馬愛民,張 琦,崔 鵬

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連 116018)

1 問題描述

聲吶探雷是當(dāng)前最重要的反水雷手段,它定向發(fā)射高頻聲波,并接收海底目標(biāo)反射的回波,當(dāng)回波強(qiáng)度在聲吶圖像上形成孤立回波點時,即被視為發(fā)現(xiàn)目標(biāo),聲吶員可用光標(biāo)錄取其方位距離,再由指控根據(jù)本艦位置對目標(biāo)完成二次定位,得到聲吶觸點。探雷聲吶多年的使用經(jīng)驗已證明2種普遍存在的情況[1-2]:一是對同區(qū)域海底多次搜索時,每次都會錄取數(shù)量不等的聲吶觸點,并呈現(xiàn)出與海區(qū)相關(guān)的穩(wěn)定性;二是多次搜索錄取的聲吶觸點中,總有相當(dāng)一部分觸點呈孤立狀態(tài),與其它觸點不重合。圖1給出2個搜索實例。

圖1(a)和圖1(b)分別為2個不同的搜索實例,各自標(biāo)出作業(yè)區(qū)和聲吶觸點,并以三角符標(biāo)出含有2個以上觸點的重復(fù)目標(biāo),其余為孤立觸點。(a)區(qū)位于東海,面積0.3 n mile2,11次搜索共錄取觸點231個,平均每次搜索中錄取21個;作業(yè)區(qū)內(nèi)共有觸點194個,其中孤立觸點53個。(b)區(qū)位于黃海,面積0.75 n mile2,4次搜索共錄取觸點138個,平均每次搜索錄取34.5個;作業(yè)區(qū)內(nèi)共有觸點77個,其中孤立觸點58個。這2個搜索實例表明,在同一海區(qū)中,探雷聲吶每次搜索錄取的觸點數(shù)量差別不大,且有大量觸點處于孤立狀態(tài),與其它觸點不重合,呈現(xiàn)出位置隨機(jī)特性。

不同使用單位在不同海區(qū)的大量應(yīng)用實例表明,與上述實例類似的隨機(jī)觸點現(xiàn)象具有普遍性,其數(shù)量或密度與海區(qū)有關(guān)。這些隨機(jī)觸點在后續(xù)分類過程中易于排除,但需消耗大量時間,根據(jù)目前掌握的情況,即使在最好的海區(qū),隨機(jī)觸點也會嚴(yán)重影響獵雷效率。而在最差海區(qū)中,隨機(jī)觸點密度可達(dá)到每平方海里過百,實際上已經(jīng)無法執(zhí)行清除水雷任務(wù)。

圖1 探雷聲吶多次搜索實例Fig.1 Multiple searching examples for mine detecting sonar

隨機(jī)觸點現(xiàn)象在國外探獵雷相關(guān)文獻(xiàn)中也有提及,通常表述為虛警,也提及對獵雷效率有影響,嚴(yán)重時會導(dǎo)致獵雷困難[3],形成所謂不適合探獵雷的海區(qū)等情況。但國外文獻(xiàn)中除了討論一般獵雷作戰(zhàn)流程外,并未見到消除虛警的其它技術(shù)措施,似乎虛警的影響并不嚴(yán)重,與國內(nèi)面臨的情況有所不同。

綜上所述,探雷聲吶搜索過程中形成的隨機(jī)觸點,基本特征是位置隨機(jī)出現(xiàn),且重復(fù)出現(xiàn)的可能性很小,數(shù)量主要取決于聲吶型號和海區(qū)特性。本文以應(yīng)用實例為對象探討隨機(jī)觸點的產(chǎn)生機(jī)理和分布規(guī)律,尋找快速剔除隨機(jī)觸點、提高目標(biāo)辨識效率的有效方法。

2 隨機(jī)觸點生成機(jī)理

海底存在大量自然和人工物體,其尺度、形狀、材質(zhì)各不相同。聲吶探測理論中統(tǒng)一用目標(biāo)強(qiáng)度描述目標(biāo)的探測特性,在水雷探測問題中,強(qiáng)度接近水雷的目標(biāo)稱為探測似雷目標(biāo),強(qiáng)度明顯小于水雷的目標(biāo)可稱之為微小目標(biāo)。

2.1 艦殼聲吶錄取目標(biāo)一般方法

使用艦殼式探雷聲吶搜索海底時,操作員根據(jù)探測聲吶圖像上回波亮點的大小、強(qiáng)度和穩(wěn)定性等特征,判定其是否可能是水雷,并錄取其位置。根據(jù)聲吶探測理論,在自然環(huán)境和聲吶自身的隨機(jī)干擾下,即使不存在真實目標(biāo),聲吶圖像上仍然會出現(xiàn)隨機(jī)回波點。但這種隨機(jī)回波點不大會連續(xù)穩(wěn)定地出現(xiàn)在同一位置,在艦殼式探雷聲吶數(shù)秒一次的探測周期下易于排除。由此可見,對于有一定經(jīng)驗的探雷聲吶操作員來說,在調(diào)整好聲吶圖像的工作參數(shù)后,一旦錄取到觸點,通常意味著確實存在對應(yīng)的目標(biāo)。

2.2 海底微小目標(biāo)

海底真實目標(biāo)自然分布、數(shù)量眾多,包括礁石、地形凹凸、動植物及遺骸、人造物品等,其大小不同,尺度連續(xù)分布,且尺度越小數(shù)量越多。

圖2 海底微小凹凸地貌與探測似雷石塊Fig.2 Tiny concave and convex landform on seabed and mine like rock

圖2是某海區(qū)的海底地貌局部圖,可見海底表面布滿了微小凹凸,圖中偏左稍遠(yuǎn)處隱約可見的較大目標(biāo)為石塊,其附近區(qū)域的聲吶探測圖像如圖3所示。

圖3 探測聲吶圖像Fig.3 Detection sonar image

圖3的中部回波為石塊,右側(cè)回波為人工布放的油桶,它們都與水雷回波十分相似,通過預(yù)先建立的數(shù)據(jù)庫即可有效排除。除了似雷目標(biāo)回波外,整個圖3中還充斥著較弱的回波點,它們應(yīng)與圖2中遍布海底的凹凸地形有關(guān)。自然環(huán)境與此相似的地貌還有礫石、沙紋、碎石等,其共同特點是體積小、數(shù)量大,回波強(qiáng)度普遍較弱。

2.3 聲吶觸點隨機(jī)性

根據(jù)聲吶探測理論,目標(biāo)回波強(qiáng)度與體積、外形和材質(zhì)有關(guān),通常用二維或三維方向圖表示[4]。海底微小目標(biāo)體積不大,平均回波強(qiáng)度都很小,但其外形和材質(zhì)的隨機(jī)組合,有可能在某個特定方向形成尖銳的目標(biāo)強(qiáng)度,足以形成似雷回波。這種情況類似于角反射器,雖然目標(biāo)強(qiáng)度相同,但實際尺度僅為真實目標(biāo)的十分之一。天然微小目標(biāo)的強(qiáng)反射張角不會太大,對應(yīng)某個狹長空間,如果獵雷艦位置航向航速恰好合適,則可在一段時間內(nèi)形成連續(xù)穩(wěn)定的聲吶回波,從而被錄取為聲吶觸點。

除了微小目標(biāo)強(qiáng)反射方向分布和獵雷艦運(yùn)動的隨機(jī)性外,聲吶錄取目標(biāo)還存在多種隨機(jī)因素影響,如海洋背景噪聲的周期性起伏改變目標(biāo)信噪比[4]、同頻干擾[5]、操作員的差異和觀察判斷錄取的隨機(jī)性等[6]。在多種隨機(jī)因素的綜合影響下,單個微小目標(biāo)被錄取的概率很小,但大量微小目標(biāo)同時存在,即可在每次搜索中呈現(xiàn)出一定錄取率。然而對某個已被錄取的小目標(biāo),再次被錄取的可能性仍然很低,表現(xiàn)出難以重復(fù)錄取的特性。海底微小目標(biāo)的隨機(jī)性和孤立性,可類比地面散落的大量碎玻璃,移動的觀察者可觀察到一些強(qiáng)反光點,但每個點都一閃而過,很難被再次觀察到。根據(jù)目前經(jīng)驗,探雷聲吶搜索過程中,隨機(jī)觸點的出現(xiàn)間隔為幾分鐘,情形類似于泊松點。

2.4 聲吶觸點重復(fù)性

尺度或回波強(qiáng)度似雷的目標(biāo),在多次搜索中會被重復(fù)錄取,并散布在定位誤差范圍內(nèi)。隨著目標(biāo)回波強(qiáng)度減小,重復(fù)錄取率必然隨之下降,逐漸退化為非重復(fù)的孤立觸點,可見目標(biāo)自身的強(qiáng)度是其被重復(fù)錄取的重要因素。這種自身重復(fù)性對微小目標(biāo)可能性很小,但因其總數(shù)量很大,因而仍然有可能被觀測到。

除了同一目標(biāo)被重復(fù)錄取的情況外,不同目標(biāo)也有可能產(chǎn)生重復(fù)觸點,注意這里所討論的是大量微小目標(biāo)的情況,不包括彼此靠近的2個似雷目標(biāo)形成的重復(fù)觸點。如果將大量微小目標(biāo)視為純粹的隨機(jī)點,則在定位誤差限定的范圍內(nèi),有可能同時出現(xiàn)多個隨機(jī)點。實際應(yīng)用中可以根據(jù)觸點間的距離和定位誤差判定其是否屬于重復(fù)觸點,但難以區(qū)分它們是否來自同一目標(biāo),這會導(dǎo)致聲吶觸點的建模和預(yù)測變得復(fù)雜[7]。

3 隨機(jī)觸點分布特點

表1 實例a觸點統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistical results of contacts in example a

為了全面考查隨機(jī)觸點的分布情況,對圖1中實例(a)中作業(yè)區(qū)內(nèi)194個觸點進(jìn)行聚類分析[8],原則是觸點間最大距離不超過由定位誤差所限定的某個門限值,共得到80個聚類組。再依據(jù)各聚類組所含觸點數(shù)統(tǒng)計數(shù)量,得到觸點的重合向量Y=(53,9,3,5,1,1,0,1,0,3,4),其中第n個分量yn表示含有n個觸點的聚類組數(shù)。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

表1中n和Y是原始數(shù)據(jù),n表示重合次數(shù),Y表示n重合聚類組的數(shù)量,例如(n,Y)=(2,9)表示2觸點聚類組有9個,共計18個觸點。原始數(shù)據(jù)與作業(yè)區(qū)面積和搜索次數(shù)相關(guān),需要歸一化。重合次數(shù)n歸一化為p=n/k,k是最大搜索次數(shù),p的實際意義是目標(biāo)發(fā)現(xiàn)頻率,且k越大越接近概率。重合點數(shù)量Y歸一化為y=Y/s/k,s是作業(yè)區(qū)面積。y的直觀意義是單位面積搜索一次錄取觸點的平均數(shù)。實例(a)中總搜索次數(shù)k=11,作業(yè)區(qū)面積s=0.3 n mile2。繪制Y～p曲線如圖4所示。

圖4中縱坐標(biāo)是重合點數(shù)Y,橫坐標(biāo)是概率p。與目標(biāo)真實情況對比可知,Y～p線可分為3個部分:第一部分集中在p=1/11(n=1,k=11)處,主要來自發(fā)現(xiàn)概率極小但數(shù)量很多的微小目標(biāo),是典型的孤立隨機(jī)點,稱為虛觸點。第2部分在p=2/11～6/11(n=2～6)各點上,主要來自發(fā)現(xiàn)概率很小且數(shù)量較多的目標(biāo),當(dāng)它們被重復(fù)發(fā)現(xiàn)時即形成目標(biāo),但概率明顯低于水雷,稱為虛目標(biāo)。顯然目標(biāo)越小越容易形成虛觸點,而目標(biāo)越大越容易形成虛目標(biāo)。第3部分在右半側(cè)n≥6各點上,主要來自尺度與水雷相近、但數(shù)量不是很多的較大目標(biāo)(含水雷),統(tǒng)稱為似雷目標(biāo)。

圖4 實例(a)的數(shù)據(jù)圖Fig.4 Data diagram of sample (a)

上述虛觸點、虛目標(biāo)和似雷目標(biāo)的分布情況,雖然是基于觀測結(jié)果的討論,但已能夠反映出海底目標(biāo)依概率分布這一客觀事實,與是否進(jìn)行過觀測沒有關(guān)系。試想當(dāng)觀測次數(shù)k→∞時,統(tǒng)計結(jié)果將趨于真值。實例(a)搜索次數(shù)k=11,似雷目標(biāo)已接近真值,虛目標(biāo)也具有一定代表性。

來自不同使用部門、時間和地點的大量應(yīng)用實例已經(jīng)證明,虛觸點和虛目標(biāo)的數(shù)量遠(yuǎn)多于似雷目標(biāo),它們消耗的辨識時間遠(yuǎn)超過似雷目標(biāo),是提高探獵雷效率面臨的最大問題。更值得注意的是,目前受到高度重視,并認(rèn)為能有效提高目標(biāo)探測辨識效率的小目標(biāo)數(shù)據(jù)庫,并不能解決虛觸點和虛目標(biāo)問題。因為數(shù)據(jù)庫只能排除重復(fù)發(fā)現(xiàn)的目標(biāo),在新的搜索任務(wù)中,似雷目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率高,易于重復(fù)發(fā)現(xiàn),通過比對數(shù)據(jù)庫中的舊目標(biāo)即可快速排除,但與舊目標(biāo)不重合的大量虛觸點和虛目標(biāo),無法通過數(shù)據(jù)庫比對排除。如何快速排除虛觸點和虛目標(biāo),是探雷聲吶面臨的一個重要問題。

觀察重合向量可以發(fā)現(xiàn),虛觸點數(shù)量占比很大,并且集中在n=1處。因而可以想到,在多次搜索后,只需通過聚類分析篩除全部孤立觸點,便可大幅度提高辨識效率。當(dāng)然這種措施會增大漏探概率,為此需要更多的搜索次數(shù),可見在直接分類識別和多次搜索后聚類篩選兩種策略之間需要對比優(yōu)化,才能達(dá)到最高的工作效率。

4 結(jié)束語

對探雷聲吶錄取的觸點進(jìn)行聚類分析,統(tǒng)計聚類組的分布情況,可以得到以下結(jié)論:1)大數(shù)量、低概率的微小目標(biāo)物理模型,能合理解釋探雷聲吶觸點的隨機(jī)分布特性。2)聲吶觸點聚類統(tǒng)計能揭示海底微小目標(biāo)和似雷目標(biāo)的分布規(guī)律,具有實用價值。3)完全孤立的虛觸點占有很高比例,且相對易于排除,有利于提高水雷的辨識效率。

探雷聲吶在國內(nèi)應(yīng)用已有十余年,但對海底小目標(biāo)的相關(guān)研究進(jìn)展仍然緩慢。隨著未來探雷聲吶裝備的普及,該領(lǐng)域的基礎(chǔ)性研究必然逐步展現(xiàn)出重要性,并具有廣闊的發(fā)展空間。