目标散射特性与识别技术研究进展
姓名：艾威微 学号：XS14072001
摘要：目前许多海军大国已经相继推出了多批“安静型”潜艇，如美国的“海狼”级核潜艇，其噪声己低于海洋环境噪声俄罗斯的“基洛”级潜艇，其辐射噪声可以淹没于一级海洋环境国外许多新推出的“安静型”潜艇的辐射噪声级已经接近级海况，加之如果潜艇潜坐海底，使用被动方式探测潜艇非常困难，因此，各国又开始加速发展主动声纳技术。而水下目标声散射特性研究是主动声纳赖以工作的基础，也是主动探测产生新思想、新原理、新方法的基础，尤其是在未来对于主动声纳远程探测、鱼雷精确制导、要害部位攻击、海底掩埋雷探测、海洋工程中输油管线的检测等都需要更为精确的目标声散射模型。同时，对于水下目标的识别技术也是相当重要的。对水下目标的检测与识别，关系到军队做出适当的反应来处理。而要做好水下目标识别技术，我们需要综合其他领域的知识，综合开发。比如数字图像处理的知识、自适应滤波器的知识、神经网络的知识等。同时，为有效进行水下目标的识别，建立强大的数据库也是必不可少的。
关键字：散射声场；目标识别；有限元法；边界元法；小波变换；神经网络；
一、目标散射简介
尽管现代技术在潜艇相关技术领域不断有所应用，但在潜艇所产生的诸如声、磁、电、光、水压等诸多物理特性中，可用来有效探测潜艇的首选特征仍然是潜艇的声学特征。潜艇的回声信号受到潜艇的线性、尺度、结构、材料、速度、方位、频率以及艇身振动等因素的影响，因此回声信号中或多或少包含了以上各种信息。研究潜艇的回声特性对艇身设计、声纳设计、敌方潜艇的声学识别、探测、跟踪，以及己方潜艇“隐身”都是十分重要的。各海军大国在发展反潜技术的同时，投入了大量的人力、物力和财力研究潜艇的隐身技术。一是降低潜艇的辐射噪声级，以减小被敌方被动声纳发现的可能性二是降低潜艇的目标强度，以减小被敌方主动声纳发现的可能性。目前许多海军大国已经相继推出了多批“安静型”潜艇，如美国的“海狼”级核潜艇，其噪声己低于海洋环境噪声俄罗斯的“基洛”级潜艇，其辐射噪声可以淹没于一级海洋环境国外许多新推出的“安静型”潜艇的辐射噪声级已经接近级海况，加之如果潜艇潜坐海底，使用被动方式探测潜艇非常困难，因此，各国又开始加速发展主动声纳技术。而水下目标声散射特性研究是主动声纳赖以工作的基础，也是主动探测产生新思想、新原理、新方法的基础`尤其是在未来对于主动声纳远程探测、鱼雷精确制导、要害部位攻击、海底掩埋雷探测、海洋工程中输油管线的检测等都需要更为精确的目标声散射模型。
声波照射到水中目标会产生散射，不同方向的散射波声压分布与入射波性质以及目标的大小、形状、声学参数密切相关。已知入射声波、目标几何形状和周围介质的声学参数，计算散射声场分布特性是声学正问题。求解散射问题可采用解析法或数值法，但仅有少数形状规则的物体可用解析法获得场的精确解。不规
则形状以及复杂材料目标的散射声场可用时域有限差分法（finite difference time domain,FDTD）、有限元法（finite element method,FEM）、边界元（boundary element method,BEM）等基于网格剖分的数值方法求解，这些方法计算复杂度高，耗费时间长;同时我们也可引入近似法进行求解，如：几何衍射理论（GTD）、基尔霍夫近似、Born近似、Rytov近似等，可解决很多无法求解得精确的问题。但这些方法也有局限性，例如GTD就是一种高频近似。
目标散射特性是主动声呐用来进行水下目标识别的前提，要从中提取出可以进行目标检测与识别的特征信号，首先我们必须认清目标散射特性分为几何散射特性与弹性散射特性，一种是声波在目标表面散射形成的几何声散射, 另一种是由目标结构共振引起的弹性声散射.利用分离开的信号再进行处理就方便很多了。
前面提到的计算方法等都是基于自由场的情况，实际情况下，特别是对于我国的情况，浅海居多，所以对浅海波导中的声散射特性进行研究是相当有必要的，但同时也是非常复杂的。浅海波导中的目标散射声场与自由场中的声散射声场存在非常大的不一样，影响波导的参数都会影响到散射。
下面就从简单模型的散射声场进行研究。
二、简单的目标散射模型
2.1 刚性光滑不动球体
图2.1 刚性球声散射示意图
所谓刚性，是指球体在入射声波作用下不发生形变，声波也透不到球体内部，因而不会激发起球体内部的声场。所谓不动，是指该球体不参与球体周围的流体戒指致电的运动。光滑是指目标表面不是粗糙的，也没有不规则性。
设有半径为a的表面光滑不动球，位于无限流体介质中，平面波P0ej(kx?wt)沿x轴入射到该球上，现在来计算该球体的散射声场。考虑到球体的对成型，采用球坐标系，坐标原点与球心O重合，并取x轴与平面波入射方向相一致，如图2.1所示。于是，入射平面波可以表示为
j(krcos??wt)P (2-1) i?P0e上式中，P0是振幅，为常数，?和r如图2.1所示。为方便，以下将时间因子
e?jwt省略。
设散射声场为ps，他满足球坐标系中的波动方程
?ps??2ps1??2?ps?1??12r?sin???kps?0 (2-2) ????22222r?r??r?rsin???????rsin???式中，r,?和?是球坐标系中的坐标变量；k?w/c是波数，等于入射声波元频率w和球体周围戒指中的声速c之比。
考虑对称性，与?无关，再利用分离变量法求解方程(2-2),设
ps?R(r)??(?) (2-3)
最后可以得到
P0j(kr?wt)?ps??e?krm?0如记
djm(ka)?jm?1?mj(2m?1)dkae2Pm(cos?) krd(1)hm(ka)dka1 (2-4)
djm(ka)m?1?j?1?mdka2及D(?)???bmebm?j(2m?1)Pm(cos?) (2-5)
d(1)kam?0hm(ka)dka则散射波声压表达式简化为
1ps(r,?)??P0aD(?)ej(kr?wt) (2-6)
r由散射声压表达式（2-6），可以得到刚性球散射波的强度为
a22Is?Ii2D(?) krr1 (2-7)
式中，Ii?(P02/2c?0)，是入射平面波的强度；D(?)是表示指向性函数D(?)的模。由(2-7)，容易得到刚性不动球的目标强度表达式
TS?10lg(a2D(?)) (2-8)
2式(2-8)是严格求解波动方程得到的结果，是刚性不动球目标强度的精确表达式。
式(2-6)是空间任一点(r,?)上的散射波声压表达式，它表明：(1)散射波振幅正比于入射波振幅；(2)散射波是各阶球面波的叠加，具有球面波的某些特性，如振幅随距离1/r衰减；(3)散射波在空间的分布是不均匀的，具有明显的指向性，它由指向性函数D(?)决定；(4)指向性函数D(?)是ka值得函数，ka值改变时，散射波在空间的分布也随之而变。
图2.2 散射波声强的指向性图案随ka值得变化
2.2 刚性不动微小球粒子
所谓小粒子，是指kr1，即声波频率很低或粒子半径a极小的情况。在的kr1的条件下(2-4)求和式的每一项随m的增大而迅速减小，仅有m=0和m=1两项起主要作用。作为一种近似解，就取这两项来考察小球的散射特性。该式简化为
ps??P0aerj(kr?wt)?1??j??j?2?b0eP0(cos?)?b1eP1(cos?)? (2-9) ka??2相应的声强度及目标强度为
Iik4a6?3?Is(r,?)?21?cos??? (2-10)
r9?2?2?k4a6?3??TS?10lg??1?cos??? (2-11)
????9?2?
2.3 平面波在弹性球体
对于弹性物体，入射声波能透入物体内部，并激发起内部声场，特别是当物体内部声场的波长小于球半径时，内部波动过程开始变得重要，此时将建立起内部的驻波场，并引起物体作简正振动，物体振动所辐射的声波，也就是回声信号的组成部分。由于回声信号组成部分间加相互干涉，散射波强度会随着频率的变化出现极大、极小的变化。这种散射波强度的频率效应，明显不同于刚性物体。除此之外，弹性物体的散射场还在其他方面表现出与刚性物体散射场的不同，如再辐射波中，携带有目标的特征信息。因此，弹性物体的声散射特性，乃是主动目标检测和分类识别的物理基础，在工程中具有重要作用。
图2.3 弹性球声散射示意图
众所周知，流体介质中的散射声场也应满足波动方程式，由上面的讨论可知，流体中的散射声场应具有如下形式
(1)ps?P0?cnhn(kr)Pn(cos?)e?jwt (2-12)
n?0?上式中的cn是待定系数，可通过边界条件确定他。
(1)cn?k(?1)n(2n?1)hn(kr0)sin?ne?j?n (2-13)
所以散射场表达式为
(1)(1)ps?kP0?(?1)n(2n?1)hn(kr0)sin?ne?j?nhn(kr)Pn(cos?)e?jwt (2-14)
n?0?
2.4 壳体目标
图2.4 声波在球壳上的散射
设有内、外半径分别为b，a的球壳，浸没于无限均匀流体介质中，壳体部分填充有一种流体介质（也可以是真空）。幅值为P0、角频率为w的简谐点声源位于S处，接收器位于R处，它离球心距离为r，如图2.4所示。在以上各项假设条件下，应用分离变量法可得到壳体的散射声场。当考察回声信号的远场解时，外介质中R处的反射回波，可表示为
?Pa? pR??0?f?ejk(r?ct) (2-15)
?2r?