２０１ ７年第１期 声学与电子工程 总第１２５期 低频长脉冲信号激励下目标弹性波的 一种增强处理方法 苏娇王方勇杜栓平 （第七一五研究所，杭州，３１ ００２ ３） 摘要针对在低频宽带长脉冲激励下，水中弹性目标镜面反射波与弹性波在时间上混叠导致弹性波特性 难以直接被观测和分析的问题，提出一种信号处理方法，使得目标受低频宽带长脉冲信号激励后，微弱弹 性波能够被观测和分析，可为低频主动声呐目标回波弹性特征提取与目标识别提供线索。 关键词弹性散射；弹性波；特征提取；目标识别 通过研究目标声散射过程并掌握水下目标回 波特性对优化主动声呐系统设计、提升主动声呐目 标的检测、识别与定位等性能具有重要意义。在低 【 （一１） （２ ＋１） ］ｅＸｐ【ｉ（ 一 ）］ ‘ 散射场中几何反射波与目标的几何外形相关， 弹性波的产生与目标几何外形、内部结构、材料构 频宽带信号激励下，发射信号传播距离远，还可激 发目标的弹性共振散射，使回波中携带更多关于目 标的结构、材质等物理属性信息…，可为主动目标 识别提供优越的条件。 成等属性均有关。弹性球壳在平面波入射时的散射 声场形成示意如图ｌ所示。 通过现有理论分析和实验观察可知，在低频信 号激励下，弹性目标的声散射回波具有多种成分， 主要由几何镜面反射波与弹性波组成。而在绝大多 数情况下，目标回波中的几何反射波的能量较强， 弹性波的能量较弱，弹性波在几何反射波的掩盖和 一定的噪声或干扰的附加影响下，难以被观测；另 图ｉ弹性球壳散射声场示意图 外，为了提高探测距离，工程上常采用长脉冲信号 球壳散射形成的弹性波是一种由弯曲分层介 质中的表面波及其共振产生的。该表面波主要有两 种类型：一类为类似瑞利表面波的ＳＯ波，沿介质 作为激励信号，导致微弱的弹性波与几何反射波在 时间上混叠，无法被观测到。为此，本文提出了一 种在低频宽带长脉冲调频信号激励下的目标弹性 波分析方法，为低频宽带主动声呐目标特征提取与 识别技术研究提供参考。 表面传播，能量损耗慢，持续时间长；另一类被称 为Ａ波，这是一种渗漏波，沿分层介质的表面进 行传播，但在传播过程中不断将能量耦合至介质的 另一侧，释放能量，因此，持续时间短 Ｊ。 几何反射波与弹性波在发生时间上，一般几何 １弹性散射理论 弹性球体或球壳，作为最简单的几何结构体， 在平面入射波的激励下，其散射场结构相对于复杂 反射波在前，弹性反射波在后。若在短脉冲激励下， 可观察到壳体目标复杂的各回波成分。图２为根据 式（Ｉ）计算得到的在低频短脉冲激励下弹性球壳 目标回波，在长脉冲激励下，几何反射波与各类弹 性波在时间上相互混叠。 目标而言简单却不乏代表性，无论一个目标的结构 复杂程度如何，它与入射波的作用过程及其激发的 弹性波成分与球形目标均相似，因此，本文用球形 目标进行散射理论研究与特性分析。 １．１弹性球壳的散射谱理论 由于球体具有三维对称性，其散射场可通过分 离变量法求解亥氏方程并获得基于球函数的级数 形式精确解。如图１所示，在平面波入射下，散射 声压场计算公式为 Ｊ： ６ ｔ ） 图２短脉冲激励下弹性球壳目标回波 苏娇等：低频长脉冲信号激励下目标弹性波的一种增强处理方法 １．２低频宽带激励下目标回波的修正亮点模型 在中高频段，经典的亮点结构模型较好地描述 了目标回波的形成机理并对回波进行了表征，该模 型成立的前提是较高频率，即信号的波长远小于目 标尺度，但实际上对于大尺度、结构复杂的目标， 即便在相对的高频信号（大ｋａ值）激励下，其局部 亮点结构尺寸相对于激励信号波长来说也属于小 尺度目标（小ｋａ值），弹性散射不可避免，尤其在 低频宽带信号激励下，弹性散射必定占据一定的能 量比重。因此，本文拟在经典亮点结构模型的基础 上对其进行修正，并在此基础上进一步提出目标回 波中弹性波的增强处理方法。 经典的亮点结构模型由各亮点的幅度 、时 延 、相位 三参数决定［ ，如式（２）所示： ｅ（ｔ）：∑ 。 （ｆ— ）‘Ｐ （２） ＝ｌ 经典亮点结构仅考虑各强反射结构的镜面反 射波，其中 ｆ 为发射信号。 本文提出的修正亮点结构模型如式（３）所示： Ｐ（ ）＝∑口 ・Ｓ（ｔ－ｒｍ）・Ｐｉ （３） 式中： Ｓ（ｔ）＝ｓ（ｔ）＋ｅｌ（ｔ） （４） 图３展示了在修正亮点模型下，潜艇的回波 示意图，在该模型中，回波不仅包括目标表面各声 学结构的镜面反射，还包括局部引起的弹性散射回 波。 （二 ：：：：：：二 图３修正亮点模型的回波不意图 ２宽带长脉冲激励下的弹性波增强处理 根据修正亮点回波模型，目标的亮点回波主要 由强几何反射波与弱弹性波组成，几何反射波先到 达，弹性波延后到达。短脉冲入射的典型弹性回波 如图２所示，回波不再是一个脉冲而是一串脉冲， 第一个较强的脉冲即为几何反射波，其后的脉冲为 弹性波成分。由于激励脉冲时间短，几何反射波与 弹性波在时间上已分离，为时域、频域回波特性分 析提供了方便。然而，在长脉冲（脉宽远大于弹性 波延后于几何反射波的时间）激励下，弱的弹性波 与强的几何反射波在时间上将发生混叠（见第４ 节仿真），弹性波在强的几何反射波掩盖下，无论 是时域还是频域均难以对其进行分析。 因此，为解决在长脉冲激励下，目标回波中微 弱的弹性散射波被强镜反射波覆盖而无法被观测 和分析的问题，本文提出了一种弹性波增强处理方 法如图４所示。 弹性目标Ｌ— 脉冲压缩 几何反射波 — 频谱结果 回波广—１ 处理『—］ 置零 ｒ１ 分析 图４弹性波增强处理框图 具体的处理步骤如下： （１）脉冲压缩处理 利用宽带信号的脉冲压缩特性，对低频散射 回波进行拷贝相关处理，使得压缩后的波形中几 何反射波的能量在时间上聚焦，并与弹性波的能 量相分离。 由于主动声呐系统常用的线性调频或双曲调 频信号在幅频谱上可近似为一个矩形窗函数，因 此，利用发射信号对回波作线性相关处理虽然改变 了回波的时域特性但并不对其幅频谱造成畸变。因 此，脉冲压缩处理过程并不影响回波的幅频谱特性 分析。 （２）几何反射波能量置零处理 根据几何反射波能量强、先到达的特点，在相 关输出包络上确定几何发射波的位置并在相关输 出波形（含相位）的相应位置进行置零处理，在时 域上去除几何反射波的强干扰能量。 根据帕塞瓦尔定理［６】，时域置零处理后，频域 的几何反射波能量也得到消除，为在频域分析和提 取弹性波特征创造了条件。 （３）频谱分析 对置零处理后的相关输出波形进行幅频谱分 析。由于几何反射波的能量己被消除，幅频谱特性 主要反映了弹性波的特性。在幅频谱上分析并提取 目标的共振频率、共振峰间隔等弹性波特征可为目 标识别提供有利线索。 ３仿真实验分析 为验证该方法的处理过程及处理效果，采用本 文提出的修正亮点结构模型模拟一个弹性目标回 波，具体的仿真参数见表１。 ７ 苏娇等：低频长脉冲信号激励下目标弹性波的一种增强处理方法 表１仿真参数一览表 亮点数目 ２个 亮点时延 ０．０ｌ ｓ 幅度 １：１ 相位跳变 ０ 结构模型 球壳 球壳半径ａ ０．２３９ｍ 球壳厚度 ０．０９６ｍ 壳体密度（钢） ７ ７００ ｋｇ／ｍ 壳体声相速度 ５ ９５０ｍ／ｓ 壳体声群速度 ３ ２４０ｍ／ｓ 外部介质 水 内部介质 水 激励频率 Ｏ～２０ｋＨｚ 图５为在短脉冲（ｓｉｎｃ函数）激励下根据式（１） 以及修正亮点模型仿真得到的多亮点回波及频谱， 可清楚观察到频谱上的弹性散射结构。由图可见， 由于发射信号为短脉冲，镜反射波与弹性波在时间 上相分离，但在频域，频谱结构反映的主要是各亮 点结构的几何反射波特性。 ４ａ∞一 一 一 ≈ａ。ｏ ２；～ 备 一 １＾－瑚 ｏｑＩ嚣驾一～ ＇蔷 一 ＝．十 一１ａ∞ — （ａ）短脉冲 １ａｏｏ ｒ ６∞ 鐾曼 ’５ 蠢 １ａ∞ ・１Ｂ∞ ２ｏ。ｏａ ． ｏ＿２ 口怕，ｇ （ｂ）多亮点弹性回波 ， 一 ６ 。Ｂ 麟 ’ｍｄ 目 ，％ （Ｃ）多亮点弹性回波频谱 图５多亮点回波及频谱 当发射信号为宽带长脉冲（０．０５ Ｓ）调频信号， 获得的回波散射场如图６所示。从图中可以看出， 在长脉冲激励下，时域上目标的弹性波完全被镜面 反射波所覆盖，频域上，频谱结构上反映的也主要 是几何反射波的特性。 ８ 。 ｏ．１ 一 。．２ （ａ）多亮点弹性回波（长脉冲激励） ． ．．． ＿一 ２ 一 ｌｌ 叠 ．．１ ｌｌ － ０ 。 Ｉｌ≤． ｌ ＿。． 二 （ｂ）多亮点弹性回波频谱（长脉冲激励） 图６宽带长脉冲激励下的多亮点回波及频谱 利用本文提出的弹性特征增强处理方法对长 脉冲回波进行处理分为如下步骤： 步骤一：脉冲压缩处理。为了能够增强回波 中的弹性波频域结构特征，利用宽带长脉冲信号对 回波进行相关处理，输出如图７所示。可见，由于 宽带长脉冲具有较高的时延分辨率，能量压缩后， 各亮点结构清晰显现，其中每个亮点结构对应的回 波中最先到达、最强的峰值结构为几何反射波。 ；ｆ Ｊ Ｉ一一』“ ｎ ～一 ～～ ｏ０５ Ｏ．１ ｏ．１１５ 荫ｎｅ／ｇ ７压缩后的波形输出（匹配滤波输出） 步骤二：几何反射波能量置零处理。如图８ 所示，几何反射波作为干扰，能量被消除，为频域 特征分析提供了条件。 步骤三：频谱分析。置零处理后的波形频谱如 图９所示，相比于图６，共振弹性结构得到增强，为 进一步的目标特征分析和提取提供了先决条件。 （下转第１２页） 侯觉等：阵元位置偏差对声基阵性能的影响 一［麓１］ＲＩＣＨＡ． ＲＤ Ｏ ＮＩ ＥＬＳＥＮ．Ｓ ｏｎａｒ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏ慵ｃｅｓｉ…ｎｇ［Ｍ］． 和可行。在频域增强的弹性波频谱特性，是下一步 弹性波特征提取、目标材料识别的必要前提。后续 还需对共振峰结构如何识别目标类型作进一步研究。 参考文献： ［１］尤立克Ｒ Ｊ．水声原理［Ｍ】．哈尔滨：哈尔滨船舶工程 学院出版社，１９９０． ｔｉｒｅｅｌｓ 图８几何反射波能量置零处理 ｘ１０。 ［２］ＨＩＣＫＬＩＮＧ Ｒ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｃｈｏｅｓ ｆｒｏｍ ａ ｈｏｌｌｏｗ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｓｐｈｅｒｅ ｉｎ ｗａｔｅｒ［Ｊ］．Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，１９６４， 共振峰ｌ ｜ 、 。 ３６（６）：１１２４—１１３７． ［３］ＧＡＵＮＡＵＲＤ Ｇ Ｃ，ＷＥＲＢＹ Ｍ Ｆ．Ｌａｍｂ ａｎｄ ｃｒｅｅｐｉｎｇ ｗａｖｅｓ ａｒｏｕｎｄ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｓｈｅｌｌｓ ｒｅｓｏｎａｎｔｌｙ ｅｘｃｉｔｅｄ １ ５ ｂｙ ｓｏｕｎｄ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ［Ｊ］．Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，１９８７， ８２（６）：２０２１—２０３３． ［４］汤渭霖．声呐目标回波的亮点模型［Ｊ】．声学学报，１９９４， １０ １２ １４ １６ １８ ２Ｏ ２２ １９（２）：９２－１００． ［５】ＤＯＭＩＮＩＱＵＥ ＤＩ￣ＣＵＬＴＯＴ， ＲＯＭＡＩＮ ＬＩＥＴＡＲＤ， ＧＥ￣ＲＤ ＭＡＺＥ．Ｃａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｔａｒｇｅｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ｋＨｚ） 图９置零处理后的波形频谱 ４结论 通过以上的理论阐述和仿真分析，结果表明， 本文在修正亮点模型的基础上，提出的弹性波增强 处理方法，大大增强了在宽带长脉冲激励下淹没于 １２ ｂｕｒｉｅｄ ｉｎ ａ ｔｈｉｎ ｓａｎｄ—ｗａｔｅｒ ｍｉｘｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｐｅｃｔｒａ［Ｊ］， Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆＡｍｅｒｉｃａ，２０１０，１２７（３）：１３２８－１３３４． ［６］ＡＬＡＮ Ｖ ＯＰＰＥＮＨＥＩＭ，ＲＯＮＡＬＤ Ｗ ＳＣＨＡＦＥＲ． Ｄｉｓｃｒｅｔｅ—ｔｉｍｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｍ］．ＰｒｅｎｔｉｃｅＺＨａｌｌ，１９８８．
