲吶浮標搜潛技術發(fā)展和作戰(zhàn)訓練具有重大意義。