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水下目标主动声呐回波信号特征研究目前在水下安静型小目标主动声纳回波信号特征提取中存在几个关键性问题亟待研究,包括了目标回波信号特征在复杂环境下的稳定性,目标几何声散射与各阶次弹性声散射时序结构的分析,目标固有物理属性与回波信号特征的关系,以及海底混响的抑制等。
针对上述问题,本文研究了典型目标模型在混响背景下稳定的目标回波信号特征提取方法,独立的目标声散射成分信号提取方法,以及基于盲分离与时频分布图像处理的海底混响抑制方法,为实现水下安静型小目标主动声呐探测与识别奠定基础。
首先,针对混响背景下目标回波信号特征稳定性问题,提出了目标回波信号的瞬时频率特征提取方法,并研究了目标回波与混响的在信号特征空间中的分布特性。
将混响视为一类具有独立信号性质和特征的信号,推导了目标几何声散射成分与混响的时频分布特性,根据信号瞬时频率序列的随机性,提取了瞬时频率方差、瞬时频率熵、瞬时频率峰度与WVD-Radon变换半功率宽度四种特征。
研究中采用特征选择方法建立了二维信号特征空间,对湖上沉底目标探测实验数据处理结果表明,目标回波与混响在该信号特征空间中具有稳定的分布特性。
其次,针对目标回波中几何声散射与弹性声散射混叠的问题,提出了一种目标声散射成分信号分离方法。
在声呐发射信号为线性调频脉冲的条件下,将目标声散射成分映射为单频信号成分,推导了目标声散射时序结构与映射结果之间的线性对应关系,从而可以通过窄带滤波分离出特定的单频信号成分。
仿真及水池实验数据处理结果表明该方法对提取独立的目标弹性声散射特征的有效性。
另外,提出了一种目标声散射成分时延估计处理流程,通过带阻滤波抑制强声散射成分,突出原目标回波中能量较弱的声散射成分,然后采用谱估计获得其频率。
水池实验数据处理结果表明该方法可以有效提取出目标回波中较弱的棱角散射成分的时延信息。
最后,从两个方面对混响的抑制问题进行了研究。
一是针对目标回波与混响在时频分布平面上混叠的问题,研究采用形态滤波方法对目标回波时频分布图像进行处理的混响抑制方法,提出了一种与目标几何声散射时频分布形态特征相匹配的结构元设计方法;二是在基于盲分离的混响抑制中,针对缺乏目标回波与混响分离性能评价指标的问题,采用瞬时频率方差与瞬时频率熵作为指标来判断目标回波在分离结果中的顺序,并衡量不同盲分离算法对目标回波与混响的分离程度。
![水声学第六章 声波在目标上的反射和散射[精]](https://img.taocdn.com/s1/m/4ec7ea0131126edb6e1a1007.png)
基于focuss的水中目标回波亮点高分辨提取方法引言：在水下目标检测和跟踪的应用中，水下图像质量往往受到光线衰减、散射和吸收的影响。
这些因素导致水下图像模糊、低对比度和信息丢失。
然而，对于水下目标回波亮点的高分辨提取对于水下情景的分析和处理具有重要意义。
本文提出了一种基于Focused Ultrasound Standing Waves (FOCUSS)的水中目标回波亮点高分辨提取方法。
一、概述本文提出的方法利用FOCUSS算法对水下目标回波进行处理，通过优化算法提取出高分辨率的水下目标回波亮点。
该方法具有以下特点：1.水下目标回波亮点提取：利用FOCUSS算法自适应地选择水下目标回波亮点，并根据回波的幅度、频率和相位信息提取出水下目标的高分辨回波亮点。
2.高分辨图像重建：通过FOCUSS算法的迭代优化过程，得到高分辨率的水下目标回波亮点图像，使目标的细节更加清晰。
3.实时性能：该方法的计算复杂度较低，可以在实时性要求较高的水下监测和控制系统中应用。
二、方法描述1.数据获取：通过水下声纳或激光测距设备获取水下目标回波数据，包括回波强度、频率和相位信息。
2.声纳数据预处理：对获取到的声纳数据进行预处理，包括去噪、滤波和去除杂乱回波。
3.FOCUSS算法应用：利用FOCUSS算法对预处理后的声纳数据进行处理，提取出水下目标回波亮点。
FOCUSS算法的步骤如下：(1)初始化：设定初始参数，包括回波强度阈值、频率范围和相位范围。
(2)回波选择：对声纳数据进行频率和相位筛选，选择符合要求的水下目标回波。
(3)目标聚焦：根据回波的幅度信息，对目标回波进行聚焦处理，增强回波亮点的对比度。
(4)高分辨图像重建：通过FOCUSS算法的迭代优化过程，得到高分辨率的水下目标回波亮点图像。
4.提取目标特征：对重建的高分辨图像进行特征提取，包括目标的轮廓、形状和纹理等信息。
5.目标检测和跟踪：利用提取的目标特征进行水下目标的检测和跟踪，实现对目标的实时监测和控制。
第３１卷第６期２００６年１１月声学学报ＡＣＴＡＡＣＵＳＴＩＣＡＶ０１．３１，ＮＯ．６ＮＯＶ．，２００６水下目标回波特性计算的图形声学方法冰范军卓琳凯（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，振动、冲击、噪声国家重点实验室上海２０００３０）２００５年６月９日收到２００６年３月３日定稿摘要根据Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ近似公式建立了一种水下目标回波特性实时工程预报的新方法一可视化图形声学计算方法ＧＲＡＣＯ（ＧｒａｐｈｉｃａｌＡｃｏｕｓｔｉｃｓＣｏｍｐｕｔｉｎｇ）。
该方法利用三维图形处理系统，采用建模软件对水下复杂目标进行几何建模，并基于ＯｐｅｎＧＬ技术把几何模型转化为屏幕上目标的可视化像素图形，获取像素中包含的目标表面法向量和空间距离信息，最后通过把回波特性预报中的面积分转化为屏幕上可视化图形的像素求和计算，完成水下目标回波特性预报。
计算结果表明图形声学方法有较高的精度，计算速度比板块元方法快９—１０倍。
ＰＡＣＳ数：４３．３０ＧｒａｐｈｉｃａｌａｃｏｕｓｔｉｃｓｃｏｍｐｕｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｅｃｈｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔａｒｇｅｔｓＦＡＮＪｕｎＺＨＵＯＬｉｎｋａｉ（Ｓｃｈｏｏｌ吖ＮａｖａｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＯｃｅａｎａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪＳｔａｔａＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎ，Ｓｈｏｃｋ＆ＮｏｉｓｅＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＳｈａｎｇｈａｉ２０００３０）ＲｅｃｅｉｖｅｄＪｕｎ．９，２００５ＲｅｖｉｓｅｄＭａｒ．３，２００６ＡｂｓｔｒａｃｔＯｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆＫｉｒｃｈｈｏｆｆａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎ，ａｎｅｗａｐｐｒｏａｃｈ—ＧＲＡＣＯ（ＧｒａｐｈｉｃａｌＡｃｏｕｓｔｉｃｓＣｏｍｐｕｔ—ｉｎｇ）ｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｔｈｅｅｃｈｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔａｒｇｅｔｓｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ．Ｕｓｉｎｇ３Ｄｇｒａｐｈｉｃｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｐｌｅｘｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔａｒｇｅｔｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ＢａｓｉｎｇｏｎＯｐｅｎＧＬ，ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｉｎｔｏｔｈｅｖｉｓｕａｌｉｍａｇｅｏｎｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒ’Ｓｓｃｒｅｅｎ，ａｎｄｔａｒｇｅｔｓｕｒｆａｃｅ’Ｓｎｏｒｍａｌｖｅｃｔｏｒａｎｄｓｐａｃｅｉｎｃｌｕｄｅｄｉｎｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｐｉｘｅｌｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｎｓｔｅａｄｏｆｃｏｍｐｕｔｉｎｇｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｉｎｔｅｇｒａｌｄｉｒｅｃｔｌｙ，ｔｈｅｆｏｒｅｃａｓｔｏｆｅｃｈｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔａｒｇｅｔｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｓｕｍｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｒｏｍａｌｌｔｈｅｐｉｘｅｌｓｉｎｔｈｅｓｃｒｅｅｎｉｍａｇｅ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＧＲＡＣＯｍｅｔｈｏｄｅｎｊｏｙｓｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇｓｐｅｅｄｉｓ９ｔｏ１０ｔｉｍｅｓｆａｓｔｅｒｔｈａｎｔｈｅＰｌａｎａｒＥｌｅｍｅｎｔｓＭｅｔｈｏｄ．引言声呐工程中对于水中复杂形状目标回波特性的预报目前主要采用两种方法。
水下目标包括潜艇、鱼雷、水雷、礁石等物体，目标回波是散射波的一部分，是指散射波中返回声源方向的那部分波，声入射波与目标相互作用后产生了目标回波，在这个过程中，有关目标本身的某些特征信息被调制在回波上。
通过回波信息的分析处理将目标的特征信息提取出来，就可能实现目标的探测和识别，因此研究目标的回波特性在工程上具有很重要的意义[1]。
水声技术在海洋探测中扮演了重要角色，目前获取水下目标特性主要依靠声呐系统，根据工作方式的不同将声呐系统分为主动声呐和被动声呐。
主动声呐的工作流程是发射系统向海水介质中发射声信号，此信号在海水中传播时遇到目标障碍物产生回波信号，回波信号经过海水介质的传播被接收器接收，声呐系统根据接收信号实现水下目标探测[2]。
在实际工程中，研究水下目标散射回波特性常采用的方法有基于亮点模型的部件法[3、4]、基于数值积分的数值计算方法[2、5、6]，以及可视化图形声学计算方法[7]。
声学数值仿真技术包括声学有限元法、声学边界元法等，有限元技术广泛应用在各个领域，现有成熟的声学仿真软件大都是基于有限元法，本文拟采用常用的有限元、边界元法来对目标回波特性进行分析。
对于自由场的声学辐射和散射问题，声学边界元法具有边界建模方便、计算流程快捷等特点，但是对于高频声学问题，其计算效率不高，需要采用快速边界元求解器[8]。
同时也可采用声学有限元法来求解，将声场离散为线性四面体网格，模拟的边界条件包括壳体结构表面边界条件和自由场辐射边界条件，在计算能力足够的条件下可采用频率和矩阵并行计算模式。
本文以自由场条件下圆柱壳目标正横方向的高频回波强度为研究对象，建立了目标声学有限元仿真模型，对比分析了不同壳体材料的回波强度，针对高频下求解计算量大的问题，对圆柱壳这种具有规则几何形状的目标回波强度采用简化建模和仿真方法，探讨了简化方法的适用性和可行性。
2、声学仿真方法验证仿真对象为水下规则目标，采用圆柱壳结构，根据实际设计尺寸，近似取仿真目标的长度为1000mm，直径为500mm。
第37卷，增刊红外与激光工程2008年6月V ol.37SupplementInfrared and Laser EngineeringJun.2008收稿日期：2008-01-10基金项目：自然科学基金(60572079)；西南交通大学校基金项目(2006B11)作者简介：江飞(1980-)，男，江西九江人，硕士，主要从事水下光电探测与空间光通信的研究。
Emai l:jf0792@ 导师简介：钟晓春(65)，女，四川成都人，副教授，主要从事空间光电探测与空间光通信的研究。
j @63水下探测中球体目标的回波信号研究与分析江飞，钟晓春，袁茂钱（西南交通大学理学院，四川成都610031）摘要：水下探测中，由于水物质本身的特性，水对激光具有吸收和散射的作用，对激光传播具有很大的影响。
光的能量将随着距离增大变得越来越小，到达目标后，目标的形状，大小对激光反射回的信号将会产生极大的影响。
由于激光器到目标上各点所经历的光程是不同的，因此在每条光程上的衰减也将不同。
在充分考虑各光程不同的条件下，利用解析方法推导出球体目标的回波信号功率方程。
最后得出在忽略与未忽略各光程间差异这两种情况下得到的信号功率随着水质参数、目标大小的增大，它们之间的差异也增大的结论。
关键词：散射；吸收；激光；水质参数中图分类号：TN 249文献标识码：A文章编号：1007-2276(2008)增(红外)-0774-04Study and analysis of echo signal of sphere of the object under the waterJIANG Fei,ZHONG Xiao-chun,YUAN Mao-qian(School of Sci ence,Sout hwes t Jiaotong Univers it y,C hengdu 610031,China)Abstr act:During detecting under the water,because of the character of water m atter of scattering and absorbing,laser ’s transm ittance has been influenced greatly .The energy of laser will reduce along with the augmentation of distance,and the object ’s shape and size will effect on signal power after arriving at an object.For the difference of each optical path from laser to object,the attenuation is also different on every optical paths.Sufficiently considering the various of optical paths,an equation of echo signal power of sphere object is obtained.Finally ,a conclusion is drawn that the discrepancy of signal power between neglecting the difference of optical paths and not will increase along with the increase of object size and water parameters.Key wor ds:Scatter;Absorb;Laser;Water parameters0引言一束激光在海水中传输，由于水物质本身的特性，水对激光具有吸收和散射的作用[1-10]，对激光传播具有很大的影响，激光的能量会随着距离、水质参数的增大而增大，到达目标处的光被目标反射后，接收器接收到的信号功率还受到目标大小及形状的影响。
声纳图像处理声纳图像处理是一种利用声纳技术获取并处理水下目标信息的方法。
声纳技术通过发送声波信号并接收其回波，来获取目标物体的位置、形状、大小以及周围环境的信息。
声纳图像处理在海洋勘测、海洋资源开发、潜水作业等领域具有广泛应用。
本文将介绍声纳图像处理的原理、方法和应用。
一、声纳图像处理原理声纳图像处理的核心就是通过声波进行探测和成像。
当声波信号传播到水下物体时，会发生声波的反射、折射和散射等现象。
接收到的声波回波信号包含了水下物体的信息。
声纳图像处理通过对接收到的声波信号进行分析和处理，可以将声波回波信号转化为水下目标的图像，并对图像信息进行提取和分析。
二、声纳图像处理方法声纳图像处理方法包括信号处理、图像重建和图像增强等步骤。
1. 信号处理声纳图像处理的第一步是对接收到的声波信号进行处理。
常用的信号处理方法包括滤波、傅里叶变换、自适应波束形成等。
滤波可以用来去除噪声以及对信号进行平滑处理。
傅里叶变换可以将时域信号转换为频域信号，进而分析信号的频谱特征。
自适应波束形成可以提高目标的探测性能，减少杂散回波对图像质量的影响。
2. 图像重建图像重建是声纳图像处理的关键步骤，其目的是根据接收到的声波信号来重建出水下目标的图像。
常用的图像重建方法包括线性重建算法、非线性重建算法和逆时偏移算法等。
线性重建算法基于波前传播原理，将声波回波信号逐点重建为图像。
非线性重建算法通过建立目标与回波信号的数学模型，利用最优化算法来求解目标的位置和形状等参数。
逆时偏移算法是一种常用的全波形成像方法，可以克服传统方法中的模糊现象，获得更清晰的图像。
3. 图像增强图像增强是为了提高声纳图像的质量和清晰度，使目标信息更加明显。
常用的图像增强方法包括对比度增强、增强滤波、空间域增强和频域增强等。
对比度增强可以增加图像的灰度差异度，使目标物体更加鲜明。
增强滤波可以通过去除噪声和强化边缘等方式来提高图像质量。
空间域增强和频域增强则是通过对图像的像素值进行变换和调整，以改善图像的视觉效果。
水下目标宽带回波特性的快速计算方法
贾波;王斌;范军;张培珍
【期刊名称】《上海交通大学学报》
【年(卷),期】2017(51)2
【摘要】基于传统板块元方法,运用切比雪夫多项式插值实现了水下目标宽带回波特性的快速计算.从散射声场的特性出发,将幅相分离的思想引入散射声场的分析.目标表面单个板块散射声场可分解为随频率变化的快速起伏和缓变函数的乘积,提取缓变函数切比雪夫节点处的板块散射声场,再利用切比雪夫逼近理论插值得到宽频带内各频率点处的精密计算.结合分离出的随频率快速起伏项,获取每个板块的宽带散射声场,通过各板块元散射声场叠加得到目标宽带回波特性.该方法避免了传统板块元算法逐频率点计算所带来的大量板块的重复计算,可以快速、精确计算水下目标宽带回波特性,计算效率大为提高.
【总页数】5页(P224-228)
【关键词】板块元;散射声场;切比雪夫多项式;宽带回波特性
【作者】贾波;王斌;范军;张培珍
【作者单位】上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心海洋工程国家重点实验室;广东海洋大学信息学院
【正文语种】中文
【中图分类】O427.2
【相关文献】
1.水下复杂目标宽带回波精细特征提取 [J], 张波;安天思;韩静;马忠成;祝令国
2.水下无载波超宽带信号波形设计与回波特性 [J], 侯欣雨;陈航
3.水下小尺度目标宽带亮点回波建模及实验验证 [J], 白峻;申晓红;王海燕;周倩
4.基于高频电磁散射理论的电大复杂目标宽带雷达回波快速计算方法 [J], 王海彬
5.基于分数阶傅里叶变换的水下目标宽带回波精确提取 [J], 姜小荧;安天思;马忠成因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水下目标识别与声信号处理技术水下目标识别与声信号处理技术 1、目的与意义水下目标探测与识别技术对海洋资源的开发和利用以及军事方面有着极大的意义和作用。
比如海底石油的开发和探测，下水潜艇的探测，以及海底残骸，海底底质的分类等等。
目前水下目标探测的主要传感器有:微光TV、激光成像和声纳传感器。
微光TV的图像清楚,但受海水能见度影响很大,总的来说可识别的距离太近,实际应用中难以满足要求;激光成像是在近几年发展起来的新方法,比较适合水下机器人使用,其体积、重量和所需功耗都较小,成像质量远高于声学成像并类似于微光TV,作用距离比TV远,同时可提供较准确的距离信息。
然而要满足对水下目标识别的要求,仍然有不少技术难关需攻克;声学传感器(声纳)在水中作用距离远,又有一定的分辨率,所以是目前水下目标探测的主要传感器。
但是,声纳传感器受海洋环境、背景目标等影响,成像的清晰度不够,给目标探测和识别增加了难度。
智能水下机器人的视觉系统主要依靠“声视觉”。
与传统的声纳系统不同，声视觉系统不仅有声图像和声信息的获取能力，而且应该具备对图像和信息的处理、特征提取以及分类和识别的功能。
安装在机器人主体上的成像探测声纳主要有两类:(1)侧扫声纳:对机器人下方和两侧进行扫描成像的声纳系统，主要用于远距离，大范围的目标探测与定位。
(2)前视声纳:对机器人前方物体和景物声成像的声纳系统。
2、整个声视觉系统的框架为:(l)机器人前方:安装低分辨前视声纳、高分辨率前视声纳(采用声透镜技术)或三维成像声纳。
低分辨前视声纳主要用来发现前方远距离目标，在探测到可疑目标后，接近目标启动高分辨率前视声纳或三维声纳，进行目标的精细探测和识别;(2)机器人侧面:安装高分辨侧扫声纳，主要用来进行远距离海底探测，发现目标后，引导机器人下潜进行近距离识别; (3)机器人下方:安装高分辨的近距离成像声纳或三维成像声纳。
主要进行海底目标(水雷，沉船或管道等)高分辨率识别。
第３１卷第６期２００６年１１月声学学报ＡＣＴＡＡＣＵＳＴＩＣＡＶ０１．３１，ＮＯ．６ＮＯＶ．，２００６水下目标回波特性计算的图形声学方法冰范军卓琳凯（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，振动、冲击、噪声国家重点实验室上海２０００３０）２００５年６月９日收到２００６年３月３日定稿摘要根据Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ近似公式建立了一种水下目标回波特性实时工程预报的新方法一可视化图形声学计算方法ＧＲＡＣＯ（ＧｒａｐｈｉｃａｌＡｃｏｕｓｔｉｃｓＣｏｍｐｕｔｉｎｇ）。
该方法利用三维图形处理系统，采用建模软件对水下复杂目标进行几何建模，并基于ＯｐｅｎＧＬ技术把几何模型转化为屏幕上目标的可视化像素图形，获取像素中包含的目标表面法向量和空间距离信息，最后通过把回波特性预报中的面积分转化为屏幕上可视化图形的像素求和计算，完成水下目标回波特性预报。
计算结果表明图形声学方法有较高的精度，计算速度比板块元方法快９—１０倍。
ＰＡＣＳ数：４３．３０ＧｒａｐｈｉｃａｌａｃｏｕｓｔｉｃｓｃｏｍｐｕｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｅｃｈｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔａｒｇｅｔｓＦＡＮＪｕｎＺＨＵＯＬｉｎｋａｉ（Ｓｃｈｏｏｌ吖ＮａｖａｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＯｃｅａｎａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪＳｔａｔａＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎ，Ｓｈｏｃｋ＆ＮｏｉｓｅＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＳｈａｎｇｈａｉ２０００３０）ＲｅｃｅｉｖｅｄＪｕｎ．９，２００５ＲｅｖｉｓｅｄＭａｒ．３，２００６ＡｂｓｔｒａｃｔＯｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆＫｉｒｃｈｈｏｆｆａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎ，ａｎｅｗａｐｐｒｏａｃｈ—ＧＲＡＣＯ（ＧｒａｐｈｉｃａｌＡｃｏｕｓｔｉｃｓＣｏｍｐｕｔ—ｉｎｇ）ｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｔｈｅｅｃｈｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔａｒｇｅｔｓｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ．Ｕｓｉｎｇ３Ｄｇｒａｐｈｉｃｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｐｌｅｘｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔａｒｇｅｔｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ＢａｓｉｎｇｏｎＯｐｅｎＧＬ，ｔｈｅｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｉｎｔｏｔｈｅｖｉｓｕａｌｉｍａｇｅｏｎｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒ’Ｓｓｃｒｅｅｎ，ａｎｄｔａｒｇｅｔｓｕｒｆａｃｅ’Ｓｎｏｒｍａｌｖｅｃｔｏｒａｎｄｓｐａｃｅｉｎｃｌｕｄｅｄｉｎｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｐｉｘｅｌｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｎｓｔｅａｄｏｆｃｏｍｐｕｔｉｎｇｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｉｎｔｅｇｒａｌｄｉｒｅｃｔｌｙ，ｔｈｅｆｏｒｅｃａｓｔｏｆｅｃｈｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔａｒｇｅｔｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｓｕｍｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｒｏｍａｌｌｔｈｅｐｉｘｅｌｓｉｎｔｈｅｓｃｒｅｅｎｉｍａｇｅ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＧＲＡＣＯｍｅｔｈｏｄｅｎｊｏｙｓｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｃｏｍｐｕｔｉｎｇｓｐｅｅｄｉｓ９ｔｏ１０ｔｉｍｅｓｆａｓｔｅｒｔｈａｎｔｈｅＰｌａｎａｒＥｌｅｍｅｎｔｓＭｅｔｈｏｄ．引言声呐工程中对于水中复杂形状目标回波特性的预报目前主要采用两种方法。
一是基于亮点模型的部件法【１＇２ｊ，这种方法将复杂形状的目标分解为一组简单形状的子目标，每个子目标的回波用解析形式表示，计算简单且物理概念清晰。
但由于子目标的限制，对实际目标形状的逼近误差较大；二是数值计算方法［３】，如目前比较常用的板块元方法【剖。
这种方法虽然能较精确地逼近复杂形状的目标，并且计算速度比直接数值积分提高了很多，但由于要划分的板块数木国防重点实验室基金资助项目（５１４４４０５０１０１ＪＷ０３０１）量巨大，板块之问的遮挡和消隐也需要耗费大量计算时间和资源，因此仍然满足不了工程实时ｌ生的要求。
随着声呐技术和水下武器系统的发展，要求目标回波特性预报的精度更高、速度更快。
基于运算速度快，实时性好的图形化可视化计算技术在雷达ＲＣＳ预测上的成功应用［５－ｓｊ，能否在水下目标上运用该技术便成为了水中目标回波特性研究的一个新方向。
本文建立了适合水下目标回波特性快速预报的可视化图形声学计算方法（ＧＲＡＣＯ）。
该方法利用三维图形处理系统，采用建模软件对水下复杂目标进行几何建模，并基于ＯｐｅｎＧＬ技术把几何模型转 万方数据５１２声学学报２００６焦化为屏幕上目标的可视化图形，再把回波特性预报中的面积分转化为屏幕上可视化图形的像素求和计算，完成水下目标回波特性预报。
对于水下简单和复杂目标回波特性的计算结果表明，图形声学方法预报结果具有较高的精度，并且自动完成遮挡和消隐计算，对于分辨率固定的显示视窗，计算量以及对计算的存储量与目标几何线形的复杂程度无关，计算速度比板块元方法快９，－一１０倍。
１水下目标回波特性计算的图形声学方法（ＧＲＡＣＯ）１．１水下目标回波特性计算的基本公式应用物理声学或Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ近似方法，如图１所示目标的散射声场可以表示为：虻去仆。
未（ｉｅｉｋｏｒ２）一等警］ｄｓ，㈤其中ｓ是散射体表面，ｎ是外法线，７＇２是散射点矢径。
图１积分区域对于高频情况通常假设：（１）忽略几何影区对声场的贡献：实际积分面积是从尬，Ｍ２看去均处于亮区的那部分表面ｓｏ。
（２）物体表面满足局部平面波边界条件：Ｉ咖。
＝Ｖ（Ｏｉ）≯ｔ，｛ｉｗｐ（≯。
＋也）７（２）Ｌａ（≯。
＋咖ｔ）／ａｎ一““’其中也是入射波势函数（忽略ｅ一“），妒产（Ａ／ｒ１）ｅ讹ｏ”，表面反射系数ｙ（ｐ１），表面声阻抗磊。
由表面边界条件可以得到：扣署厶ｅｉｋｏ（ｒｌ＋ｒ２）Ｖ（㈨『掣ｃ。
９。
＋掣ｃ。
ｐ。
］ｄｓＬ７’１ｒ§ｒ２ｒ１。
Ｊ对于收发合置的情况ｑ＝ｒ２＝ｒ，０１＝如＝ｐ，有：扣杀厶ｅｉｋ０２ｒＶ（叭／ｉｋｏｒｒ＿－１ｃｏｓ９）ａｓ．（４）原则上，（３）（４）两式适用于任意距离，不管是近场还是远场。
我们首先分析远场情况，建立远场图形声学计算方法。
由式（４）可以得到远场条件下的声呐目棚度Ｔ耻一俐ｉｋｏ１２０ｌｏｇＩ，㈣ＴＳ＝ｌ一——Ｉ，（５）其中：Ｊ＝／ｅ２派扩ｃｏｓＯＶ（Ｏ）ｄｓ＝／ｅ２ｉｋｏｒ（ｎｏ．ＰＯ）Ｖ（Ｏ）ｄｓ，（６）ｎｏ为面元的单位法向矢量，ｒｏ为接收点到参考点的单位矢量，表面反射系数ｖ（ｏ）。
式（５）和式（６）给出的是高频条件下收发合置状态水下目标目标强度计算的基本公式，这个公式计算的关键是计算（６）式的面积分。
一般来说对于简单规则物体如球、柱、椭球可以利用稳相法得到近似解析解，从而导出亮点模型，延伸可以得到水下目标回波特性计算的部件法［１，２】。
对于复杂形状物体可以采用数值积分的方法，对积分直接数值求解从而得到复杂目标的回波特性，板块元方法就是基于这个思想ｆ４】’把水下目标利用一组小板块来近似，并且使面积分转化为空间板块顶点坐标矢量和的计算，使计算速度比直接数值积分提高了１０倍。
板块元方法经过多年的开发已经成为计算水下复杂目标回声特性的是一种成熟算法，并且已经推广到水下非刚性表面目标近场回声特性的预报中【引。
但板块元还有有待改进提高之处：一是由于采用的是三角形板块或四边形板块逼近目标外形，板块数目仍然还相对较大，计算速度相对还要再提高，二是板块之间的遮挡和消隐也需要耗费大量计算时间和资源，这点也是制约板块元方法速度提高的关键。
为了提高对于这个积分的计算速度还需要建立新的方法，建立的图形声学方法ＧＲＡＣＯ就是一种基于计算机图形处理系统的水下目标回波特性计算的新方法。
１．２图形声学方法ＧＲＡＣＯ的基本计算公式计算如同公式（６）的积分，关键是要求得面元的单位法向矢量扎ｏ，距离ｒ，以及表面法向与入射声线的夹角０，同时确定积分亮区８０。
图形声学计算方法一ＧＲＡＣＯ的基本原理和思想是：首先对水中目标进行三维几何建模，再通过计算机图形处理系统把所建立的三维模型辅助以相应的光照模型渲染成像于计算机屏幕上，同时完成遮挡和消隐运算，确定积分亮区ｓｏ，并通过读取屏幕图像像素信息得到目标表面法向量ｎｏ，距离ｒ，以及表面法向与入射声线的夹角０，并把公式（６）的面积分离散为像素求和计算目标的回波特性。
首先建立如图２所示的屏幕坐标系统，把建立的三维几何模型成像在这个屏幕坐标中。
目标图像 万方数据６期范军等：水下目标回波特性计算的图形声学方法５１３实际是真买三维表回在计算机屏幕上的投影，如图３所示，因此屏幕上的小面元即像素ｄｓ７为真实面元ｄｓ在其上的投影，故存在关系：ｄｓ７＝ＣＯＳＯｄｓ，（７）代入（５）式和（６）式可以得翔：Ｔｓ＝２。
１。
ｇｌ—ｉ２ｋ丌ｏ／／。
ｅ２ｉｋｏｒｖ（口）ｄｓ’１．（８）按照像素进行离散化计算，上式变为：Ｔ忙２嘶ｇ卜丽ｉｋｏＰＩＸ∑ＥＬＳｅ２ｉｋ。
ｒｖ㈣厶ｌ，（９）在掠入射情况下，即咿－４９０。
时，屏幕像素ｄｓ７虽小，但面元ｄｓ可能很大。
为了克服这个问题，通常将单个像素等效为均匀辐射的矩形孔，其远场贡献可以近似角度ｐ的ｓｉｎｃ函数，进而得到［５—８】：Ｔ耻２０ｌｏｇ卜丽ｉｋｏ嗽脚Ｃｏｓ～ｓｉｎｃ㈨、（南。
志ｓｉｎ９）ｅ２ｉｋｏｒｖ（叫．其中ｚ是屏幕上矩形像素ｄｓ７的尺寸。
Ｉ／ＣＯＳｐ为对应于ｄｓ７的目标表面ｄｓ的尺寸，这里取？Ｔｔ＝２。
公式（１０）就是利用ＧＲＡＣＯ方法计算目标强度的基本公式，关键是把式（５）和式（６）中的面积分转化为屏幕上图形像素的求和。
计算机屏幕图２屏幕坐标系统图３目标表面面元在屏幕上的投影１．３图形声学方法ＧＲＡＣＯ在ＯｐｅｎＧＬ中实现的基本机制式（１０）虽然给出图像声学方法ＧＲＡＣＯ计算目标强度的基本公式，但具体实现还需要利用计算机图形处理系统，如图像加速卡，以及基于ＳＧＩ的三维图形库的一个开放式图形软件包ＯｐｅｎＧＬ。
ＯｐｅｎＧＬ作为图形硬件的一个软件接口，使得用户可以与图形硬件或帧缓存区进行交互，向硬件输入数据或从图形硬件提取数据。
图像声学方法的实现需要用到大量的ＯｐｅｎＧＬ命令，在这其中目标的三维几何建模、目标图形光照渲染、以及计算（１０）式所需要的像素信息读取是最为关键的。
１．３．１水下目标的三维几何建模用于目标外形建模的方法很多，如一是直接利用目标的型值点采用数值曲面拟合方法得到目标曲面，这种方法较为复杂，可操作性差，二是利用现成图形软件如ＡＮＳＹＳ，３ｄｓＭＡＸ、ＡｕｔｏＣＡＤ、Ｉ－ＤＥＡＳ等。
我们这里采用后一种方法，用ＡＮＳＹＳ软件对水下目标进行几何建模。
建模后调用ＯｐｅｎＧＬ命令读入建模后数据，在计算机屏幕上完成图形显示。
