基于目标与混响散射特性的特征空间联合建模与分离

Underwater target detection and recognition is one of the key technologies of intelligent acoustic equipments and weapon systems in the water. Since the target echo signal is weak, echo mechanism is very complex, the strong bottom reverberation interference, seabed sediment layer absorption and other reasons make the detection and recognition of quiet type targets either sink or buried is still a world-class problem. For the needs of long distance buried mines detection, the concept of reverberation will be regarded as a class of signal with stable scattering properties; the signal characteristics of target and reverberation; the establishment of joint feature space and the researches of separation stability and universality based on the feature space are proposed in this project. The work of this project will build a framework for modeling and identification of buried targets and reverberation in the feature space and provide a theoretical basis for active sonar recognition technology.

水下目标探测识别技术是水声设备和水中武器系统智能化的关键技术之一。由于目标回波信号微弱、回波产生机理复杂、海底混响干扰强以及海底沉积层吸收等原因，使得安静型沉底与掩埋目标探测识别至今仍是一个世界级难题。本项目针对远距离掩埋水雷目标探测的需求，提出了可将混响视为与其散射特性相关的具有稳定信号性质和特征的一类信号的概念；研究基于目标与混响散射特性的信号特征；建立目标与混响的联合特征空间以及研究在特征空间下对目标与混响进行分离的稳定性和普适性。为掩埋目标与混响在特征空间建模与识别构建理论框架，为主动声纳识别技术提供理论基础。

由于目标回波信号微弱、回波产生机理复杂、海底混响干扰强以及海底沉积层吸收等原因，使得安静型沉底与掩埋目标探测识别至今仍是一个世界级难题。本项目针对亟待解决的关键性问题进行研究，并取得了突破性成果。. 针对混响背景下目标的分类问题，将混响作为一类具有独立性质和特征的信号，研究了目标回波与混响的信号特征的差异，提出了基于瞬时频率特性的特征提取方法，研究了几种目标回波与混响瞬时频率特征的融合聚类特性，建立了对不同底质混响具有稳定性和普适性的目标与混响的联合特征空间模型，实现了目标回波和混响在特征空间的分类。. 针对目标各声散射信号成分在时域和频域相互混叠及其随声波入射角度变化，造成目标特征不稳定的问题，基于亮点模型研究不同声波入射角度下目标回波中各声散射成分的变化规律，提出了目标几何与弹性声散射信号的分离方法与谱特征提取方法，获得了自由场条件下目标的几何声散射精细结构和弹性声散射信号特征，建立了描述目标声散射物理特性的信号特征模型，为基于目标物理特性的识别提供了新方法。. 在水下目标掩埋条件下，研究基于目标回波与混响信号特性的盲分离方法，提出了形态学时频域盲分离方法及信号瞬时频率盲分离性能评价准则，实现了海底混响与目标声散射信号的分离，解决了目标回波信号与混响信号在时域和频域均存在混叠时的强混响干扰问题，并对不同底质的混响具有普适性。. 对掩埋目标声散射进行了理论仿真及实验研究，获得了沙层混响散射及声吸收对目标主要特征的影响在实际探测中可以忽略，以提取的几何声散射结构判断目标的几何尺度，以弹性声散射结构识别人工目标和非人工目标的重要结论，使自由场及沉底状态的目标特征提取及特征空间建立的理论框架对掩埋目标具有普适性。. 通过水池实验数据、湖试数据及海试数据的支持，验证了研究结果的准确性和可行性，也为后续相关课题研究积累了关键技术和典型数据，为水下目标探测识别声呐研制提供理论依据。