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；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)回波亮點函數(shù)模型

亮點間的相對位置關(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)亮點模型可以等效成多個亮點的迭加，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)回波散點如圖3所示，20個目標(biāo)散點反應(yīng)了鐵球的側(cè)面輪廓.繞鐵球1周采集的回波散點經(jīng)過處理后形成鐵球的三維散點圖如圖4所示.對鐵球的三維散點進(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)面回波散點圖

圖4　鐵球三維回波散點圖

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