胡瀚文，許炎義，姜可宇

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

探雷聲納屬于一種圖像聲納。水雷探測(cè)的主要背景干擾是海底混響，當(dāng)水雷目標(biāo)回波足夠強(qiáng)時(shí)，可以從混響背景圖像中觀察到水雷目標(biāo)亮點(diǎn)，為進(jìn)一步的目標(biāo)辨識(shí)或水雷規(guī)避提供信息［1］。在探雷聲納的工作量程內(nèi)，海底混響隨距離的變化非常劇烈［2］，而受模數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)的限制聲納信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍一般不是很大，需要操作人員根據(jù)給定量程的聲納圖像情況調(diào)節(jié)前置放大器的放大倍數(shù)以及時(shí)間增益參數(shù)等，將聲納信號(hào)調(diào)整到合適的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，并且前后距離上的圖像亮度差別不是很大，否則混響背景圖像會(huì)表現(xiàn)得過(guò)亮或過(guò)暗，不利于操作人員根據(jù)聲納圖像辨識(shí)疑似水雷目標(biāo)。

在改變探雷聲納工作量程或海底深度變化時(shí)，操作人員需要頻繁改變聲納的時(shí)控增益和手控增益等參數(shù)，以提高聲納圖像質(zhì)量，便于操作人員辨識(shí)水雷。頻繁調(diào)整聲納工作參數(shù)，一方面會(huì)增加操作人員工作負(fù)擔(dān)，另一方面會(huì)轉(zhuǎn)移操作人員辨識(shí)水雷目標(biāo)的注意力，從而耽誤水雷目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)。水下無(wú)人航行器(UUV)作為反水雷作戰(zhàn)的重要力量，具有隱蔽性好、安全性高、智能化程度高等特點(diǎn)［3］，其攜載探雷聲納增益參數(shù)的調(diào)整也必然要求自動(dòng)調(diào)節(jié)。因此，實(shí)現(xiàn)探雷聲納時(shí)控增益和手控增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)，有利于提高掃雷艦部隊(duì)對(duì)于水雷的辨識(shí)水平。

1 探雷聲納增益控制模型

探雷聲納增益控制環(huán)節(jié)包括手控增益和時(shí)控增益兩個(gè)工作參數(shù)。其中手控增益調(diào)整的是聲納前置放大器的放大倍數(shù)，會(huì)影響聲納圖像的整體亮度。根據(jù)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和混響強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍，手控增益可設(shè)若干個(gè)等級(jí)，相鄰等級(jí)之間的放大倍數(shù)一般相差3dB。

時(shí)控增益曲線表示對(duì)不同距離信號(hào)給予不同的放大倍數(shù)。由于混響強(qiáng)度往往呈指數(shù)衰減，因此在一定距離范圍內(nèi)，時(shí)控增益呈指數(shù)增長(zhǎng)。當(dāng)距離增加到某個(gè)臨界距離時(shí)，混響級(jí)衰減到與海洋環(huán)境噪聲級(jí)相當(dāng)，大于臨界距離后，聲納的主要背景干擾是海洋環(huán)境噪聲，而短時(shí)間內(nèi)海洋環(huán)境噪聲級(jí)是不變的，因此一定距離之后時(shí)控增益保持不變。總之，當(dāng)表示放大倍數(shù)的縱軸取對(duì)數(shù)時(shí)，小于臨界距離的時(shí)控曲線為一定斜率的線段，大于臨界距離的時(shí)控曲線為一水平線段。如圖1所示，為適應(yīng)不同海洋環(huán)境下不同混響衰減速度的需要，探雷聲納往往設(shè)計(jì)有多條時(shí)控增益曲線。選擇其中一種與混響衰減速度最匹配的時(shí)控增益曲線，可使信號(hào)強(qiáng)度調(diào)節(jié)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的大小。時(shí)控增益參數(shù)與手控增益參數(shù)的聯(lián)合調(diào)節(jié)，可使顯示出來(lái)的聲納圖像前后距離上的亮度相差不大，這樣有利于發(fā)現(xiàn)圖像中可能存在的疑似水雷目標(biāo)。圖1表示的是探雷聲納的3條時(shí)控增益曲線，時(shí)控1、時(shí)控2、時(shí)控3分別對(duì)應(yīng)混響衰減慢、中、快三種類型［4］。

圖1 時(shí)間增益控制曲線

2 聲納圖像顯示效果評(píng)估

根據(jù)顯示的需要，聲納送顯數(shù)據(jù)一般會(huì)量化成2n個(gè)等級(jí)，如256級(jí)。由于聲納圖像質(zhì)量是人的一種主觀感覺(jué)，因此難以從理論上給出具體的分析。圖2為一幅比較理想的聲納圖像，亮度適中，前后對(duì)比反差小，便于水雷目標(biāo)的辨識(shí)。

圖2 典型聲納圖像

下面定義評(píng)價(jià)聲納圖像是否有利于水雷目標(biāo)辨識(shí)的兩個(gè)指標(biāo)，即聲納圖像的亮度和對(duì)比度。

2.1 聲納圖像亮度

尺寸為M×N的聲納圖像亮度定義如下:

式中，Pij為第i行第j列的聲納顯示數(shù)據(jù)。圖像亮度太大或太小，都不利于圖像中小目標(biāo)的辨識(shí)。

2.2 聲納圖像的對(duì)比度

由于混響強(qiáng)度隨距離呈指數(shù)衰減，在無(wú)時(shí)控增益的情況下，聲納圖像在近距離上的亮度會(huì)較強(qiáng)，而遠(yuǎn)距離上的亮度會(huì)較弱，在時(shí)控增益曲線選擇不合適的情況下，聲納圖像在近距離和遠(yuǎn)距離上的亮度會(huì)相差較大，通過(guò)手控增益的調(diào)整無(wú)法達(dá)到合適的聲納圖像效果。

假設(shè)以聲納圖像距離維上第i個(gè)元素為分界點(diǎn)，將聲納圖像分為前后兩部分，則此時(shí)的聲納圖像對(duì)比度定義為

式(3)表示分界點(diǎn)在聲納圖像中間段范圍內(nèi)取值時(shí)以對(duì)比度的極大值作為整幅聲納圖像的對(duì)比度。如果在對(duì)比度分析段內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)極大值，則以對(duì)比度曲線ρi斜率最小值對(duì)應(yīng)的對(duì)比度值作為整幅聲納圖像的對(duì)比度。該對(duì)比度反映了聲納圖像亮度在遠(yuǎn)近距離上的一致程度。

2.3 理想聲納圖像的標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)大量聲納圖像(圖像幅值按256級(jí)量化)的觀察，可以發(fā)現(xiàn)便于水雷目標(biāo)辨識(shí)的聲納圖像在統(tǒng)計(jì)特性上具有如下共同的特點(diǎn):

1)聲納圖像亮度在25至50之間;

2)聲納圖像對(duì)比度在0.6至1.6之間。

符合以上兩個(gè)條件的聲納圖像整體亮度適中，前后亮度差異不大，比較有利于水雷目標(biāo)的辨識(shí)。圖2顯示聲納圖像的亮度和對(duì)比度分別為30.7和1.1，符合上述條件。本文將以此為依據(jù)，對(duì)探雷聲納增益參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整方案進(jìn)行研究。

3 聲納增益參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整方案及其檢驗(yàn)

3.1 聲納增益參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程

聲納增益參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整的過(guò)程如下:

1)計(jì)算當(dāng)前聲納圖像的亮度和對(duì)比度;

2)根據(jù)這兩個(gè)指標(biāo)的大小情況，選擇其中一個(gè)參數(shù)，計(jì)算參數(shù)調(diào)整偏差量;

3)重新生成聲納圖像，完成聲納圖像的調(diào)整。

在第二步中，有兩個(gè)問(wèn)題需要解決:一是選擇手控增益和時(shí)控增益兩個(gè)參數(shù)中的哪一個(gè)進(jìn)行調(diào)整;二是如何進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

由于圖像對(duì)比度的計(jì)算要求聲納圖像大部分的幅度值都在0～255的顯示范圍內(nèi)，否則可能估計(jì)不準(zhǔn)確，因此首先考察圖像的亮度，然后考察圖像的對(duì)比度。聲納增益參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整步驟如圖3所示。其中a，b和c，d分別為便于水雷目標(biāo)辨識(shí)的聲納圖像亮度和對(duì)比度指標(biāo)范圍的上下限，取值分別為25、50、0.6、1.6。

圖3 聲納增益參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整流程圖

3.2 手控增益參數(shù)調(diào)整量計(jì)算

手控增益參數(shù)的調(diào)整一般是在預(yù)先設(shè)計(jì)的若干個(gè)增益檔位之間選擇，相鄰兩檔之間的增益一般相差3dB。因此，手控增益向上或向下每調(diào)整一檔，聲納圖像的亮度將變成原來(lái)的兩倍或一半。手控增益檔位調(diào)整量的計(jì)算式如下:

其中，［·］表示按四舍五入取整。

3.3 時(shí)控增益參數(shù)調(diào)整量計(jì)算

圖1中三條時(shí)控增益曲線在200m～500m之間的某個(gè)距離上均存在一個(gè)拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)之后的距離上，探雷聲納背景干擾一般主要為海洋環(huán)境噪聲，時(shí)控增益保持不變，因此當(dāng)聲納圖像的觀察范圍在400米以上時(shí)，時(shí)控增益參數(shù)調(diào)整的意義不大。下面重點(diǎn)討論觀察范圍在500m以內(nèi)時(shí)時(shí)控增益參數(shù)調(diào)整量的計(jì)算。

如圖1所示，假設(shè)三條時(shí)控增益曲線的序號(hào)表示為i，取值分別為1、2、3。時(shí)控增益參數(shù)可按式(5)來(lái)調(diào)整:

需要指出的是，如果調(diào)整后的時(shí)控增益曲線序號(hào)超出了取值范圍，則時(shí)控增益參數(shù)維持不變。

3.4 聲納增益參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)聲納增益參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整的有效性，根據(jù)實(shí)際聲納技術(shù)參數(shù)和設(shè)定的海洋環(huán)境參數(shù)等仿真產(chǎn)生聲納圖像［5-6］，在圖像中間位置模擬了一個(gè)目標(biāo)亮點(diǎn)。

探雷聲納圖像仿真的初始及自適應(yīng)調(diào)整過(guò)程中的增益參數(shù)如表1所示。序號(hào)1對(duì)應(yīng)的各個(gè)參數(shù)表示初始圖像的情況，亮度明顯太弱，對(duì)比度也偏大，難以觀察到目標(biāo)亮點(diǎn)的存在，仿真聲納圖像如圖4(a)所示。經(jīng)過(guò)第一次增益參數(shù)調(diào)整后，亮度已符合要求，但對(duì)比度仍然太大，經(jīng)過(guò)第二次增益參數(shù)調(diào)整后，亮度仍然符合要求，對(duì)比度已接近可接受區(qū)間的上限1.6，由于時(shí)控增益已不能繼續(xù)向上調(diào)整，因此結(jié)束聲納圖像的自適應(yīng)增益調(diào)整過(guò)程，最終的聲納圖像如圖4(b)所示，圖中目標(biāo)亮點(diǎn)由橢圓圈出。圖像亮度和對(duì)比度比較合適，目標(biāo)亮點(diǎn)突出，達(dá)到了增益參數(shù)調(diào)整的目的。

表1 聲納圖像增益參數(shù)調(diào)整表

圖4 增益參數(shù)調(diào)整前后對(duì)比圖像

對(duì)于實(shí)際探雷聲納圖像增益參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，必須持續(xù)監(jiān)控聲納圖像的亮度和對(duì)比度這兩個(gè)指標(biāo)，一旦發(fā)現(xiàn)它們偏離可接受范圍，且存在進(jìn)一步調(diào)整的空間，則及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)探雷聲納操作過(guò)程中手控增益和時(shí)控增益參數(shù)調(diào)整繁瑣，不利于操作人員集中注意力辨識(shí)水雷目標(biāo)的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了這兩個(gè)增益參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整方案。對(duì)仿真探雷聲納圖像處理的結(jié)果表明，該自適應(yīng)調(diào)整方案可以在少數(shù)幾次的參數(shù)調(diào)整后，達(dá)到比較適于水雷目標(biāo)觀察的圖像狀態(tài)，圖像亮度和對(duì)比度適中。

［1］劉夢(mèng)庵.水聲工程［M］.杭州:浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2002:343-345.

［2］王德石，譯.實(shí)用聲納工程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004:221-223.

［3］龐繼先，周健強(qiáng).水下無(wú)人航行器在未來(lái)反水雷作戰(zhàn)中的使用［J］.海軍學(xué)術(shù)研究，2006(6):19-20

［4］汪炘.探雷聲納圖像仿真研究［D］.武漢:海軍工程大學(xué)，2010:65-66.

［5］汪炘，姜可宇.探雷聲納圖像仿真技術(shù)［J］.聲學(xué)技術(shù)，2010，35(12):10-15.

［6］姜可宇，蔡志明.一種探雷聲納背景圖像仿真的快速實(shí)現(xiàn)方法［J］.指揮控制與仿真，2012，34(4):98-101.