水下目标几何声散射回波在分数阶傅里叶变换域中的特性(2015年)资源-CSDN文库

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水下目标几何声散射回波在分数阶傅里叶变换域中的特性

李秀坤孟祥夏夏峙

Characteristics of the geometrical scattering waves from underwater target in fractional Fourier trans-

form domain

Li Xiu-Kun Meng Xiang-Xia Xia Zhi

引用信息 Citation: Acta Physica Sinica, 64, 064302 (2015) DOI: 10.7498/aps.64.064302

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物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 64, No. 6 (2015) 064302

水下目标几何声散射回波在分数阶

傅里叶变换域中的特性

∗

李秀坤

1)2)†

孟祥夏

1)2)

夏峙

1)2)

1) (哈尔滨工程大学, 水声技术重点实验室, 哈尔滨 150001)

2) (哈尔滨工程大学水声工程学院, 哈尔滨 150001)

( 2014 年 7 月 24 日收到; 2014 年 9 月 23 日收到修改稿 )

水下目标散射回波在时域、频域混叠在一起, 而且受声波入射角度的影响严重, 在不同的入射角度下表现

出很大的差异, 需要建立全方位入射角度下回波分量的理论分析模型. 本文推导了目标几何声散射分量在分

数阶傅里叶变换域中随入射角度变化的解析表达式; 确定了目标几何声散射回波分量在最佳分数阶傅里叶变

换域中的全方位模型, 从理论上证明了目标回波的几何特征形式; 给出了离散分数阶傅里叶变换对声散射分

量的分辨能力和计算精度与发射信号带宽和观测时间之间的关系. 实验数据处理表明, 建立的分数阶傅里叶

变换域的全方位模型与目标几何特征是一致的, 对未知入射角度下的目标识别提供了理论依据.

关键词: 水下目标探测, 几何声散射分量, 分数阶傅里叶变换, 分辨力

PACS: 43.30.+m, 43.60.+d, 43.60.–c, 43.60.Hj DOI: 10.7498/aps.64.064302

1 引言

在探测水下无源或者安静型目标特别是掩埋

或沉底物体时, 常发射一种脉冲信号, 利用调制在

散射回波中的目标信息进行特征提取与识别. 该方

法能够探测远距离目标, 并能获得弹性信息, 其基

础是对水下目标声散射机理和回波特性的研究

[1]

已有研究大多以球壳或圆柱体等简单结构目

标为基础, 得到了目标回波的基本结构及特性

[2]

按照传播特点, 水下目标散射回波主要包括几何散

射波和弹性散射波两种. 其中几何散射波与目标形

状、尺寸有关, 可用于识别不同形状的目标; 而弹

性散射波与目标材质结构等有关, 能够提供更加详

细的信息, 但其机理相对复杂. 以有限长圆柱壳体

为例, 几何散射波与目标外形有关, 容易获取; 而弹

性散射波随着其内部真空或者充水

[3]

、内部隔板的

有无

[4]

及其周期性

[5]

, 以及表面覆盖层

[6]

等条件

的变化而产生很大差异. 对于沉底或掩埋于水下的

目标, 其回波还受到海底界面的影响

[7]

, 由目标本

身和界面相互作用会产生多重散射, 增加了回波成

分

[8]

, 而海底的散射特性还会增强或削弱不同的回

波成分

[9]

. 目标所处环境对回波特性的影响是目标

识别中需要考虑的另一机理性问题.

在声散射机理研究成果的基础上, 为准确识别

水下目标, 需要分析回波中包含的声散射成分的类

型和特性, 提取其中有关目标特征的信息. 常用的

方法包括利用匹配滤波器获得时间 -角度信息

[10]

或利用傅里叶变换获得频率 -角度信息

[11,12]

. 但实

际中由于水声信道存在随机起伏以及目标的散射

特性的影响, 回波中含有随机的畸变成分, 使得匹

配滤波器难以达到理论性能, 而傅里叶变换对所分

析信号的性质有所限制. 时频分析方法能够给出

信号的时间 -频率二维信息, 诸如短时傅里叶变换、

Wigner-Ville 分布等能够较好地分析声散射回波

特性

[13−15]

, 但这些方法或者受到时频分辨能力的

限制, 或者分量间的影响严重, 仍然难以达到理想

∗

国家自然科学基金 (批准号: 51279033) 和黑龙江省自然科学基金 (批准号: F201346) 资助的课题.

†

通信作者. E-mail: lixiukun@hrbeu.edu.cn

064302-1

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