水下目标声散射时频结构特征研究

Extracting effective feature of target acoustic scattering is one of the crucial technologies in the active sonar detection of underwater target. In this research area, the feature extraction of target elastic acoustic scattering is a hardly solved problem which caused by the mix of kinds of acoustic scattering in the target echo and the resolution limit of signal processing method on both time and frequency domain. For solving this problem, the high-resolution time-frequency expression and time-frequency structure feature of target elastic acoustic scattering are proposed in this project. Firstly, during with the nolinear time-frequency distribution characteristic of target elastic acoustic scattering caused by the dispersion phenomenon, based on the short-time fractional fourier transform, the design of short-time window is researched which making the time-frequencyu distribution of target elastic acoustic scattering could be analyzed as nearly linear in the short-time window. The elastic acoustic scattering is separated from the target echo by the fractional fourier tranform domain filter which researched in this project, then, the high-resolution time-frequency distribution of the target elastic acoustic scattering without interference is obtained. Secondly, The time-frequency structure feature proposed in this project is constructed by the sequence of the polar coordinates of the sampling points of the target acoustic scattering on the time-frequency plane, and it would be fused with the information of the acoustic incident angle to construct the feature data base of target acoustic scattering. Finally, the dynamic recognition of the underwater target echo is achieved by the template matching. An experiment would be organized to prove the method proposed in this project.

水下目标主动声呐探测的关键技术之一是获得有效的目标声散射特征。由于水下目标各类声散射之间的混叠，以及信号处理方法在时域及频域上分辨力的限制，对目标回波中弹性声散射的特征提取一直是该方向上的一个难点问题。针对这个问题，本项目提出目标弹性声散射的高分辨时频分布表示以及时频分布结构特征提取方法。以短时分数阶傅里叶变换为基础，针对由于频散现象导致的目标弹性声散射具有的非线性时频分布特点，研究短时窗的设计方法，使弹性声散射的时频分布可以近似为线性分析，并且研究分数阶傅里叶变换域下的滤波器设计方法，以便从目标回波中分离出弹性声散射，获得无干扰的目标弹性声散射高分辨时频分布结果。通过目标弹性声散射时频分布采样点的极坐标序列构建序列，作为目标声散射时频分布结构特征，并融合声波入射角度信息建立特征库，最终通过模板匹配的方式实现对水下目标回波的动态识别。本项目将组织进行消声水池实验对所提出理论和方法进行验证。

本课题研究了水下主动及被动声呐探测时目标特征提取的问题，主要是与目标形状、结构有关的目标声散射与声辐射信号特征，具体包括水下小目标声散射结构特征，航船目标的辐射噪声脉动压力特征。.A. 弹性声散射是水下薄壳结构人工物体区别于岩石等天然物体的本质性特征，从复杂的目标回波信号中分离出有效的弹性声散射成分是研究弹性声散射特征的基础。针对这个问题，本课题提出了一种目标声散射成分信号分离方法，将不同时序关系的宽带声散射成分转化为不同频率关系的窄带成分，从而可以使用简单的线性滤波实现时域上的声散射成分分离。在消声水池的实验证明该方法可以有效的提取出目标模型的弹性声散射特征。.B. 水下目标的几何声散射特征携带了目标的形状信息，是识别水下人工目标的重要特征。由于声波入射角度与目标局部几何结构不匹配，目标回波信号中部分几何声散射成分强度较弱，无法直接分辨。针对这个问题，本课题提出了一种目标声散射成分时延估计处理流程，通过带阻滤波抑制强声散射成分，突出原目标回波中能量较弱的声散射成分，然后利用逆合成孔径原理根据几何声散射成分的时序信息反演目标的几何形状。水池实验数据处理结果表明该方法可以有效提取出目标回波中较弱的棱角散射成分的时延信息。.C. 航船目标螺旋桨噪声的线谱特征是被动声呐探测水中目标的重要特征，理论上可以根据线谱成分的互谱相位差估计目标方位，但实际中该方法受环境噪声的影响较大。线谱成分本质上是航船螺旋桨脉动压力辐射声的谐波，基于这一点，本课题研究采用非线性信号处理方法提取航船螺旋桨脉动压力辐射声信号的波形信息。本课题设计了一种基于随机共振的非线性滤波器，可以增强接收信号中符合脉动压力特征的信号成分。对经过增强的声呐接收信号做互相关处理，可以获得航船目标的高精度方位估计。海上实验证明了这种方法对航船目标方位估计的有效性。.本课题的研究成果可明显提高基于信号特征的水下目标识别的有效性，具有军事上的应用意义，也适用于旋转机械故障检测等民用声学测量应用的需求。