吳　雙，楊長生，梁　紅

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安，710072）

一種氣泡背景下目標(biāo)檢測(cè)算法

吳雙，楊長生，梁紅

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安，710072）

研究發(fā)現(xiàn)，海豚在氣泡背景下檢測(cè)目標(biāo)的能力優(yōu)于人工聲吶?；诤ｋ嘣谒阉髂繕?biāo)時(shí)發(fā)射的信號(hào)都是脈沖串的形式，且有些信號(hào)的相鄰2個(gè)脈沖相位相反。文中采用Keller-Miksis方程的氣泡模型，使用相位相反的仿海豚喀啦脈沖對(duì)，利用雙反脈沖聲吶（TWIPS）研究了其在氣泡背景下探測(cè)目標(biāo)的有效性，并將其與標(biāo)準(zhǔn)聲吶處理進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果表明，對(duì)于文中采用的氣泡云分布，利用TWIPS探測(cè)線性目標(biāo)時(shí)其性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)聲吶處理的性能。

氣泡；目標(biāo)檢測(cè)；Keller-Miksis方程；雙反脈沖聲吶

0　引言

在淺海海域以及生物活躍區(qū)域等存在大量的氣泡，學(xué)術(shù)界關(guān)于氣泡特性的研究［1-2］也有很多，氣泡的散射和衰減使得人工主動(dòng)聲吶不能準(zhǔn)確地探測(cè)到淹沒在水下氣泡云中的目標(biāo)。氣泡云形成的自然過程包括降水、艦船尾流、波浪破碎、地球物理活動(dòng)或者生物活動(dòng)等。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，海豚仍然可以在這樣的環(huán)境中有效地捕食獵物。文中致力于采用海豚“喀啦”［3］信號(hào)，利用雙反脈沖聲吶（twin inverted pulse donar ，TWIPS）仿真實(shí)現(xiàn)氣泡背景下目標(biāo)的探測(cè)，并證明了TWIPS在氣泡背景下探測(cè)目標(biāo)的性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)聲吶處理［4］的性能。

1　氣泡后向散射理論

一定條件下，氣泡云的后向散射可以等效為單個(gè)氣泡后向散射的累加，因此首先給出單個(gè)氣泡的后向散射。計(jì)算不同半徑單個(gè)氣泡的理論響應(yīng)時(shí)首先求解Keller-Miksis方程［5］

氣泡壁的液體聲強(qiáng)為

在距離氣泡中心r處的聲強(qiáng)為

利用龍格庫塔方法求解式（1），將解得的氣泡瞬時(shí)半徑和半徑速度代入式（3），即可求得單個(gè)氣泡的后向散射。

在考慮氣泡間多重散射情況下，氣泡云（一群氣泡）后向散射響應(yīng)的計(jì)算非常復(fù)雜。文中不考慮氣泡間的散射并假設(shè)氣泡云球形分散，氣泡云中的氣泡均勻分布，仿真中將連續(xù)的氣泡云半徑分布離散成幾個(gè)區(qū)間，并將各個(gè)區(qū)間內(nèi)所有氣泡的半徑用某一代表性的半徑代替，如表1所示。通過計(jì)算可知，氣體所占體積分?jǐn)?shù)為1.936×10-8，此時(shí)，氣泡云的后向散射可以看成是各個(gè)區(qū)間代表氣泡的后向散射的疊加。

表1　氣泡云分布Table 1　Bubble cloud distribution

2　氣泡背景下目標(biāo)檢測(cè)算法

研究表明，當(dāng)發(fā)射脈沖的幅度足夠高或者發(fā)射脈沖的頻率接近諧振頻率時(shí)，氣泡發(fā)生非線性散射［6］，而目標(biāo)可以看成是線性散射體。因此氣泡背景下目標(biāo)檢測(cè)問題就歸結(jié)為非線性背景下檢測(cè)線性散射問題。

TWIPS［7-8］是Leighton教授通過觀察淺海海域海豚的行為而提出的，它能增強(qiáng)目標(biāo)的線性散射，同時(shí)抑制氣泡的非線性散射，反之亦然。其流程框圖如圖1（a）所示。

圖1　雙反脈沖聲吶和標(biāo)準(zhǔn)聲吶處理的流程框圖Fig.1　Processing flow chart of twin inverted pulse sonar（TWIPS）and standard sonar

為了考察TWIPS在實(shí)現(xiàn)氣泡背景下探測(cè)目標(biāo)的性能，文中用標(biāo)準(zhǔn)聲吶處理進(jìn)行比較，其流程框圖如圖1（b）所示。圖1中的回波是發(fā)射信號(hào)p（t）作用在氣泡和目標(biāo)上的總響應(yīng)。p（t）由s1（t），s2（t）這2個(gè)脈沖組成，這2個(gè)脈沖除了相位相反外其余特性完全一致，兩脈沖間隔為τ，即p（t）=s1（t）-s2（t-τ）。在此脈沖激勵(lì)下，目標(biāo)散射為線性，其響應(yīng)為

式中，h（t）是系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。s2（t）與s1（t）的相位相反，那么響應(yīng)x2（t）為

將xk（t）的匹配濾波器輸出表示為Xk（t），其中，k=1，2。X2（t）與X1（t）的和，記作P+，對(duì)于線性散射體來說其為零，而對(duì)于非線性散射體，一般情況下P+不為零，這是因?yàn)閷?duì)于非線性系統(tǒng)，相位相反的2個(gè)脈沖的散射并不是按線性增益-1的比例變化的。X1（t）減去X2（t），記作P-，能夠提高散射信號(hào)的線性成分，同時(shí)抑制非線性部分。

3　仿真及討論

仿真中使用仿海豚喀啦脈沖對(duì)，其正脈沖如圖2所示。正脈沖持續(xù)時(shí)間為120 μs，由2個(gè)負(fù)調(diào)頻結(jié)構(gòu)的線性調(diào)頻信號(hào)組成，頻率范圍分別為為30～84 kHz和76～130 kHz（所對(duì)應(yīng)氣泡諧振半徑近似為25～110 μm）。

為了考察在仿海豚脈沖對(duì)作用下不同半徑氣泡的響應(yīng)，選取氣泡半徑為40 μm和250 μm，這2種半徑的單個(gè)氣泡后向散射的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2　仿真中使用的脈沖時(shí)域圖和頻譜圖Fig.2　Pulse used in the simulation in time domain and frequency domain

圖3（a）中，氣泡響應(yīng)的幅度不是按入射脈沖的幅度比例變化，原因是40 μ m氣泡半徑的諧振頻率在入射脈沖的頻率帶寬之內(nèi)，氣泡發(fā)生非線性散射。由圖3（b）可以看出，氣泡沒有發(fā)生非線性響應(yīng)，即氣泡相當(dāng)于一個(gè)線性散射體，原因是1 000 μm氣泡半徑的諧振頻率低于入射脈沖的最低頻率。對(duì)于表1所示的氣泡云分布，在圖2的仿海豚信號(hào)的激勵(lì)下，氣泡云后向散射的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3　相位相反的2個(gè)脈沖激勵(lì)下的單個(gè)氣泡后向散射曲線Fig.3　Backscattering curves of single bubble inspired by two pulses with inverted phase

圖4　正脈沖激勵(lì)下的氣泡云后向散射曲線Fig.4　Backscattering curves of bubble cloud inspired by positive pulse

圖5　雙反脈沖聲吶（TWIPS）和標(biāo)準(zhǔn)聲吶處理的成像圖Fig.5　Images processed by TWIPS and standard sonar

為了考察TWIPS在區(qū)分線性散射體和非線性散射體上的有效性，在此使用聲探測(cè)圖像來說明，如圖5所示（作為比較，同時(shí)給出標(biāo)準(zhǔn)聲吶處理輸出）。由圖5可知，P+抑制了線性散射體，而P-增強(qiáng)了線性散射體，從而推斷出TWIPS可以區(qū)分線性散射體和非線性散射體，也就是說TWIPS能夠?qū)崿F(xiàn)在氣泡背景下檢測(cè)目標(biāo)。

為了定量考察TWIPS在氣泡背景下檢測(cè)目標(biāo)性能，給出了接收機(jī)工作特性曲線，橫坐標(biāo)表示信混比（目標(biāo)回波與氣泡云后向散射的功率比）。如圖6所示。結(jié)果表明，TWIPS比標(biāo)準(zhǔn)聲吶處理在氣泡水中檢測(cè)目標(biāo)的性能更優(yōu)。

圖6　P-和標(biāo)準(zhǔn)聲吶處理的接收機(jī)工作特性曲線Fig.6　Receiver operating characteristic curves of P_ and standard sonar processing

4　結(jié)論

文中對(duì)單個(gè)氣泡的后向散射和氣泡云的后向散射響應(yīng)進(jìn)行了研究，并研究了TWIPS在氣泡背景下探測(cè)目標(biāo)的可行性以及其探測(cè)性能。仿真結(jié)果表明，采用仿海豚脈沖利用TWIPS可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線性散射體和非線性散射體的區(qū)分，即可以探測(cè)到氣泡背景下的目標(biāo)。此外，TWIPS在氣泡背景下檢測(cè)目標(biāo)的性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)聲吶處理。

［1］馬青山，陳亞林，郝保安，等.艦船遠(yuǎn)尾流場(chǎng)氣泡特性研究［J］.魚雷技術(shù)，2014，22（4）：311-315.

Ma Qing-shan，Chen Ya-lin，Hao Bao-an，et al.Study on Bubble Characteristics of Ship Far Wake Field［J］.Torpedo Technology，2014，22（4）：311-315.

［2］張群，王英民.尾流中多氣泡模型及有限元分析［J］.魚雷技術(shù)，2014，22（4）：316-320.

Zhang Qun，Wang Ying-min.Multi-bubble Models in Ship Wake and Finite Element Analysis［J］.Torpedo Technology，2014，22（4）：316-320.

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Wu Shuang，Yang Chang-sheng，Liang Hong.Simulation Analysis of Bubbles Backscatter of Bionic Signals［J］.Technical Acoustics，2014，33（4）：411-414.

［7］Leighton T G，F(xiàn)infer D C，Chua G H，et al.Clutter Suppression and Classification Using Twin Inverted Pulse Sonar in Ship Wakes［J］.The Journal of the Acoustical Society of America，2011，130（5）：3431-3437.

［8］Leighton T G，F(xiàn)infer D C，White P R，et al.Clutter Suppression and Classification Using Twin Inverted Pulse Sonar（TWIPS）［J］.Royal Society of London Proceedings Series A，2010，466：3453-3478.

（責(zé)任編輯：楊力軍）

An Algorithm of Target Detection in Bubbly Water

WU Shuang，YANG Chang-sheng，LIANG Hong

（School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China）

It is quite difficult to detect targets using man-made sonar due to the existance of bubbles，while researches indicate that dolphins outperform man-made sonar in detecting targets in bubbly water.The signals emitted by dolphins are in the form of pulse sequences，and some of two adjacent pulses are of inverted phase.In this study，the bubble model of Keller-Miksis equation and the twin inverted pulse sonar（TWIPS）are used to investigate the effectiveness of target detection of the dolphin-like clicking sound pulse pair with inverted phase in bubbly water.Furthermore，the performances are compared between TWIPS and standard sonar.Simulation results show that for the detection of linear target，TWIPS behaves better than the standard sonar in given bubble cloud distribution.

bubbles；target detection；Keller-Miksis equation；twin inverted pulse sonar（TWIPS）

TJ630.34；TB56

A

1673-1948（2015）04-0276-04

2015-06-02；

2015-06-23.

國家自然科學(xué)基金（61201322）、（61379007），中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（3102015ZY015）.

吳雙（1990-），女，在讀碩士，研究方向?yàn)樗滦盘?hào)與信息處理.