張思宇 何心怡 王 磊 祝 琳

(1 海軍研究院 北京 100161)

(2 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所 北京 100190)

0 引言

隨著水中兵器日益朝著智能化、高機(jī)動(dòng)、大威力的方向發(fā)展，精確測(cè)量其水下運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)武器裝備試驗(yàn)定型、性能評(píng)估和戰(zhàn)法訓(xùn)法制定具有越來(lái)越重要的參考意義。水中兵器彈道測(cè)量系統(tǒng)主要分為內(nèi)測(cè)系統(tǒng)和外測(cè)系統(tǒng)[1?13]。內(nèi)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)目標(biāo)安裝的慣性裝置測(cè)量并記錄航行過(guò)程中的加速度、角度和深度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)而解算出目標(biāo)的速度、姿態(tài)和軌跡信息。外測(cè)系統(tǒng)主要有長(zhǎng)基線定位系統(tǒng)、短基線定位系統(tǒng)和超短基線定位系統(tǒng)，通過(guò)水下彈道測(cè)量系統(tǒng)和目標(biāo)安裝的合作聲信標(biāo)測(cè)量目標(biāo)斜距和方向，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位和軌跡測(cè)量。但是，在陌生水域測(cè)量高速小目標(biāo)的末彈道，由于小目標(biāo)無(wú)法安裝合作聲信標(biāo)且沒(méi)有水下彈道測(cè)量系統(tǒng)配合，不能測(cè)得目標(biāo)斜距，故傳統(tǒng)方法難以勝任此類情形的末彈道測(cè)量。又考慮到目標(biāo)高速接近靶標(biāo)的方向未知，目標(biāo)速度達(dá)到了每秒數(shù)十米，目標(biāo)回波的多普勒偏移量大，基于上述背景，文中提出了一種通過(guò)基于實(shí)孔徑成像測(cè)量水下高速小目標(biāo)末彈道的方法，通過(guò)目標(biāo)回波圖像分辨確定目標(biāo)坐標(biāo)，進(jìn)而測(cè)得目標(biāo)末彈道，并通過(guò)湖上實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，取得了較好的測(cè)量效果。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

在靶標(biāo)上設(shè)計(jì)安裝一種聲學(xué)成像系統(tǒng)，主要考慮前置預(yù)處理、波束形成和后置處理等三個(gè)功能部分，如圖1所示[2]。

圖1 聲學(xué)成像系統(tǒng)的功能分布Fig.1 Functional map of acoustic imaging system

通過(guò)將聲學(xué)成像系統(tǒng)基陣設(shè)計(jì)成圓盤(pán)狀，在圓周上，均勻排布換能器基陣，滿足測(cè)量不同運(yùn)動(dòng)方向目標(biāo)的成像需要，其排布結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2中，R0為圓盤(pán)半徑，N為陣元數(shù)。該系統(tǒng)的核心是通過(guò)圓陣聲吶接收目標(biāo)回波，經(jīng)過(guò)后置信號(hào)處理成像，分辨并確定圖中目標(biāo)方位，測(cè)得目標(biāo)末彈道。根據(jù)圓陣的波束對(duì)稱分布有利于進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier transform,FFT)運(yùn)算的特點(diǎn)，系統(tǒng)采取專門(mén)的數(shù)字信號(hào)處理(Digital signal processing,DSP)芯片進(jìn)行FFT，在頻域進(jìn)行波束形成，縮短信號(hào)處理時(shí)間，提高成像的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波多普勒偏移大，導(dǎo)致信號(hào)輸出幅值變化和波束指向性偏移引起圖像失真或畸變的問(wèn)題，針對(duì)性設(shè)計(jì)雙曲調(diào)頻信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)和采用寬帶信號(hào)處理技術(shù)，獲得目標(biāo)回波圖像。

圖2 系統(tǒng)基陣換能器排布Fig.2 Layout of system array transducer

2 波束形成技術(shù)

波束形成技術(shù)需從發(fā)射和接收兩個(gè)方面考慮，發(fā)射波束時(shí)，將基陣經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理能夠在預(yù)定方向形成指向性，即將能量集中在指定方向獲取最大的探測(cè)距離；接收信號(hào)時(shí)，通過(guò)波束形成使系統(tǒng)定向接收目標(biāo)信號(hào)，抑制噪聲干擾，有效提高信噪比，其實(shí)質(zhì)是空間濾波器[3]。

2.1 圓陣波束形成的基本原理

因?yàn)榘l(fā)射波束形成技術(shù)和接收波束形成技術(shù)的基本原理相同，且系統(tǒng)采用DSP芯片，能夠節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高系統(tǒng)成像的實(shí)時(shí)性，文中以接收端為例說(shuō)明圓陣的頻域波束形成，其基本原理如圖3所示。

圖3 圓陣波束形成原理Fig.3 Principle of circular array beamforming

其中，第i個(gè)水聽(tīng)器陣元坐標(biāo)為

因?yàn)樾盘?hào)源到系統(tǒng)的距離遠(yuǎn)大于基陣直徑，信號(hào)可視為遠(yuǎn)場(chǎng)平面波，當(dāng)信號(hào)Xk(i)從第i個(gè)陣元以θ角入射時(shí)，與圓陣的參考點(diǎn)的相對(duì)相移φi為

式(3)中，λ為信號(hào)波長(zhǎng)。圓陣延時(shí)濾波器的傳輸函數(shù)Lk(i)為

式(4)中，w(i)為幅度加權(quán)系數(shù)。再分別對(duì)Xk(i)和Lk(i)進(jìn)行傅里葉變換得

根據(jù)傅里葉變換的對(duì)稱性，波束形成輸出函數(shù)Yk(m)可對(duì)和的乘積進(jìn)行離散傅里葉逆變換(Inverse discrete Fourier transform,IDFT)求得

可見(jiàn)，只需要通過(guò)三次IDFT運(yùn)算就可以實(shí)現(xiàn)圓陣的波束形成。

2.2 發(fā)射信號(hào)的選擇

信號(hào)的頻率、時(shí)間寬度和帶寬是發(fā)射信號(hào)選擇的重要參數(shù)，以保證系統(tǒng)有最遠(yuǎn)的作用距離、最優(yōu)的距離分辨率和最佳的噪聲抑制能力。因?yàn)橄到y(tǒng)按照?qǐng)A形均勻分布基陣，能夠測(cè)量各個(gè)方向的接近小目標(biāo)，故為了實(shí)現(xiàn)高精度的軌跡測(cè)量，發(fā)射信號(hào)應(yīng)選擇距離分辨率好的寬帶信號(hào)。被測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度快，目標(biāo)回波有較大的多普勒偏移量，則目標(biāo)方位估計(jì)容易出現(xiàn)較大偏差，甚至出現(xiàn)圖形畸變，嚴(yán)重影響測(cè)量效果，需要選擇的發(fā)射信號(hào)應(yīng)具有抑制多普勒頻偏的特性，故選擇雙曲調(diào)頻信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)，其時(shí)間函數(shù)為

式(8)中，f0是信號(hào)的中心頻率，T是信號(hào)的周期。雙曲調(diào)頻信號(hào)的相位φ(t)和瞬時(shí)發(fā)射頻率f(t)為

則系統(tǒng)接收的目標(biāo)回波信號(hào)的相位φr(t)和瞬時(shí)接收頻率fr(t)為

其中，D為回波頻率相對(duì)中心頻率的偏移率。為了保證接收信號(hào)瞬時(shí)頻移與發(fā)射信號(hào)瞬時(shí)頻率匹配t0，即使得fr(t)=f(t?t0)成立，求得參數(shù)t0。即，當(dāng)時(shí)，

可得

因此，在發(fā)射雙曲調(diào)頻信號(hào)探測(cè)目標(biāo)時(shí)，只需將瞬時(shí)發(fā)射頻率平移t0時(shí)間，即可保證接收信號(hào)瞬時(shí)頻移與發(fā)射信號(hào)瞬時(shí)頻率的匹配，聲學(xué)成像系統(tǒng)輸出幅度也不會(huì)因?yàn)槟繕?biāo)和靶標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移而變化，具有較高的探測(cè)精度，保證聲學(xué)成像系統(tǒng)的圖像穩(wěn)定。且雙曲調(diào)頻信號(hào)是寬帶信號(hào)，具有較好的距離分辨率，能夠較準(zhǔn)確測(cè)得目標(biāo)位置。

3 目標(biāo)成像技術(shù)[5]

由于高速運(yùn)動(dòng)的小目標(biāo)和靶標(biāo)之間存在較大的相對(duì)速度，目標(biāo)回波存在較大的多普勒偏移量，造成常規(guī)波束形成的指向性偏差，產(chǎn)生目標(biāo)方向測(cè)量誤差和目標(biāo)回波信號(hào)強(qiáng)度減弱，對(duì)成像效果有較大的影響。且末彈道測(cè)量時(shí)，目標(biāo)到靶標(biāo)的距離一般是百米左右，聲學(xué)成像系統(tǒng)接收的信號(hào)中，有較強(qiáng)烈的背景混響需要抑制，以保證成像質(zhì)量?；诖吮尘埃晫W(xué)成像系統(tǒng)采用寬帶處理技術(shù)形成高速運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)的回波圖像，進(jìn)而測(cè)出目標(biāo)末彈道。

3.1 寬帶處理技術(shù)原理

文中采用將每一組接收基陣都進(jìn)行窄帶濾波處理的寬帶處理技術(shù)，對(duì)回波信號(hào)的每一個(gè)頻段都實(shí)現(xiàn)波束形成，將各個(gè)頻段的波束形成結(jié)果通過(guò)非相干相加，覆蓋寬帶信號(hào)的全部帶寬，實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)回波圖像，分辨被測(cè)目標(biāo)，其原理如圖4所示。

圖4 寬帶信號(hào)處理基本原理框圖Fig.4 Basic block diagram of wideband signal processing

3.2 混響抑制原理

高速運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)和靶標(biāo)之間較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生了較大的多普勒偏移量，形成了較大的頻率展寬，而混響的頻帶主要集中在系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)頻率的附近，回波信號(hào)處理時(shí)，通過(guò)將混響頻帶內(nèi)的權(quán)值置零，可以達(dá)到有效抑制混響、形成清晰目標(biāo)回波圖像的目的，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)分析見(jiàn)第4節(jié)。

圖5 抑制混響原理Fig.5 Suppression of reverberation principle

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)在湖上進(jìn)行航行器實(shí)航探測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)孔徑聲學(xué)成像系統(tǒng)的信息采集、寬帶波束形成和后置信號(hào)處理的混響抑制方法，能夠獲得較清晰的目標(biāo)圖像，證明該聲學(xué)成像系統(tǒng)可以較精確測(cè)得水下高速運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)的末彈道。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括安裝在水下平臺(tái)上(深度約30 m)的圓盤(pán)狀實(shí)孔徑聲學(xué)成像系統(tǒng)、拖船、小球目標(biāo)(直徑約40 cm，深度約30 m)、信息采集和數(shù)據(jù)處理等設(shè)備，基本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型如圖6所示。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為發(fā)射信號(hào)中心頻率160 kHz，信號(hào)脈寬50 ms，發(fā)射間隔50 ms，發(fā)射聲源級(jí)約200 dB，環(huán)境和平臺(tái)的噪聲級(jí)40 dB左右，且由于信號(hào)頻率較高，吸收損失α達(dá)到了50 dB/km左右。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，拖船以20節(jié)左右的航速拖著小球目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，期間包括4個(gè)直航探測(cè)段和3個(gè)轉(zhuǎn)彎調(diào)整段，如圖7所示。期間，平臺(tái)保持靜止?fàn)顟B(tài)與被測(cè)小球基本處于同一深度，目標(biāo)距離探測(cè)系統(tǒng)最近約30 m，最遠(yuǎn)約300 m，并利用圓盤(pán)狀的實(shí)孔徑聲學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)小球目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，掌握系統(tǒng)的工作狀況，包括背景干擾(流噪聲及其他聲學(xué)系統(tǒng)干擾)、尾流區(qū)回波、系統(tǒng)電源干擾以及目標(biāo)回波情況等，為進(jìn)一步系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型Fig.6 Model diagram of experimental system

圖7 實(shí)驗(yàn)拖船及目標(biāo)小球運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Trajectory chart of experimental tug and target ball

結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)3.2節(jié)混響抑制處理的效果進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)目標(biāo)回波信號(hào)未進(jìn)行混響抑制處理時(shí)，系統(tǒng)離湖面較近且受到強(qiáng)湖面混響和體積混響干擾，圖像呈現(xiàn)大量的棉絮狀亮斑，難以分辨出目標(biāo)位置，目標(biāo)回波基本被混響所掩蔽，如圖8所示。

圖8 未進(jìn)行混響抑制處理的目標(biāo)回波成像Fig.8 Target echo imaging without reverberation suppression

圖8中，小圓圈內(nèi)是疑似目標(biāo)回波，亮斑處主要是混響、拖船輻射噪聲和尾流區(qū)回波等背景干擾進(jìn)入系統(tǒng)構(gòu)成的成像干擾。考慮到系統(tǒng)探測(cè)的距離較近，混響的頻譜偏移量較小，基本在發(fā)射信號(hào)頻率附近，且目標(biāo)和系統(tǒng)間相對(duì)速度大，目標(biāo)回波產(chǎn)生較大的多普勒偏移量，和混響頻帶存在明顯的頻帶差異，基于此物理機(jī)理對(duì)混響頻帶權(quán)值置零來(lái)抑制混響干擾，凈化圖像背景，突出目標(biāo)回波的顯示，結(jié)果如圖9所示。

圖9 經(jīng)過(guò)混響抑制處理的目標(biāo)回波成像Fig.9 Target echo imaging with reverberation suppression

圖9中，背景是較純凈的藍(lán)色，說(shuō)明混響得到了較好的抑制，可以較清晰地辨別出目標(biāo)回波為(51.3m,?90?)處的亮點(diǎn)，目標(biāo)左側(cè)的亮斑區(qū)主要是拖船的流噪聲和尾流區(qū)回波進(jìn)入系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾?？梢?jiàn)，通過(guò)將混響頻帶權(quán)值置零的方法，能夠較好地抑制混響干擾，獲得清晰的目標(biāo)回波圖像，能夠分辨出目標(biāo)位置。但此方法也存在混響頻譜不能過(guò)寬的限制，必要時(shí)可用時(shí)空自適應(yīng)處理進(jìn)一步優(yōu)化混響抑制性能[14]。對(duì)于基于實(shí)孔徑聲學(xué)成像系統(tǒng)測(cè)量水下高速小目標(biāo)末彈道需要重點(diǎn)考慮目標(biāo)距離系統(tǒng)最近點(diǎn)、目標(biāo)接近系統(tǒng)最大距離可分辨點(diǎn)以及目標(biāo)遠(yuǎn)離系統(tǒng)最大距離可分辨點(diǎn)等三個(gè)點(diǎn)，才能較好測(cè)試系統(tǒng)的探測(cè)范圍。本次實(shí)驗(yàn)最近距離點(diǎn)出現(xiàn)在(46.9 m,?117?)坐標(biāo)位置上，此時(shí)目標(biāo)回波強(qiáng)度最大，如圖10所示。

圖10 最近點(diǎn)目標(biāo)回波Fig.10 Nearest point target echogram

目標(biāo)接近系統(tǒng)最大距離可分辨點(diǎn)出現(xiàn)在(113.5 m,189?)坐標(biāo)位置上，如圖11所示。

圖11 目標(biāo)接近系統(tǒng)最大距離可分辨點(diǎn)目標(biāo)回波Fig.11 Target approaching system maximum distance resolvable point target echogram

圖11中，圓圈內(nèi)的目標(biāo)回波強(qiáng)度較弱，與干擾的強(qiáng)度相當(dāng)，較難分辨出目標(biāo)位置。目標(biāo)遠(yuǎn)離系統(tǒng)最大距離可分辨點(diǎn)出現(xiàn)在(95 m,320?)坐標(biāo)位置上，如圖12所示。

圖12 目標(biāo)遠(yuǎn)離系統(tǒng)最大距離可分辨點(diǎn)目標(biāo)回波Fig.12 Target distance away from system maximum distance resolved point target echoes

圖12中，圓圈內(nèi)為目標(biāo)回波，其受干擾后的成像情況和目標(biāo)接近系統(tǒng)最大距離可分辨點(diǎn)類似?？梢?jiàn)，本文設(shè)計(jì)的圓盤(pán)狀實(shí)孔徑聲學(xué)成像系統(tǒng)能夠?qū)Φ较到y(tǒng)直線距離100 m以內(nèi)的高速小目標(biāo)的末彈道進(jìn)行有效測(cè)量。

5 結(jié)論

文中提出了一種基于圓陣的實(shí)孔徑聲學(xué)成像系統(tǒng)測(cè)量高速小目標(biāo)末彈道的方法，通過(guò)寬帶信號(hào)處理技術(shù)抑制背景噪聲、尾流區(qū)回波和混響，利用雙曲調(diào)頻信號(hào)作為寬帶調(diào)頻信號(hào)距離分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，具有多普勒不變性，可克服高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波多普勒頻移較大引起圖像失真等優(yōu)點(diǎn)，獲得了較清晰的目標(biāo)回波圖像，能夠較好分辨出近距離的目標(biāo)位置，可解決在沒(méi)有水下彈道測(cè)量系統(tǒng)的水域測(cè)量高速小目標(biāo)末彈道的問(wèn)題。