Page 194 - 应用声学2019年第4期
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0 引言 1 新技术发展给识别技术带来的挑战
水声目标识别利用声呐接收船舶辐射噪声或 1.1 声呐信号带宽对识别能力的影响
回声信号实现对目标性质的识别。对于被动声呐来 水声目标识别基于声呐接收机接收的船舶辐
说，目标类型识别就是利用船舶辐射噪声来识别船 射噪声信号，声呐接收机是有带宽的，其也决定了
舶的类型，是水声被动目标识别技术研究的主要问 识别所用船舶辐射噪声信号的带宽。根据香农公
题。水声目标识别技术包括特征选择技术、特征提 式，对于一个带宽为 B 的信道，信道的最大信息容
取技术以及分类器设计技术。就三部分技术来说，
量为 [17]
前两项技术更为重要，因为提取的识别特征不好，什 ( S )
么样的分类器都很难有好的分类识别效果。在特征 C = B lg 1 + σ 2 , (1)
选择和特征提取技术研究方面，国内外学者都开展
式(1)中，S 为信号功率，σ 为噪声功率。
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了很多的研究工作。Rajgopal等 [1] 在研制的水声目
从式 (1) 可以看出，对于等功率强度的信号来
标识别专家系统中所使用的特征包括：螺旋桨桨叶
说，信号带宽和信道的信息容量成正比，也就是说，
数、螺旋桨转速、推进器类型、目标壳体辐射低频噪
宽带信号可以比窄带信号携带有更多的信息。对于
声、活塞松动产生的谐音基频喷嘴噪声、注水器噪
通信信道来说，传输的信号是可以被设计的，而舰船
声、最大速度、槽极噪声和传动装置类型等。这些
辐射噪声信号并不能被设计，但一定带宽舰船辐射
特征都具有明确的物理解释，可以对应到船舶的物
噪声携带最大的信息容量是确定的，也是与带宽成
理结构，很多可以作为不变特征量看待。Lourens [2]
正比的，频带越窄则携带的信息越少。现代水声探
在识别特征分析中重点强调了螺旋桨转速、主机类
测发展方向为低频远程探测，无论是海洋环境对高
型以及齿轮噪声线谱等特征。Arun 等 [3] 在分类识
频成分的衰减，还是声呐接收机工作频带在低频带，
别特征分析中归纳了谱中心、谱形、谱起伏、窄带与
都使得声呐获取的船舶辐射噪声的带宽大大变窄。
宽带谱特征、倒谱特征、Mel 倒谱参数、音调频率参
工作带宽为 10 kHz 的声呐将比工作带宽为 300 Hz
数等统计时频域特征。AR模型系数、非线性融合特
的声呐具有更好的识别能力。这种由于声呐接收机
征等也常被作为船舶辐射噪声识别的特征量 [4−8] 。
带宽限制导致识别能力不足的问题，可以说是基于
国内学者对船舶辐射噪声的调制谱、功率谱、低频
声呐接收机的水声目标识别的先天缺陷。
线谱以及高阶谱、小波变换、混沌分形和听觉感知
等特征都开展了很多研究工作 [9−16] 。但所有这些 1.2 低频探测对线谱识别性能的影响
文献都基于一个前提，那就是船舶辐射噪声是单目 为了提高探测距离，低频探测成为必然选择，
标辐射噪声，且都要求具有一定信噪比。对于反潜 带来的问题是波束宽度的增加。对于均匀布阵的线
水声探测来说，多目标、强干扰环境为常态，单目 列阵来说，归一化的指向性指数为 [17]
标的前提条件很难满足。另外一个需要注意的事实 ( d )
sin Nπ sin θ
是，上述这些特征量的提取是基于一定带宽的声呐 λ
D(θ) = ( ) . (2)
传感器的，而现代低频探测技术发展使得声呐工作 d
λ
N sin π sin θ
带宽越来越窄，很多传统的特征提取技术都失去了 .
基础。如对于低频远程探测声呐来说，使用的工作 表1给出了阵长256 m、4 m间距布阵的线列阵
频段带宽只有几百 Hz，甚至更窄，所说的谱中心、 在正横方位的波束宽度。从表 1 中可以看出，对于
谱形、谱起伏、窄带与宽带谱特征几乎失去了意义。 20 Hz 的线谱来说，其波束宽度为 15 。对于作用距
◦
因此，现代水声探测技术的发展给识别带来了新的 离为100 km声呐来说，波束宽度内目标很可能不是
挑战。随着水声探测技术发展和舰船降噪水平的提 单目标，因此，对于利用低频线谱识别来说，检测到
高，传统识别技术的性能会逐渐下降，甚至会完全 的低频线谱是否就是关注的目标的低频线谱存在
失效。 很大的不确定性。
