Page 123 - 《应用声学》2023年第4期

第 42 卷 第 4 期 丁栋等： 水中分层弹性球壳高频时域回波的声学编码研究 785

∫ ∞
假定被分析的时域信号为 g(t)，其解析信号 1
a(f) = g(t) cos(ft)dt,
定义为 π −∞
∫ ∞ (11)
1
N(g(t)) = g(t) + i˜g(t), (9) b(f) = π g(t) sin(ft)dt,
−∞
其中，˜g(t)为g(t)的Hilbert变换，其表达式为 从而得到信号g(t)的包络为
√
∫ ∗
∞ |N| = NN . (12)
˜ g(t)=− [a(f) sin(ft) − b(f) cos(ft)]df, (10)
0
(3) 设定包络曲线的阈值。求出包络区域的阈
0.015
值，通过阈值设置门限去除干扰信息，保留明显的回
波特征，将包络处理后的回波信号在时域上做离散
0.010
化处理：
0.005
t = n × (1/f s ), (13)
0
其中，f s 为采样频率，n = 0, 1, 2, · · · , N − 1。
阈值的选取方式为：对离散化处理后的区域内
-0.005
峰值逐一进行比较并按大小排序，根据编码量决定
-0.010
阈值的大小，选出能够排除干扰信息的阈值。即依
据所需的编码信息丰富程度选取阈值，一般阈值选
1.3330 1.3335 1.3340 1.3345 1.3350 1.3355 1.3360
௑ᫎ/s 取的越低，编码信息越丰富。
(a) ๒ภဗܒ٪ܦฉॎ
(4) 进行声学编码。对优化后的波峰的面积进
行计算与转换，找出每个包络峰值与阈值的高度差
0.06
h，以及峰值相邻最近的两个峰谷横坐标，得到峰值
0.04
宽度 d，将波峰面积近似为三角形面积进行计算，波
0.02 峰面积S 为

0 S = (h × d) /2. (14)
-0.02 将每个峰值的面积与所有波峰面积和的占比进行
归一化处理，并将结果在该峰值处以黑色条纹表示，
-0.04
得到黑白相间的声学编码。峰值位置即为黑色条纹
-0.06
的中心位置，峰面积越大，黑色条纹宽度越大。黑白
1.3330 1.3335 1.3340 1.3345 1.3350 1.3355 1.3360
௑ᫎ/s 相间的声学编码可转换成 0 和 1 的二进制编码，便
(b) Цదဗܒ٪ܦᄊ௑۫ڀฉ 于计算机存储以及逻辑演算。

0.06 2.2 4层弹性球壳的时域声学编码
对 4 层弹性球壳进行时域编码，首先构造高频
0.04
主动声呐的探测脉冲信号。设定入射声波工作条件
0.02 为：声波在 1 km 外入射，频率 f = 100 kHz，采样率
为10倍频率，脉宽为 50 µs。入射声波波形如图6 所
0
示，4 层球壳的壳材料属性相关参数在 1.2 节已述，
-0.02
见表3。
-0.04 对于由外到内 4 层材料分别为铝、铁、铝、铁
的球壳，通过计算得到如图 7(a) 所示的时域回波
-0.06
1.3330 1.3335 1.3340 1.3345 1.3350 1.3355 1.3360 图。图 7(b) 为对回波的主要散射特征进行包络处
௑ᫎ/s
(c) ໚ฉܫေ 理，将峰值大小降序排序后，选取第 9 个值为阈值，
图 5 目标的回波信号处理示意图 对铝 -铁-铝-铁四层球壳数值处理后进行声学编码，
Fig. 5 Echo signal processing diagram of target 结果如图 7(c)所示。