Page 120 - 《应用声学》2023年第4期

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stable and not limited by the detection direction. By carrying or installing this layered elastic spherical shell
structure, targets such as underwater navigable/suspended bodies are expected to be identified. The research
in this paper has some reference value for active detection identification and navigation of underwater targets
Keywords: Time domain acoustic coding; Echo characteristics; Elastic spherical shell; Identification

构进行无源声识别编码。这种方法虽然可以有效地
0 引言 利用目标特有的物理结构，生成可以读取的目标信
号，但使用此方法，在水下目标的识别实际应用时需
目前水下目标的身份识别和定位主要依靠声
要多角度的调频信号配合，受到空间和时间的限制。
学和光学方法。传统用于水下目标定位和导航的水
Fawcett [12] 提出了在时域中的使用宽带高频脉冲
下声信标主要是有源声信标 [1] ，其工作原理为：对
的光滑粗糙球体和圆柱体的声散射案例。Mei等 [13]
水下目标加装声信标，目标运动过程中声信标发射
利用平板表面多个周期性同心凹槽设计了人工牛
脉冲调制信号，浮标阵通过接收声信号实时解算目
眼结构，这类人工牛眼声学结构可以引起声波能量
标的位置，从而定位水下目标运动轨迹 [2] 。水声定
的单向传输，但这些研究主要利用的是刚性散射，要
位系统根据定位基线的长度可划分为 3 种类型：长
产生微形变表面的相位共振需要的声波频率非常
基线定位系统、短基线定位系统和超短基线定位系
高(MHz级)，而水下超高频声波随距离衰减较快。
统。有源声信标的局限性在于频带窄、通信速率低、
受上述研究工作的启发，本文基于分层弹性球
误码率高等，也会破坏水下目标声隐身性能而不具
壳时域回波的几何和弹性散射特征，提出一种时域
备隐蔽性。同时，其工作时效受到携带能源限制，造
回波的声学编码方法，利用这种方法在水下目标特
价也相对较高。光学成像方法采用水下图像预处
征识别时，目标自身不需要提供能量驱动，很好地解
理、目标物形状特征提取、纹理特征提取、特征融合
决工作时长受限的问题，通过主动声呐识别的方式
等单目或双目视觉处理技术进行水下图像增强和
能最大程度地保护被探测对象在水下的隐蔽性，且
分割，采用结构光三维定位、系统标定等过程识别和
生成的声学编码能够快速有效地进行水下目标的
定位目标 [3] 。光学成像方法局限性也较为明显，由
识别，具有很好的普适性和稳定性，有望在解决水下
于海水介质对光的吸收使得视觉传感器视场较小，
目标隐蔽性、敌我身份识别难题上发挥作用。
导致光视觉成像精度受限，仅适用于较近距离情况；
由于海洋水域环境复杂，水中悬浮物和浮游生物、山 1 多层弹性球壳的Rayleigh简正级数解
石等障碍物对光的散折射效应明显，干扰信号引起
具有对称性的同心球壳能够在空间上实现主
噪声污染，图像对比度降低、纹理模糊、形状失真，目
标识别距离和精度受到较大影响。 动声呐在任意角度的声波入射，具有相同的声散射
特征，避免了在探测目标时因入射角度不同而产生
近年来为应对日益激烈的水下对抗，国内外
的影响。分层弹性球壳的各层材料属性、厚度、排布
有学者提出利用目标结构声散射特征，构建主动
顺序等综合因素变化满足对编码数量的要求，因此
探测声识别的无源声条形码概念，这对水下目标
选择多层弹性同心球壳作为研究对象具有可行性，
定位和导航具有重要意义 [4−5] 。在空气声学领域，
这里以 4 层弹性球壳为例，说明分层弹性球壳的时
Harrison 等 [6] 提出了利用空气中缺口结构的差异
域回波声学编码方法。
形成声程差来构建声学条形码，并提供了 4 种示
例。在水下声学领域，研究者们也设计了各种具有 1.1 4层弹性球壳的简正级数理论解
声散射特性的水下结构用于声学标记。Srivastava 本文在黏弹性双层球壳散射声场解析解 [14−15]
等 [7] 研究了在平板上按周期性分布的结构声场特 的基础上，推导了4层球壳声散射的简正级数解。如
点。Satish 等 [8−10] 利用径向层状聚甲基丙烯酸甲 图 1 所示，对于半径为 R 的不同材料属性 4 层球壳，
酯(Polymethyl methacrylate, PMMA)材料的弹性 整个空间被分为 6 个区域，区域 1 为外部流体，区域
波，提出了使用时域回波识别不同层状介质的观 6 为内部空气 (可作为储备浮力)，各区域材料属性
点。Zhou等 [11] 基于 Bragg散射原理利用周期性结 见表1。