陳云飛，黎 勝，王振山，李桂娟，高 峰

（1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116013）

水中目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏特征研究

陳云飛1，2，黎 勝1，王振山2，李桂娟2，高 峰2

（1.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116013）

水中目標(biāo)散射聲信號(hào)中蘊(yùn)含了目標(biāo)外形、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等物理屬性信息，如何表征和提取這些屬性信息一直是水中目標(biāo)散射聲信號(hào)分類與識(shí)別研究關(guān)注的焦點(diǎn)之一。為此，文章提出并研究了與水中目標(biāo)屬性信息相關(guān)聯(lián)的散射聲信號(hào)包絡(luò)起伏特征，分析了該特征與目標(biāo)外形、結(jié)構(gòu)等物理屬性間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)及其形成機(jī)理，建立了相應(yīng)的特征表征模型，并開展了理論仿真分析和模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。研究結(jié)果表明：體目標(biāo)回波的脈沖包絡(luò)起伏極值頻率隨入射聲波的載頻增加而增加，這體現(xiàn)了體目標(biāo)的屬性；BenchMark模型的回波脈沖包絡(luò)起伏頻率與目標(biāo)方位角密切相關(guān)，其中艏艉方向最大，正橫方位最小。

水中目標(biāo)；目標(biāo)回波；脈沖包絡(luò)起伏

0 引 言

主動(dòng)聲納是探測(cè)和感知水中物體或目標(biāo)的重要手段，其對(duì)目標(biāo)識(shí)別或判識(shí)的信息源來自目標(biāo)散射波所攜帶的目標(biāo)特征信息，其中目標(biāo)外形、結(jié)構(gòu)、尺度等目標(biāo)本質(zhì)屬性信息是對(duì)主動(dòng)聲納目標(biāo)識(shí)別極為重要的目標(biāo)特征信息，表征和提取與目標(biāo)物理屬性參數(shù)相關(guān)聯(lián)的散射聲信號(hào)特征一直是水中目標(biāo)散射聲信號(hào)分類識(shí)別研究的焦點(diǎn)。從通信論的觀點(diǎn)可以認(rèn)為，主動(dòng)聲納發(fā)射的聲脈沖信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射后產(chǎn)生回波，在入射聲波與目標(biāo)相互作用過程中，目標(biāo)對(duì)入射聲脈沖做了線性變換，即對(duì)入射聲波進(jìn)行了幅度和波形的變換[1]，導(dǎo)致目標(biāo)回波信號(hào)的脈沖包絡(luò)起伏。水中彈性目標(biāo)聲散射機(jī)理研究揭示了目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏與目標(biāo)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺度等屬性參數(shù)之間的機(jī)理關(guān)系[2-6]，目標(biāo)幾何散射波和彈性散射波共同疊加引起了入射聲波脈沖包絡(luò)的幅度起伏，因此目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏蘊(yùn)含了目標(biāo)屬性參數(shù)的信息。已開展的大量研究采用回波亮點(diǎn)的數(shù)量、亮點(diǎn)的強(qiáng)度分布、亮點(diǎn)的間隔等參數(shù)對(duì)脈沖包絡(luò)起伏進(jìn)行時(shí)域特征表征和特征提取[7-9]，并針對(duì)水中復(fù)雜目標(biāo)回波亮點(diǎn)特征的舷角變化特性，對(duì)目標(biāo)回波亮點(diǎn)相對(duì)關(guān)系進(jìn)行定量分析，建立了目標(biāo)回波特征統(tǒng)計(jì)表征模型[10]，深化了目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏的特征表征和提取研究。目前有關(guān)復(fù)雜目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏的亮點(diǎn)特征研究大都是針對(duì)目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)的時(shí)域波形結(jié)構(gòu)特征，少有研究關(guān)注目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏的強(qiáng)弱、周期與目標(biāo)屬性參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，以及載波頻率對(duì)脈沖包絡(luò)起伏的影響，而聽覺感知試驗(yàn)研究也表明載波頻率和脈沖包絡(luò)起伏頻率對(duì)聽覺時(shí)間測(cè)檢測(cè)能力具有重要影響[11]。已有研究表明水中簡(jiǎn)單實(shí)心圓柱目標(biāo)的聲環(huán)繞波在時(shí)域上存在周期性[2]，表現(xiàn)為目標(biāo)回波包絡(luò)的周期性起伏，回波包絡(luò)起伏頻率與圓柱的材質(zhì)和圓柱的直徑相關(guān)；周期性加隔板有限長(zhǎng)圓柱殼中的周期性分布內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠形成明顯的幾何聲散射[12]，引起回波包絡(luò)的周期性加強(qiáng)，這表明回波脈沖包絡(luò)起伏的頻率與目標(biāo)結(jié)構(gòu)參數(shù)存在內(nèi)在的關(guān)聯(lián)。本文針對(duì)與水中目標(biāo)屬性參數(shù)相關(guān)聯(lián)的散射信號(hào)特征表征和提取問題，建立與目標(biāo)外形、結(jié)構(gòu)等屬性參數(shù)相關(guān)聯(lián)的目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏頻域特征表征模型，海上實(shí)測(cè)研究驗(yàn)證了目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏特征對(duì)BenchMark模型和石頭兩類不同屬性目標(biāo)的回波特性表征效果。

1 目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏特征形成機(jī)理

水中簡(jiǎn)單彈性圓柱目標(biāo)的散射聲回波中存在周期性的環(huán)繞波[2]，平面波垂直入射到無限長(zhǎng)圓柱激發(fā)的環(huán)繞波的周期為：

其中：Cph為彈性圓柱或圓柱殼中表面波的相速度，表征了目標(biāo)的材質(zhì)信息，a為圓柱的半徑，表征了目標(biāo)的尺度信息。

在斜入射情況下，圓柱表面可能激發(fā)起與柱軸成一定角度的傾斜傳播的表面波。當(dāng)圓柱足夠長(zhǎng)時(shí)，其表面可傳播螺旋形環(huán)繞波，而螺旋環(huán)繞波的周期為：

其中：C為水中聲速，β為聲波入射角（即入射聲線與柱軸夾角），α為螺旋角（即螺旋線與柱軸夾角）。簡(jiǎn)單目標(biāo)的環(huán)繞波在時(shí)域的周期性引起了回波信號(hào)包絡(luò)幅度的周期性起伏，這種特性可以用回波的脈沖包絡(luò)起伏頻率進(jìn)行表征?；夭}沖包絡(luò)起伏的頻率由目標(biāo)的材質(zhì)、尺度等參數(shù)決定，回波包絡(luò)起伏的強(qiáng)度與快慢（即頻率）體現(xiàn)了彈性散射波與幾何散射波的能量差異與不同類型表面波的到達(dá)時(shí)間差異，表征了目標(biāo)屬性參數(shù)信息。

水中復(fù)雜目標(biāo)可以看作是各種簡(jiǎn)單目標(biāo)的組合體，其回波信號(hào)中包含了幾何反射波和各種類型的彈性波，各種性質(zhì)的波在時(shí)域上的到達(dá)時(shí)間不同，目標(biāo)回波亮點(diǎn)模型可以表征包含幾何散射與彈性散射的復(fù)雜目標(biāo)回波，即把鏡反射波和環(huán)繞波等構(gòu)成的彈性散射波統(tǒng)一看成是目標(biāo)回波亮點(diǎn)，任何一個(gè)復(fù)雜目標(biāo)都可以等效成由若干個(gè)散射亮點(diǎn)的組合。從信號(hào)包絡(luò)起伏的角度來說，目標(biāo)回波亮點(diǎn)體現(xiàn)為回波包絡(luò)起伏的多個(gè)峰值點(diǎn)?；诹咙c(diǎn)模型，目標(biāo)回波信號(hào)可表示：

其中：y0（ t, θ）為傳感器接收到的目標(biāo)回波，x（t-τi）為經(jīng)過τi延時(shí)的入射聲波，ai（θ）為亮點(diǎn)強(qiáng)度系數(shù)，θ為目標(biāo)與入射聲波的夾角，b（）t為回波背景。

為簡(jiǎn)化推導(dǎo)流程，假設(shè)體目標(biāo)的散射亮點(diǎn)等間隔分布，τi為第i個(gè)亮點(diǎn)與信號(hào)接收起點(diǎn)的時(shí)延差，具體如下：

其中：L為目標(biāo)的縱向長(zhǎng)度，N為亮點(diǎn)個(gè)數(shù)。設(shè)發(fā)射信號(hào)為：

其中：f0為起始頻率，K為調(diào)頻斜率。當(dāng)K=0時(shí)，其為單頻信號(hào)；當(dāng)K≠0時(shí)，其為線性調(diào)頻信號(hào)。

為簡(jiǎn)化起見，不考慮背景項(xiàng)，則該單頻回波信號(hào)的復(fù)包絡(luò)可表示如下：

由（8）式可知，該回波信號(hào)的包絡(luò)表示為：

考慮回波信號(hào)包絡(luò)起伏的周期性，則（9）式頻域形式可表示如下：

為突出規(guī)律性，假設(shè)各亮點(diǎn)具有相同的散射強(qiáng)度特性，即ai（θ）=a（θ），則（10）式可改寫為：

其中：

在（12）式中，當(dāng)fτθ＝m（m=1,2,3,…）時(shí)，h（f, θ）可以取得最大值1，傳感器接收到的目標(biāo)回波形成相對(duì)峰值，形成所謂回波亮點(diǎn)。因此，（12）式清楚表明目標(biāo)回波亮點(diǎn)形成主要由兩個(gè)因素決定，即：載頻f和目標(biāo)最小亮點(diǎn)分辨間隔τθ。其中，發(fā)射信號(hào)的載頻越大，目標(biāo)回波亮點(diǎn)的分辨間隔越小，其能表征目標(biāo)尺度的分辨率越高；當(dāng)載頻一定時(shí)，目標(biāo)回波包絡(luò)能夠形成以最小亮點(diǎn)分辨間隔τθ為間隔的周期性多亮點(diǎn)幅度起伏，由于實(shí)際目標(biāo)亮點(diǎn)散射強(qiáng)度并非完全相同，傳感器接收到的回波信號(hào)亮點(diǎn)幅度起伏的差異則由體目標(biāo)各散射部位實(shí)際散射強(qiáng)度特性決定。由此可知，對(duì)應(yīng)（12）式中的回波周期性多亮點(diǎn)起伏，（11）式中必然存在線譜，而該線譜特性則表征了體目標(biāo)的散射特性。

考慮BenchMark模型類縱向尺度大于橫向尺度的體目標(biāo)，由（12）式可知，當(dāng)入射聲信號(hào)的頻率為f，目標(biāo)回波亮點(diǎn)的分辨越小間隔為τ=，則不同舷角時(shí)的目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏最大頻率可表示為：

θ其中：Nmax（θ）為不同舷角條件下的回波信號(hào)包絡(luò)的最大起伏個(gè)數(shù)。

隨著舷角的變化，理論上剛性BenchMark模型類目標(biāo)回波調(diào)制頻率的極值可表示如下：

其中：τs為脈沖寬度，d為目標(biāo)的最大橫向尺度。對(duì)于彈性目標(biāo)，由于其存在彈性散射，其回波時(shí)域幅度起伏特征將隨目標(biāo)材料參數(shù)的變化而與剛性目標(biāo)存在一定的差異。基于（11）～（15）式，采用散射場(chǎng)計(jì)算中最常用的標(biāo)準(zhǔn)BenchMark模型進(jìn)行仿真，回波信號(hào)的頻率為40-80 kHz，脈沖寬度為3 ms，設(shè)定亮點(diǎn)的幅度系數(shù)相同且等間隔分布。線性調(diào)頻寬帶信號(hào)和單頻60kHz的目標(biāo)回波時(shí)域幅度起伏頻率的仿真結(jié)果如圖1所示

圖1 目標(biāo)回波包絡(luò)起伏頻率隨載頻和方位角變化Fig.1 Frequency of echomagnitude fluctuation varying with carrier frequency and azimuth

結(jié)合理論和仿真結(jié)果表明：

（1）對(duì)于BenchMark模型類水中目標(biāo)，其回波脈沖包絡(luò)起伏頻率隨目標(biāo)方位角變化，其中艏艉方向極值頻率最大，正橫方位包絡(luò)起伏極值頻率最?。?/p>

（2）回波包絡(luò)起伏極值頻率與入射聲波的載頻存在關(guān)聯(lián)，隨著載頻增加，目標(biāo)回波包絡(luò)幅度起伏極值頻率隨之增加；

（3）當(dāng)目標(biāo)回波亮點(diǎn)周期分布且存在亮點(diǎn)強(qiáng)度差異時(shí)，目標(biāo)回波包絡(luò)頻域?qū)⒋嬖诰€譜特性，線譜頻率由載頻、亮點(diǎn)間距決定。

2 海上實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證仿真和理論分析中得出的水中目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏在頻域所表現(xiàn)出的與入射聲波的頻率、目標(biāo)方位角和目標(biāo)屬性參數(shù)之間的關(guān)系，在大連海域進(jìn)行了以BenchMark縮比模型為被測(cè)水中目標(biāo)的目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏特征海上測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在水深30m的大連近海進(jìn)行。圖2為實(shí)驗(yàn)用的BenchMark模型照片，該模型長(zhǎng)3m，按照1: 20的縮比尺度制作，材料為不銹鋼。實(shí)驗(yàn)布放如圖3所示，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^兩根直徑為7mm的軟繩吊掛在模型轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)改變模型的舷角。作為聲信號(hào)發(fā)射和接收用的收發(fā)合置換能器布放在距目標(biāo)10.5m位置，滿足遠(yuǎn)場(chǎng)要求。被測(cè)目標(biāo)和測(cè)試濕端的布放深度為5m，發(fā)射波束開角中心對(duì)準(zhǔn)模型位置固定不動(dòng)。被測(cè)目標(biāo)模型從艇艏開始旋轉(zhuǎn)180°，數(shù)據(jù)采集采用連續(xù)記錄的方式。發(fā)射信號(hào)分別為線性調(diào)頻信號(hào)（20-40 kHz、40-80 kHz）和單頻CW信號(hào)（30 kHz、60 kHz），信號(hào)的脈沖寬度分別為1ms和3ms兩種。

圖2 BenchMark縮比模型照片F(xiàn)ig.2 Image of scalled BenchMark submarinemodel

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置示意圖Fig.3 Configuration of sea testing

2.2 回波脈沖包絡(luò)起伏特征提取

基于本文研究的目標(biāo)回波幅度起伏特征理論模型，對(duì)BenchMark模型的散射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。由于被測(cè)目標(biāo)為連續(xù)旋轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)采集采用連續(xù)記錄的方式，為了能夠?qū)⒛繕?biāo)舷角與相應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，在數(shù)據(jù)處理中實(shí)際數(shù)據(jù)的選取是根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度與采集數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行截取。圖4為目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏特征提取信號(hào)處理流程，具體為：

· 截取目標(biāo)各舷角對(duì)應(yīng)的回波數(shù)據(jù)，并進(jìn)行帶通濾波；

· 對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)提取，輸出相應(yīng)舷角的目標(biāo)回波包絡(luò)；

·對(duì)各舷角回波包絡(luò)進(jìn)行幅值規(guī)一化和低通濾波處理；

·對(duì)歸一化的回波包絡(luò)進(jìn)行包絡(luò)譜計(jì)算；

·得出目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏特征隨舷角變化特性。

按照上述數(shù)據(jù)處理流程，對(duì)試驗(yàn)測(cè)量得到的不同參數(shù)條件下的BenchMark模型的回波信號(hào)進(jìn)行處理，具體結(jié)果如圖5～6所示。其中圖5為BencheMark模型在線性調(diào)頻信號(hào)20-40 kHz、40-80 kHz下的全方位回波脈沖包絡(luò)起伏特征實(shí)測(cè)結(jié)果。圖6為Benchmark模型在單頻信號(hào)30 kHz、60 kHz下的全方位回波脈沖包絡(luò)起伏特征實(shí)測(cè)結(jié)果。圖中的黑色星號(hào)線為不同舷角的回波脈沖包絡(luò)起伏頻率最大值。

圖4 回波脈沖包絡(luò)起伏特征提取算法流程Fig.4 Procedure of extraction algorithm for echomagnitude fluctuation feature

圖5 BenchMark模型線性調(diào)頻信號(hào)全方位回波脈沖包絡(luò)起伏特征Fig.5 Echomagnitude fluctuation feature of BenchMarkmodelwith LFM signal

圖6 BenchMark模型單頻信號(hào)全方位回波脈沖包絡(luò)起伏特征Fig.6 Echomagnitude fluctuation feature of BenchMark modelwith CW signal

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論與分析

（1）載波頻率的影響

如圖7所示，與理論分析結(jié)果一致，在線性調(diào)頻信號(hào)和單頻信號(hào)激勵(lì)條件下，相同舷角目標(biāo)回波的幅度起伏頻率隨入射聲波載頻的增加而增大。這主要是當(dāng)入射波的頻率增大時(shí)，目標(biāo)回波亮點(diǎn)的分辨間隔越小，回波信號(hào)能夠表征的目標(biāo)部位散射分辨率越高，回波脈沖包絡(luò)所包含的細(xì)小亮點(diǎn)個(gè)數(shù)隨之增加，從而回波信號(hào)的脈沖包絡(luò)起伏頻率增高，顯性表征了體目標(biāo)外形、表面粗糙度等屬性對(duì)散射信號(hào)的影響，是體目標(biāo)的重要特征。需要指出的是相同脈寬的寬帶信號(hào)和單頻信號(hào)相比，寬帶信號(hào)時(shí)間分辨能力更高，因此實(shí)際回波信號(hào)中，不同寬帶載頻信號(hào)的脈沖包絡(luò)起伏頻率變化比單頻信號(hào)更顯著。

圖7 BenchMark模型不同載頻信號(hào)全方位回波脈沖包絡(luò)起伏特征對(duì)比Fig.7 Echomagnitude fluctuation feature of BenchMark modelwith different carrier frequency signal

（2）脈沖包絡(luò)起伏頻譜的線譜特性

圖8為不同信號(hào)形式下BenchMark模型單一方位的回波脈沖包絡(luò)起伏頻譜，可以看出BenchMark模型的回波脈沖包絡(luò)起伏頻譜中存在線譜，與理論分析一致。其中圖8（d）中尤為明顯，這是由于目標(biāo)散射體上的周期性分布結(jié)構(gòu)引起的回波周期性調(diào)制，如BenchMark模型中存在等間隔分布的肋板。

（3）不同脈沖寬度的影響

如圖9所示，在線性調(diào)頻信號(hào)和單頻信號(hào)激勵(lì)條件下，回波的脈沖包絡(luò)起伏頻譜與入射信號(hào)的脈沖寬度相關(guān)，相同舷角目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏頻率最大值隨著脈沖寬度的增加而減小。這是由于入射波的脈沖寬度越窄，回波信號(hào)的能夠表征的目標(biāo)尺度分辨率越高，回波所能表征的目標(biāo)部位散射特性越精細(xì)，從而回波信號(hào)的幅度起伏頻率越高，這與理論分析一致。

圖8 BenchMark模型回波脈沖包絡(luò)起伏頻譜的線譜特性Fig.8 Line spectra feature of echomagnitude fluctuation spectrum for BenchMark model

圖9 BenchMark模型不同脈寬回波脈沖包絡(luò)起伏特征對(duì)比Fig.9 Echomagnitude fluctuation feature of BenchMark modelwith different pulse length

（4）隨方位的變化特性

如圖7和圖9所示，對(duì)于目標(biāo)截面與縱向尺度之比小于1的水中目標(biāo)，其回波脈沖包絡(luò)起伏頻率最大值隨目標(biāo)方位角變化，其中艏艉方向最大，正橫方位頻率最小。這是因?yàn)樘囟ㄝd頻和脈沖寬度的入射聲波的時(shí)間分辨力固定，在艏艉方位，目標(biāo)亮點(diǎn)間的相對(duì)距離最大，表現(xiàn)為多亮點(diǎn)目標(biāo)，其回波脈沖包絡(luò)起伏頻率大，而在正橫方位，目標(biāo)各部位回波幾乎同時(shí)到達(dá)接收基陣，目標(biāo)回波表現(xiàn)出的亮點(diǎn)數(shù)少，目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏頻率低。但是在試驗(yàn)中，目標(biāo)艏艉方向附近，其回波脈沖包絡(luò)起伏頻率有時(shí)較低，這是由于艏艉方向目標(biāo)回波強(qiáng)度小，目標(biāo)回波信噪比較低，導(dǎo)致在進(jìn)行回波脈沖包絡(luò)起伏頻率特性求取時(shí)出現(xiàn)偏差。

（5）與礁石的對(duì)比

為了對(duì)比人造目標(biāo)和石頭目標(biāo)的回波脈沖包絡(luò)起伏特征，本文同時(shí)也測(cè)試分析了石頭回波脈沖包絡(luò)起伏特征，試驗(yàn)測(cè)量所用礁石的最大尺度為60 cm。由于礁石形狀不規(guī)則，沒有BenchMark模型舷角的概念，因此選定礁石某方位為起始角度，旋轉(zhuǎn)180°測(cè)量回波數(shù)據(jù)，具體測(cè)量方法與BenchMark模型散射特性測(cè)量方法相同。測(cè)試實(shí)驗(yàn)的發(fā)射信號(hào)為40-80 kHz之間的線性調(diào)頻信號(hào)，脈沖寬度為1ms。

圖10為不同載波頻率下的石頭回波脈沖包絡(luò)起伏頻率最大值對(duì)比，與本文理論分析一致，石頭回波脈沖包絡(luò)起伏頻率最大值也隨入射信號(hào)的載頻增加而增加，同時(shí)由于石頭沒有規(guī)則的幾何外形，其回波脈沖包絡(luò)起伏頻率不隨方位角改變而規(guī)律變化；圖11是石頭與BenchMark模型全方位回波脈沖包絡(luò)起伏頻譜對(duì)比，石頭表面隨機(jī)凹凸不平，其回波存在眾多細(xì)小雜碎的亮點(diǎn)，BenchMark模型由于其外殼光滑，其回波能量主要體現(xiàn)在幾個(gè)典型亮點(diǎn)上，因此石頭相對(duì)于BenchMark模型，其回波脈沖包絡(luò)起伏頻率峰值比BenchMark模型的大，而BenchMark模型的回波脈沖包絡(luò)起伏頻譜能量主要集中在低頻，這也是這兩種不同屬性目標(biāo)的重要特征區(qū)別。

圖10 石頭不同頻率LFM載頻信號(hào)脈沖包絡(luò) 起伏頻率最大值對(duì)比 Fig.10 Maximum frequency comparison of LFM carrier frequency signals

圖11 石頭與模型LFM40-80 kHz載頻信號(hào) 多脈沖包絡(luò)起伏頻譜對(duì)比Fig.11 Feature comparison of stone and BenchMark model in all directions

3 結(jié) 論

本文提出并研究了一種表征目標(biāo)尺度、外形、結(jié)構(gòu)等屬性參數(shù)的回波脈沖包絡(luò)起伏特征，分析了該特征與目標(biāo)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等物理屬性間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)及其形成機(jī)理；基于水中目標(biāo)回波亮點(diǎn)模型，建立了目標(biāo)回波脈沖包絡(luò)起伏特征的表征模型，揭示了入射聲波頻率與目標(biāo)回波幅度起伏頻率之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并開展了理論仿真分析和模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明：

（1）目標(biāo)回波信號(hào)幅度起伏特征能夠綜合表征目標(biāo)尺度、外形、結(jié)構(gòu)等屬性參數(shù)對(duì)回波的影響；

（2）BenchMark模型存在顯著的脈沖包絡(luò)起伏線譜頻率，并且目標(biāo)回波的脈沖包絡(luò)起伏頻率與入射聲波的載頻、脈沖寬度有關(guān)，其中載頻增加，回波包絡(luò)起伏頻率最大值隨之增加；

（3）BenchMark模型的回波脈沖包絡(luò)起伏頻率隨目標(biāo)方位角變化而變化，其中艏艉方向最大，而正橫方位則最?。?/p>

（4）礁石由于表面隨機(jī)凹凸不平，回波存在眾多細(xì)小雜碎的亮點(diǎn)，其回波脈沖包絡(luò)起伏頻率的最大值比BenchMark模型的大，而BenchMark模型表面光滑，其回波脈沖包絡(luò)起伏頻譜能量主要集中在低頻。

[1]惠俊英,生雪莉.水下聲信道[M].第2版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007:133.

[2]鮑筱玲.水中有限彈性圓柱的窄脈沖回波響應(yīng)與螺旋表面行波[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),1990,15(1):20-27. Bao Xiaoling.Echo response and helical surface waves of finite cylinder excited sound pulse in water[J].ACTA Acoustic, 1990,15(1):20-27.

[3]湯渭霖.聲吶目標(biāo)回波的亮點(diǎn)模型[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),1994,19(2):92-100. TangWeilin.Highlightmodel of echoes from sonar targets[J].ACTA Acoustic,1994,19(2):92-100.

[4]范 軍.水中復(fù)雜目標(biāo)回聲特性研究[D].上海:上海交通大學(xué),2001:16. Fan Jun.Study on echo characteristics of underwater complex targets[D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2001:16.

[5]范 威,鄭國(guó)垠,范 軍.充水圓柱殼聲散射的環(huán)繞波分析[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),2010,35(4):419-426. Fan Wei,Zheng Guoyin,Fan Jun.Analysis of circumferentialwaves on awater-filled cylindrical shell[J].ACTA Acoustic, 2010,35(4):419-426.

[6]任 鵬.彈性圓柱殼體目標(biāo)回波結(jié)構(gòu)分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2007:18. Ren Peng.Analysis on back scatteringwave structure of elastic cylinder shell[D].Harbin:Harbin Engineering University, 2007:18.

[7]Muller MW,etal.Phantom echo highlight amplitude and temporal difference resolutions of an echolocating dolphin,Tursiops truncatus[J].JASA,2007,122(4):2255-2262.

[8]DeLong,Au,Stamper.Echo feature used by human listeners to discriminate among objects that vary in material or wall thickness:Implications for echolocating dolphins[J].JASA,2007,121(1):605-617.

[9]Dankiewicz,et al.Discrimination of amplitude-modulated synthetic echo trains by an echolocating bottlenose dolphin[J]. JASA,2002,112(4):1702-1708.

[10]陳云飛,李桂娟,王振山,張明偉,賈 兵.水中目標(biāo)回波亮點(diǎn)統(tǒng)計(jì)特征研究[J].物理學(xué)報(bào),2013,62(8):0843021-0830211. Chen Yunfei,LiGuijuan,Wang Zhenshan,etal.Statistical feature of underwater target echo highlight[J].Acta Phys.Sin., 2013,62(8):0843021-0830211.

[11]孟慶林,原 猛,牟宏宇,陳友元,馮海泓.包絡(luò)調(diào)制率和載波頻率對(duì)聽覺時(shí)間調(diào)制檢測(cè)能力的影響[J].物理學(xué)報(bào), 2012,61(16):1643021-1643028. Meng Qinglin,Yuan Meng,Mou Hongyü,et al.Effects of envelope modulation rate and carrier frequency on auditory temporalmodulation detection[J].Acta Phys.Sin.,2012,61(16):1643021-1643028.

[12]潘 安,范 軍,卓琳凱.周期性加隔板有限長(zhǎng)圓柱殼聲散射[J].物理學(xué)報(bào),2012,61(21):2143011-21430110. Pan An,Fan Jun,Zhuo Linkai.Acoustic scattering from a finite periodically bulkheads in cylindrical shell[J].Acta Phys. Sin.,2012,61(21):2143011-21430110.

Echomagnitude fluctuation feature of underwater target

CHEN Yun-fei1,2,LISheng1,WANG Zhen-shan2,LIGui-juan2,GAO Feng2
(1.School of Naval Architecture,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 2.Science and Technology on Underwater Testand Control Laboratory,Dalian 116013,China)

Echo signal of underwater target is the incident signalmodulated bymaterial,structure and shape parameters.How to extract the parameters of physical characteristic from the scattering signal is the focus of identifying underwater target.In this paper,themechanism amongmaterial,structure parameters of target and echo envelope fluctuation of scattering signal is analyzed.And the echo envelope fluctuation feature of underwater target scattering signal is put forward from the standpointof echo signal characteristic application.Combined with theoretical derivation,themechanism and description of echo envelope fluctuation feature of underwater complex target scattering signal is presented.Sea experiments results demonstrate the frequency of echomagnitude fluctuation varyingwith carrier frequency and azimuth.

underwater target;echo;envelope fluctuation feature

TB566

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2017.02.012

2016-09-26

水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（9140C260201130C26096）

陳云飛（1978-），男，博士研究生，研究員，E-mail:yunfeichen@163.com；

黎 勝（1973-），男，教授，博士生導(dǎo)師。

1007-7294（2017）02-0218-10