水下小目标声散射全方位特征建模

At present, the key basic problems of underwater target are identified, and one is the spatial heterogeneity of the underwater target acoustic scattering field which causes the acoustic scattering features are sensitive to the incidence angle of sound waves. The second is the aliasing of the target acoustic scattering components in the time-frequency domain causes the target acoustic scattering features interfere with each other. This paper uses the numerical software to simulate the acoustic scattering function of simple targets and the signal characteristics of rigid acoustic scattering and elastic sound scattering. Aiming at the problem that the acoustic scattering features of the target are interfered with each other by the aliasing of target acoustic scattering components in the time-frequency domain, the method of separating acoustic scattering components based on the target acoustic scattering mechanism is studied and the separation effect and resolution are discussed. Aiming at the problem that the actual underwater target acoustic scattering field is not exactly consist with the theoretical calculation result, the independent and stable acoustic scattering characteristics of the rigid and elastic acoustic scattering components are extracted, and the data-based dynamic model of the target echo under the omnidirectional incident angle is established. This project breaks through the limitation that the existing theoretical calculation is only applicable to simple target and boundary condition, and solves the problem of feature failure caused by aliasing of small object acoustic scattering echo. This project provides a technical basis for establishing a stable and universal feature database of underwater target.

目前制约水下目标准确识别的关键基础问题，其一是水下目标声散射场的空间不均匀性导致声散射特征对声波入射角度敏感；其二是目标声散射成分在时频域上的混叠导致目标声散射特征相互干扰。本项目在理论方面利用数值软件仿真研究简单目标的声散射响应函数及其几何声散射与各阶次弹性声散射的信号特性；针对目标声散射成分在时频域上的混叠，导致目标声散射特征相互干扰的问题，研究基于目标声散射物理机理的声散射成分分离方法，并讨论分离效果和分辨力。针对实际水下目标声散射场与理论计算结果并不完全一致的问题，以目标回波实验数据为主体，提取几何与弹性声散射成分的相互独立稳定的声散射特征，建立全方位入射角下目标回波的动态模型。本项目突破现有理论计算只针对简单目标与边界条件的局限，解决小目标声散射回波混叠导致特征失效等问题，为建立水下目标稳定性和普适性的特征数据库提供技术基础。

在水下安静型目标探测与识别研究中，由于目标声散射场具有空间不均匀性，导致声散射特征对声波入射角度敏感；并且声散射成分在时频域上混叠致使目标声散射特征相互干扰，制约了水下目标识别的发展。项目针对上述关键问题展开研究并取得突破性成果，为建立水下目标特征数据库提供技术基础。.针对水下目标声散射场的空间不均匀性问题，建立水下目标声散射回波仿真计算模型，研究目标声散射回波特性随声波入射角度的关系。将获得的频域结果进行反变换，获取其时域响应并与发射信号卷积，建立水下目标全角度声散射计算模型。.针对目标回波信号混叠导致的声散射特征耦合干扰问题，提出了一种欠定条件下的自由场目标声散射时频盲抽取方法，根据声散射成分的时频能量差异实现了对目标各声散射成分进行分离。根据几何与弹性声散射机理，提出一种基于魏格纳-威尔分布的声散射成分分类方法，并在此基础上实现了目标尺寸的估计。研究了分数阶域中几何声散射成分随声波入射角度的变化规律，设计分数阶滤波器实现了多分量线性调频信号成分的分离。.针对水下小目标弱散射成分时延估计问题，研究了基于稀疏信号表示的高分辨声散射特征提取方法。将目标回波信号建模为多分量线性调频信号的叠加，结合目标声散射信号时序结构，提出一种基于块稀疏信号模型的估计算法，通过对模态的稀疏性限制提高对弱信号的估计能力，实现了对目标弱声散射成分的高分辨估计。.在目标声散射模型与目标回波特征提取基础上，结合特征提取技术与深度学习理论，提出了一种基于深度学习的水下安静型目标识别方法，实现了在自由场和沉底情况下，不同材质和几何形状的人工目标以及非人工目标的分类识别，为水下目标识别提供了新的信号处理途径。.项目通过水池实验数据、湖试数据及海试数据验证了研究方案的可行性和研究结果的准确性，同时为后续研究积累了关键技术和典型数据。研究内容为水下目标探测以及智能识别声呐系统的研制提供理论依据。