劉帥京， 許 楓， 楊 娟

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 海洋聲學(xué)技術(shù)中心，北京 100190； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

在淺海區(qū)域，收發(fā)合置聲納的性能受到強(qiáng)混響環(huán)境的制約，而收發(fā)連線區(qū)域是收發(fā)分置聲納的探測盲區(qū)[1]，為此，國內(nèi)外開展了有關(guān)前向散射目標(biāo)探測的聲屏障試驗(yàn)。當(dāng)目標(biāo)處于收發(fā)連線之間時(shí)，目標(biāo)的前向散射波與直達(dá)波的相互作用會(huì)引起聲場的擾動(dòng)，因此可以通過檢測目標(biāo)引起的聲場擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測。然而前向散射信號(hào)的強(qiáng)度和直達(dá)波信號(hào)強(qiáng)度相比弱得多且難以區(qū)分[2]，小尺寸目標(biāo)的前向散射信號(hào)引起的聲場擾動(dòng)還容易受到海洋噪聲和信道自身變化的影響，很難從聲場起伏中觀測到前向散射信號(hào)引起的聲場畸變。目前有關(guān)前向散射信號(hào)檢測問題的研究主要是圍繞聲場畸變量的增強(qiáng)和提取技術(shù)展開的。

從聲線傳播的角度來看，目標(biāo)散射作用對(duì)聲線的“遮擋”會(huì)造成途經(jīng)目標(biāo)位置的特征聲線的強(qiáng)度減弱。Folegot等[3]應(yīng)用目標(biāo)對(duì)本征聲線路徑上的“遮蔽效應(yīng)”，通過高斯擾動(dòng)聲線的幾何交匯實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)探測。Marandet等[4]應(yīng)用聲層析的思想，通過聲壓敏感核建立了不同聲線擾動(dòng)量和聲場聲阻抗的關(guān)系，提出采用聲阻抗參數(shù)的反演技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)探測，并開展了超聲波等比縮放試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。這類基于擾動(dòng)聲線提取的方法依賴于聲場模型的構(gòu)建，在實(shí)際應(yīng)用中受限。

目標(biāo)入侵會(huì)影響目標(biāo)所在位置的聲速和密度，導(dǎo)致聲場的到達(dá)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，引起接收聲壓場的擾動(dòng)。Sabra等[5]通過處理聲場強(qiáng)度特征，提出在高信噪比條件下采用主成分分析(principle component analysis, PCA)的方法分離聲場中的穩(wěn)態(tài)成分和散射成分獲取目標(biāo)穿越收發(fā)連線的時(shí)間。Song等[6]在100 m深的海洋波導(dǎo)中通過觀測時(shí)反聚焦區(qū)域旁瓣級(jí)的擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)探測。Lei等[7]結(jié)合PCA與陣列處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了聲場擾動(dòng)量的增強(qiáng)。He等[8]提出采用自適應(yīng)濾波的直達(dá)波抑制技術(shù)用于前向散射信號(hào)的檢測，將寬帶信號(hào)的包絡(luò)作為自適應(yīng)濾波器的輸入，通過繪制濾波器輸出誤差序列的能量得到探測輸出曲線。以上方法通常假設(shè)海洋環(huán)境自身的擾動(dòng)引起的聲場畸變小于目標(biāo)前向散射引起的聲場擾動(dòng)量，而在收發(fā)距離較近的小目標(biāo)探測問題中，目標(biāo)微弱的前向散射信號(hào)容易受到環(huán)境自身擾動(dòng)的影響，提高了目標(biāo)探測的難度。

Lei等[9]提出目標(biāo)入侵引起的聲場擾動(dòng)相對(duì)于無目標(biāo)的聲場可以看作是一種異常，因此前向散射信號(hào)的檢測問題可以當(dāng)作異常檢測問題進(jìn)行處理。自編碼器是一種常用的異常檢測和特征提取方法，常用于機(jī)械故障檢測、網(wǎng)絡(luò)流量異常偵測等應(yīng)用中[10]。一般自編碼器是通過比較輸出和輸入的差異來實(shí)現(xiàn)異常檢測的。在前向散射信號(hào)的檢測問題中，為了減小海洋自身信道起伏對(duì)接收信號(hào)的影響，采用接收信號(hào)的包絡(luò)作為自編碼器的輸入，通過觀測自編碼器重構(gòu)誤差能量的變化實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測。

小目標(biāo)的探測需要采用高頻的發(fā)射信號(hào)，然而高頻條件下的淺海聲場和前向散射場的物理建模十分困難。為此，本文開展了淺海蛙人穿越試驗(yàn)，將自編碼器用于目標(biāo)前向散射信號(hào)的檢測問題中，通過處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提算法的有效性。

1 基于自編碼器的前向散射探測方法

1.1 淺海聲場的目標(biāo)前向散射擾動(dòng)模型

基于前向散射信號(hào)的目標(biāo)探測系統(tǒng)如圖1所示，聲源S和接收水聽器R分別置于探測區(qū)域的兩側(cè)。

圖1 基于前向散射信號(hào)的目標(biāo)探測系統(tǒng)Fig.1 The forward scattering detection system

在小目標(biāo)探測問題中，發(fā)射信號(hào)通常為高頻信號(hào)，下面將采用適用于高頻近距離聲場建模的射線聲學(xué)模型分析目標(biāo)引起的聲場擾動(dòng)。

發(fā)射源S連續(xù)發(fā)射聲信號(hào)s(t)，一定時(shí)間后可在水下形成穩(wěn)定的聲場p0(t)。淺海環(huán)境中的聲傳播受到海面和海底的影響較大，接收信號(hào)通常存在明顯的多途結(jié)構(gòu)，設(shè)聲場中存在L條不同的聲線傳播路徑，第i條路徑的傳播時(shí)延和幅值分別為τi和αi，接收信號(hào)p0(t)則可以表示為所有傳播路徑到達(dá)信號(hào)的疊加，即

(1)

從式(1)可以看出，接收信號(hào)可以看作是聲場中L個(gè)聲源形成的接收信號(hào)總和，第i個(gè)聲源的到達(dá)信號(hào)則表示為αis(t-τi)。圖2給出了兩個(gè)虛源情況下的聲場示意圖，圖中包含聲源S、該聲源關(guān)于海面形成的虛源S′和該聲源關(guān)于海底形成的虛源S″，這三個(gè)聲源的到達(dá)波分別對(duì)應(yīng)直達(dá)信號(hào)、一次水面反射信號(hào)和一次水底反射信號(hào)。

圖2 兩個(gè)虛源條件下的聲場示意圖Fig.2 The acoustic field with two virtual sources

目標(biāo)前向散射引起的聲場起伏現(xiàn)象可以用圖3所示的菲涅耳干涉理論解釋[11]。當(dāng)目標(biāo)處于收發(fā)連線上時(shí)，目標(biāo)位于第一菲涅耳區(qū)內(nèi)，前向散射波和直達(dá)波相位相反產(chǎn)生干涉相消，接收信號(hào)強(qiáng)度減弱，當(dāng)目標(biāo)偏離收發(fā)連線到第二菲涅耳區(qū)時(shí)，兩個(gè)信號(hào)的相位差接近于零，接收信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)。在目標(biāo)逐漸偏離收發(fā)連線的過程中，前向散射波與直達(dá)波的相位在(0,2π)之間周期性運(yùn)動(dòng)，接收聲場的能量也將出現(xiàn)周期性的增強(qiáng)或減弱。目標(biāo)與收發(fā)連線的距離越大，前向散射信號(hào)強(qiáng)度越小，接收聲場的強(qiáng)度也越小[12]。

圖3 菲涅耳干涉理論示意圖Fig.3 Illumination of Fresnel interference theory

對(duì)于存在L條路徑的多途環(huán)境，聲場中存在L條聲源(或虛源)與接收點(diǎn)構(gòu)成的收發(fā)連線，目標(biāo)的位置相對(duì)于不同的收發(fā)連線處于不同的菲涅耳區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致不同路徑到達(dá)信號(hào)的時(shí)延和幅值可能存在不同程度的擾動(dòng)，設(shè)第i條路徑的時(shí)延和幅值擾動(dòng)分別為Δτi和Δαi，那么擾動(dòng)后的接收聲場p(t)表示為

(2)

從式(2)可以看出，目標(biāo)對(duì)聲場的擾動(dòng)改變了不同傳播路徑的時(shí)延和幅值，導(dǎo)致接收聲場的到達(dá)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，在接收信號(hào)中表現(xiàn)為信號(hào)包絡(luò)的起伏。

1.2 自編碼器

自編碼器(auto-encoder， AE)是一個(gè)具有恒等映射的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是編碼器，可以將一組D維空間的樣本xn∈D映射到M維的特征空間得到編碼zn∈M，即

zn=h(1)(W(1)xn+b(1))

(3)

(4)

式中:h(1)和h(2)分別表示編碼器和解碼器的映射函數(shù);W(1)∈M×D、b(1)∈M、W(2)∈D×M、b(2)∈D均表示網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，這些參數(shù)可采用比例共軛梯度法(scaled conjugate gradient，SCG)訓(xùn)練得到[13];xn表示第n個(gè)訓(xùn)練樣本。圖4給出了一個(gè)自編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖，在編碼器的輸入層之前采用尺度縮放函數(shù)f(·)將樣本數(shù)據(jù)的值按照神經(jīng)元激活函數(shù)的值域調(diào)整得到f(xn)，解碼器的輸出則采用尺度縮放函數(shù)的逆f-1(·)將輸出數(shù)據(jù)逆變換得到

圖4 自編碼器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure of auto-encoder

(5)

在淺海小目標(biāo)探測的問題中，海洋噪聲和信道自身擾動(dòng)也會(huì)引起接收信號(hào)包絡(luò)的變化，為減少動(dòng)態(tài)環(huán)境的干擾，在式(5)中添加稀疏約束，得到[14]

(6)

其中Z=[z1,z2,…,zN]表示N個(gè)訓(xùn)練樣本的編碼，ρ(Z)表示稀疏性度量函數(shù)，定義為

(7)

1.3 基于自編碼器的目標(biāo)探測方法

目標(biāo)前向散射信號(hào)引起的接收信號(hào)包絡(luò)起伏相對(duì)于無目標(biāo)時(shí)的穩(wěn)態(tài)聲場來說可以看作是一種異常，本文將基于自編碼器的異常偵測算法用于探測目標(biāo)引起的聲場結(jié)構(gòu)畸變，自編碼器的重構(gòu)誤差能量則作為衡量聲場結(jié)構(gòu)畸變量的參量，通過繪制探測數(shù)據(jù)樣本在自編碼器上的重構(gòu)誤差能量得到探測曲線。圖5給出了基于自編碼器處理方法的探測流程圖，實(shí)現(xiàn)過程如下：

圖5 基于自編碼器的探測算法流程框圖Fig.5 The block diagram of the detection method base on auto-encoder

(1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理：設(shè)單個(gè)發(fā)射周期內(nèi)接收的信號(hào)為一幀，觀測時(shí)間T內(nèi)共有NT幀接收信號(hào){pn(t)}n=1,…,NT，采用帶通濾波和匹配濾波對(duì)每一幀接收信號(hào)pn(t)進(jìn)行處理來提高接收信號(hào)的信噪比，應(yīng)用希爾伯特變換后取絕對(duì)值得到信號(hào)包絡(luò)，然后按時(shí)間順序構(gòu)成矩陣PNr×NT，Nr表示一幀接收信號(hào)的長度;

(2) 提取直達(dá)信號(hào)矩陣：為減少海面波浪等因素對(duì)接收信號(hào)包絡(luò)產(chǎn)生的影響，根據(jù)動(dòng)態(tài)海洋信道的分析結(jié)果，選擇適當(dāng)長度的時(shí)間窗提取直達(dá)信號(hào)矩陣XD×NT，D表示時(shí)間窗的長度，時(shí)間窗應(yīng)盡量包含接收信號(hào)中的穩(wěn)定成分，為進(jìn)一步減小信道自身變化對(duì)接收信號(hào)的影響，根據(jù)每一幀直達(dá)信號(hào)包絡(luò)峰值的位置對(duì)時(shí)間窗提取出的信號(hào)做相位對(duì)齊；

(8)

1.4 探測模型

基于自編碼器的前向散射信號(hào)檢測方法對(duì)應(yīng)的探測模型如下

(9)

式中：H0表示無目標(biāo)的假設(shè)；H1表示有目標(biāo)的假設(shè)；n(t)表示接收端的噪聲信號(hào)；Er表示自編碼器的重構(gòu)誤差。

由第1.3節(jié)的探測過程可知，通過觀測自編碼器的重構(gòu)誤差能量就可以判斷聲場畸變量的大小，當(dāng)目標(biāo)不存在時(shí)，聲場結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，重構(gòu)誤差能量近似為零，當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，聲場結(jié)構(gòu)受到目標(biāo)引起的擾動(dòng)，重構(gòu)誤差能量增大。自編碼器探測得到的重構(gòu)誤差能量的值和接收信號(hào)的信直比有關(guān)，信直比較大時(shí)，目標(biāo)的前向散射信號(hào)對(duì)聲場的影響較大，重構(gòu)誤差能量較大，反之，重構(gòu)誤差能量較小，而信直比的大小與目標(biāo)大小、材料和位置以及陣列分布、海洋環(huán)境參數(shù)等因素有關(guān)。

設(shè)接收信號(hào)y(t)具有K個(gè)樣本點(diǎn)，那么檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量T(即重構(gòu)誤差能量)可以表示為

(10)

(11)

(12)

其中QK/2(·,·)表示K/2階廣義Marcum Q函數(shù)。

2 海試試驗(yàn)

高頻條件下的淺海波導(dǎo)建模十分困難，目標(biāo)的散射波與直達(dá)波的干涉效應(yīng)也很復(fù)雜，為研究動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境中的目標(biāo)探測算法，在中國山東的一個(gè)港口海域開展了蛙人穿越試驗(yàn)。

2.1 海試試驗(yàn)簡介

試驗(yàn)系統(tǒng)由一個(gè)發(fā)射換能器S和一個(gè)接收垂直陣(vertical receiver array, VRA)組成，發(fā)射和接收的水平距離約為50 m。試驗(yàn)水域的深度大約為5.5 m，試驗(yàn)中聲源、目標(biāo)和接收陣的幾何布局如圖6(a)所示。發(fā)射源S與海面的距離約為4.1 m，接收陣列由8個(gè)陣元組成，陣列孔徑約為4.5 m，陣元間距約為0.6 m，從上到下依次標(biāo)號(hào)，其中第1號(hào)陣元位于水下1.2 m。發(fā)射換能器和接收陣元均通過剛性連接固定在海底。圖6(b)給出了試驗(yàn)水域的聲速剖面圖，從圖中可知，試驗(yàn)水域的聲傳播速度隨深度均勻分布，聲速值大約為1 535 m/s。

(a) 試驗(yàn)系統(tǒng)的幾何布局圖

(b) 試驗(yàn)水域的聲速剖面圖圖6 海試試驗(yàn)布局Fig.6 The scheme of the at-sea experiment

試驗(yàn)中的發(fā)射信號(hào)是中心頻率為22.5 kHz，帶寬為15 kHz的線性調(diào)頻信號(hào)，脈寬為10 ms，信號(hào)的發(fā)射周期為4 s，信號(hào)采樣率為120 kHz。試驗(yàn)中由潛水員模擬蛙人進(jìn)行目標(biāo)穿越試驗(yàn)，在該試驗(yàn)中蛙人穿越深度的具體值無法確定，僅根據(jù)紅外線測距儀測得蛙人穿越位置與聲源的距離來估計(jì)目標(biāo)穿越位置，試驗(yàn)中目標(biāo)穿越位置與發(fā)射陣的距離大約為15 m，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。

圖7 目標(biāo)穿越軌跡示意圖Fig.7 The diagram of the track of the moving target

2.2 接收信號(hào)結(jié)構(gòu)分析

圖8給出了第7個(gè)接收陣元在單個(gè)周期內(nèi)接收信號(hào)的時(shí)域波形、匹配濾波輸出以及信號(hào)包絡(luò)曲線，從圖中可以看出該通道具有5個(gè)主要的多途成分。

(a) 接收信號(hào)的時(shí)域波形

(b) 接收信號(hào)的匹配濾波輸出

(c) 接收信號(hào)的包絡(luò)圖8 第7號(hào)接收陣元在單個(gè)周期內(nèi)的接收信號(hào)Fig.8 The received signal of the 7th receiver element

接收信號(hào)包絡(luò)的起伏代表了接收聲場的到達(dá)結(jié)構(gòu)，對(duì)無目標(biāo)時(shí)背景聲場的接收信號(hào)進(jìn)行分析可以得到圖9所示的動(dòng)態(tài)信道分析結(jié)果，圖中表示了第7號(hào)接收陣元在450 s觀測時(shí)間內(nèi)接收聲場的到達(dá)結(jié)構(gòu)變化情況，從圖中可以看出該通道的接收信號(hào)主要有5條到達(dá)波，由于海水表面波浪的起伏和傳播介質(zhì)的隨機(jī)變化等，海洋環(huán)境中不同到達(dá)波的傳播時(shí)延和幅度均存在不同程度的擾動(dòng)。圖中小方框內(nèi)的兩條到達(dá)波分別對(duì)應(yīng)了直達(dá)路徑和一次水底反射路徑，這兩個(gè)到達(dá)波的幅度和時(shí)延受環(huán)境影響較小，是接收聲場中相對(duì)穩(wěn)定的成分；圖中大方框內(nèi)的三條到達(dá)波起伏較為明顯，這三條到達(dá)波對(duì)應(yīng)的傳播路徑均經(jīng)過海面反射，受水面起伏的影響較大，是接收聲場中的擾動(dòng)成分。

圖9 第7號(hào)接收陣元的接收信號(hào)到達(dá)結(jié)構(gòu)Fig.9 The receiving structure of the 7th receiver element

2.3 單通道的處理結(jié)果

計(jì)算訓(xùn)練樣本的重構(gòu)誤差得到圖10(c)的結(jié)果，從圖中可以看出，無目標(biāo)時(shí)背景聲場的擾動(dòng)范圍A在-0.2～0.2之間，即擾動(dòng)能量E=20lg(|A|)小于-14 dB。將每一幀的自編碼器重構(gòu)誤差能量按時(shí)間順序排列得到無目標(biāo)時(shí)聲場的探測曲線，如圖10(d)所示，圖中曲線的起伏范圍在-16～2 dB之間，重構(gòu)誤差能量的變化代表了無目標(biāo)時(shí)背景聲場的環(huán)境起伏引起的擾動(dòng)情況。

將測試樣本輸入訓(xùn)練好的自編碼器中得到對(duì)應(yīng)的預(yù)測輸出值，計(jì)算各幀的誤差曲線得到圖11(b)的結(jié)果，圖中在250～300 s之間出現(xiàn)亮點(diǎn)，說明了該處的重構(gòu)誤差較大，即聲場結(jié)構(gòu)存在較大的畸變，對(duì)應(yīng)了目標(biāo)前向散射信號(hào)引起的聲場擾動(dòng)。和圖10(c)相比，目標(biāo)穿越數(shù)據(jù)的誤差能量幅度在-0.22～0.45之間，擾動(dòng)范圍明顯高于圖10(c)中無目標(biāo)時(shí)的背景擾動(dòng)范圍。對(duì)比測試樣本中第1幀、第70幀和第120幀的重構(gòu)誤差曲線得到圖11(c)的結(jié)果，這三幀分別對(duì)應(yīng)了目標(biāo)穿越前、目標(biāo)穿越時(shí)和目標(biāo)穿越后的狀態(tài)，從圖中的結(jié)果可以看出，目標(biāo)穿越時(shí)的重構(gòu)誤差曲線和其他時(shí)刻相比存在較大差異，而目標(biāo)穿越前和目標(biāo)穿越后的誤差曲線基本類似，說明了目標(biāo)穿越后的背景聲場逐漸恢復(fù)到無目標(biāo)時(shí)的狀態(tài)。計(jì)算自編碼器重構(gòu)誤差的能量得到探測曲線，將該曲線做幅度歸一化得到圖11(d)所示的結(jié)果，圖中250～300 s之間出現(xiàn)了峰值，對(duì)應(yīng)了圖11(b)中重構(gòu)誤差出現(xiàn)亮點(diǎn)的位置，從圖中可以看到，基于自編碼器的探測算法在該穿越軌跡上提取到的擾動(dòng)量大約為8 dB。

(a) 110幀接收數(shù)據(jù)的直達(dá)信號(hào)包絡(luò)

(b) 110個(gè)訓(xùn)練樣本的預(yù)測輸出

(c) 訓(xùn)練樣本的重構(gòu)誤差

(d) 探測輸出曲線圖10 無目標(biāo)聲場在第7接收陣元上的處理結(jié)果Fig.10 The processing result of acoustic field without target on the 7th element of the receiver array

(a) 測試樣本的到達(dá)信號(hào)結(jié)構(gòu)

(b) 測試樣本的重構(gòu)誤差

(c) 不同時(shí)刻的誤差曲線

(d) 探測輸出曲線圖11 目標(biāo)穿越數(shù)據(jù)在第7號(hào)接收陣元上的處理結(jié)果Fig.11 The processing result of the target crossing data on the 7th element of the receiver array

2.4 不同接收深度的處理結(jié)果

圖12給出了8個(gè)接收陣元的接收信號(hào)做匹配濾波后的結(jié)果，從中可以看出不同接收深度的信號(hào)具有不同的到達(dá)結(jié)構(gòu)，分別對(duì)不同深度的接收信號(hào)做動(dòng)態(tài)信道分析，選取合適的時(shí)間窗，然后分析探測結(jié)果。

圖12 接收陣中1～8陣元接收的時(shí)域信號(hào)Fig.12 The received structure of the receiver array

表1列出了8個(gè)接收陣元的探測結(jié)果，表中時(shí)間窗的大小表示了不同深度下接收信號(hào)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的時(shí)間長度，自編碼器的訓(xùn)練參數(shù)和第7號(hào)陣元相同。從表中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，第1號(hào)陣元幾乎無法探測到聲場擾動(dòng)，圖13給出了第1號(hào)陣元的探測結(jié)果。從圖13(a)中可以看出，該陣元最靠近海面，由于海面起伏和環(huán)境噪聲等因素的影響，直達(dá)路徑信號(hào)本身的起伏較大，導(dǎo)致容易與目標(biāo)引起的擾動(dòng)相混淆。將環(huán)境引起的擾動(dòng)起伏與目標(biāo)引起的擾動(dòng)起伏進(jìn)行比較，由于蛙人產(chǎn)生的氣泡在聲場中會(huì)停留較長的時(shí)間，目標(biāo)穿越時(shí)引起的擾動(dòng)也會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，而環(huán)境擾動(dòng)的變化非常迅速，據(jù)此可以對(duì)目標(biāo)擾動(dòng)和環(huán)境擾動(dòng)進(jìn)行區(qū)分，降低探測系統(tǒng)的虛警率。通過觀察圖11(b)和圖13(b)可以看出，直接觀察重構(gòu)誤差的分布圖也可以明顯分辨出目標(biāo)引起聲場擾動(dòng)的位置。表1中的擾動(dòng)量統(tǒng)計(jì)說明了第2號(hào)～第6號(hào)陣元和其他深度的結(jié)果相比探測效果更好，這些深度的接收信號(hào)受海面和海底等影響較小，且試驗(yàn)中蛙人穿越的深度居中，因此這幾個(gè)陣元接收信號(hào)的信直比較高，探測效果較好。

表1 不同接收深度的探測結(jié)果Tab.1 The detection results on different receivers

(a) 訓(xùn)練樣本的到達(dá)結(jié)構(gòu)

(b) 探測樣本的重構(gòu)誤差

(c) 探測輸出曲線圖13 第1號(hào)接收陣元的探測結(jié)果Fig.13 The detection result of the 1st element of the receiver array

從以上結(jié)果可以看出，不同深度得到的探測擾動(dòng)量存在差異，除了訓(xùn)練樣本大小、環(huán)境噪聲等因素的影響，還與目標(biāo)前向散射與直達(dá)波的相互作用在各接收位置產(chǎn)生不同的干涉效應(yīng)有關(guān)，目標(biāo)穿越位置相對(duì)于不同的發(fā)射-接收對(duì)處于不同的位置，造成各深度接收信號(hào)中的干涉效應(yīng)不同，導(dǎo)致信直比(目標(biāo)散射波的功率和無目標(biāo)時(shí)的直達(dá)波功率的比值)存在差異，當(dāng)目標(biāo)位于收發(fā)連線的第一菲涅耳區(qū)時(shí)，目標(biāo)前向散射信號(hào)對(duì)接收信號(hào)的影響最大，接收信號(hào)的信直比最高，探測效果最好，當(dāng)目標(biāo)與收發(fā)連線的第一菲涅耳區(qū)較遠(yuǎn)時(shí)，如第1號(hào)接收陣元的情況，信直比較低導(dǎo)致探測效果較差。

將訓(xùn)練樣本更換為更接近目標(biāo)穿越時(shí)刻的無目標(biāo)聲場數(shù)據(jù)，然后對(duì)第1號(hào)接收通道的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到圖14所示的結(jié)果。從圖14中可以看出，相比環(huán)境擾動(dòng)，目標(biāo)引起的擾動(dòng)量達(dá)到8 dB，和圖13(c)中的2.8 dB相比提高了5.2 dB，說明了動(dòng)態(tài)變化的海洋環(huán)境會(huì)影響自編碼器的探測性能，在信道變化較為緩慢的條件下，可以通過實(shí)時(shí)更新訓(xùn)練樣本得到更新后的自編碼器參數(shù)來減小動(dòng)態(tài)信道對(duì)探測算法的影響。

圖14 更換訓(xùn)練樣本后的第1號(hào)接收陣元的探測輸出曲線Fig.14 The detection result of the 1st element of the receiver array with new training data

2.5 陣列處理結(jié)果

單個(gè)通道能夠獲取的聲場結(jié)構(gòu)信息有限，為了充分利用陣列上的接收信號(hào)，聯(lián)合不同通道的接收數(shù)據(jù)對(duì)自編碼器進(jìn)行訓(xùn)練，這里的訓(xùn)練樣本與圖14中的訓(xùn)練樣本為同一時(shí)段的接收數(shù)據(jù)。

圖15給出了陣列信號(hào)聯(lián)合處理的過程，按照表1中的時(shí)間窗大小分別截取各個(gè)深度接收信號(hào)的穩(wěn)定到達(dá)波結(jié)構(gòu)，然后將得到的8組數(shù)據(jù)按順序展開為向量形式，得到圖15(a)所示的結(jié)果，圖15(b)是對(duì)探測數(shù)據(jù)樣本處理后得到的重構(gòu)誤差，在250～300 s之間可以看到黃色的亮條紋，表明了這段時(shí)間內(nèi)的重構(gòu)誤差較大，即目標(biāo)穿越時(shí)刻大約為250～300 s之間。計(jì)算重構(gòu)誤差能量得到探測曲線，如圖15(c)所示的結(jié)果，從中可以看到在目標(biāo)穿越時(shí)刻探測到的擾動(dòng)量大約為12 dB，對(duì)于0～250 s內(nèi)的無目標(biāo)聲場，擾動(dòng)范圍在-16～-11 dB。和圖13和圖14中的探測曲線進(jìn)行對(duì)比，圖13的環(huán)境擾動(dòng)范圍是-16～-3 dB，圖14中的環(huán)境擾動(dòng)范圍在-14～-8 dB，說明了聯(lián)合多通道進(jìn)行訓(xùn)練得到的探測曲線的環(huán)境擾動(dòng)范圍較小，可以有效提高探測算法的穩(wěn)健性。

(a) 探測樣本的到達(dá)結(jié)構(gòu)

(b) 探測樣本的重構(gòu)誤差

(c) 探測輸出曲線圖15 陣列信號(hào)的處理結(jié)果Fig.15 The detection result by combining the receiving data on the receiver array

2.6 和其他探測方法的對(duì)比

本節(jié)將何傳林等提出的自適應(yīng)濾波方法和本文提出的方法進(jìn)行對(duì)比。圖16是采用自適應(yīng)濾波方法對(duì)第7接收通道的數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果。為了令結(jié)果具有可對(duì)比性，這里采用了與圖11中相同的時(shí)間窗和訓(xùn)練樣本。圖16(a)是直接應(yīng)用自適應(yīng)濾波方法得到的探測曲線，從中無法觀察到目標(biāo)穿越時(shí)引起的聲場擾動(dòng)，對(duì)處理樣本采用相位對(duì)齊操作后，得到圖16(b)所示的結(jié)果，從中可以觀察到250～300 s之間目標(biāo)引起的擾動(dòng)，說明了對(duì)接收信號(hào)的穩(wěn)態(tài)成分做相位對(duì)齊可以減少環(huán)境擾動(dòng)對(duì)探測結(jié)果的影響?；谧赃m應(yīng)濾波的方法和基于自編碼器的方法均是通過觀測差異信號(hào)的能量實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測的，目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)曲線輸出值會(huì)增高。將圖16(b)與圖11(c)進(jìn)行對(duì)比可知，基于自適應(yīng)濾波器的方法和基于自編碼器的方法探測到的擾動(dòng)量分別為1 dB和8 dB，說明了本文提出的基于自編碼器的目標(biāo)探測方法可探測到的擾動(dòng)量更大，該結(jié)果驗(yàn)證了本文方法對(duì)聲場畸變的增強(qiáng)性能。

(a) 不采用相位對(duì)齊操作

(b) 采用相位對(duì)齊操作圖16 基于自適應(yīng)濾波的目標(biāo)探測曲線Fig.16 Detection curve obtained by the detection method based on adaptive filtering

對(duì)一組連續(xù)1 600 s時(shí)間段內(nèi)的無目標(biāo)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用迭代閾值法分別計(jì)算兩個(gè)算法的探測閾值[15]，得到自適應(yīng)濾波方法和自編碼器方法對(duì)應(yīng)的虛警概率分別是11%和5%，該結(jié)果表明了本文提出的算法在動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境中對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的魯棒性較強(qiáng)。值得注意的是，這里的虛警概率僅代表1 600 s時(shí)間段內(nèi)400個(gè)樣本的虛警概率，與式(12)表示的虛警概率的理論值存在一定的差異，如果改變閾值的選取方法，虛警概率的值也會(huì)發(fā)生改變。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)海洋環(huán)境中信道的起伏變化容易影響前向散射信號(hào)檢測的問題，提出采用自編碼器無監(jiān)督地學(xué)習(xí)無目標(biāo)時(shí)的背景聲場結(jié)構(gòu)，通過處理接收信號(hào)包絡(luò)結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定成分減小信道起伏的影響，蛙人穿越的海試數(shù)據(jù)處理結(jié)果說明了：

(1) 應(yīng)用自編碼器無監(jiān)督地學(xué)習(xí)聲場結(jié)構(gòu)的特征，通過觀測自編碼器探測到的重構(gòu)誤差能量可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測，并確定目標(biāo)的穿越時(shí)間；

(2) 對(duì)于不同位置的發(fā)射-接收對(duì)，目標(biāo)的前向散射波與直達(dá)波的干涉模式不同，導(dǎo)致探測到的擾動(dòng)量存在差異，只有當(dāng)目標(biāo)位于收發(fā)連線的第一菲涅耳區(qū)內(nèi)時(shí)探測效果最好，因此，如果采用垂直發(fā)射陣和接收陣，可以大大提高探測系統(tǒng)的探測范圍；

(3) 訓(xùn)練樣本的選取會(huì)直接影響到自編碼器探測算法的結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意兩點(diǎn)：第一點(diǎn)，時(shí)間窗的選取應(yīng)盡量包含接收信號(hào)中的穩(wěn)定成分，減少背景環(huán)境的擾動(dòng)成分；第二點(diǎn)，應(yīng)實(shí)時(shí)更換無目標(biāo)聲場的訓(xùn)練樣本，對(duì)自編碼器的參數(shù)進(jìn)行更新；

(4) 通過聯(lián)合陣列的多通道信號(hào)可以進(jìn)一步抑制背景聲場的擾動(dòng)，從而提高探測的穩(wěn)健性。

本文提出的目標(biāo)探測方法的優(yōu)勢在于兩個(gè)方面，一方面在于，通過包絡(luò)提取、相位對(duì)齊等操作減小了環(huán)境擾動(dòng)對(duì)探測結(jié)果的影響；另一方面在于，應(yīng)用基于自編碼器的異常偵測方法增強(qiáng)目標(biāo)引起的聲場畸變。但該方法需要無目標(biāo)的聲場數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，在海洋環(huán)境劇烈變化的情況下，需要頻繁更新訓(xùn)練樣本，給檢測帶來不便，另外，本文的試驗(yàn)仍不夠完善，后續(xù)試驗(yàn)需要對(duì)不同種類的目標(biāo)、不同目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度、以及不同海況等條件下進(jìn)行分析。