摘 要：讨论了基于水下高频（20～35 khz）目标回波亮点的分裂波束目标尺度识别方法。提出了利用分裂波束双通道短时互谱算法提取水下目标亮点回波方位特征的算法，给出了目标回波方位走向的线性拟合估计及目标视在空间张角的估计方法，推导了目标视在张角估计方差，并进行了计算机仿真。仿真结果表明：对于目标长度为100 m、发射信号（cw）的脉宽为40～50 ms、舷角为20～40°、信噪比为10 db时，分裂波束短时互谱法目标尺度识别性能良好。
关键词：分裂波束；互谱；尺度识别
引 言
水下目标识别是水下声学观测设备应具有的重要功能之一。水下声学目标识别方法主要有两种途径：被动噪音特征提取与识别，主动目标回波特征提取与识别。被动噪音特征提取与识别主要通过提取目标辐射的低频噪音特征进行目标识别，其主要特征量为线谱成分。主动目标回波特征提取与识别主要通过提取目标回波的时空频特征进行目标识别，主要特征量为高频回波成分（20～35 khz）。被动噪音特征提取与识别的方法及算法较多，主要为谱分析及非线性网络的方法。而主动目标回波特征提取与识别的方法和算法则较少，特别是水下高频目标回波的目标识别算法更少。
水下体目标反射回波，一般各反射点（对应目标回波亮点）反射的子回波反射方位不同，而且回波抵达接收处的时间也不同，所以目标回波存在时间－方位走向，即目标在空间域存在角度扩展特征，这是目标尺度识别的重要空间特征量。本文基于空间布放等效双子阵（图1）进行研究，所以处理的数据也是通过双子阵空间采样而观察到的双通道数据，在实际的水下观测系统中有很强的工程应用背景。图中：d为阵间距；θ为声波入射角（即目标方位角）；e1（t），e2（t）为接收信号。这种方法的主要思想是：在空间布放等效二子阵，对声场中的回波及干扰进行空间采样，并从采样得到的双通道数据中提取短时相位差特征量，进而得到短时方位特征，采用统计方法得到方位走向，从中估计目标视在张角特征量，最后识别目标。
1 原理与算法
1．1 双通道短时互谱法方位分析
互谱法主要用于分裂波束系统的精确方位估计，最初由j．s．bendat和a．g．piersol提出，一般主动声纳情况下多用于窄带信号处理。如图1所示，两子阵接收到的信号为e1（t）及e2（t），并且e2（t）＝e1（t－τ），其中τ＝（dsinθ）／c（c为声速）。τ为两子阵相对时延差。真实方位信息θ存在于τ之中，而τ的信息则存在于e1（t）和e2（t）的互谱中。
对于数字系统，由输入e1（t），e2（t）采样得到离散的时间序列e1（k），e2（k），可用fft完成两路信号的互功率谱，估计时延并求出方位。有
其中下标q表示时间序列起点，当n较大时
则第l条谱线对应的相位差
其对应方向
1．2 短时互谱法目标方位走向分析及识别
将目标回波e1（t）和e2（t）采样后，得到离散采样时间序列e1（p）和e2（p）（l＝0，1，2，…，l），并将其分成n段，每段长为m＝int（（l＋1）／n），则有序列
对每段进行fft变换
则其相位差
式（18）是目标方位走向的线性回归，它反映了目标回波的时间－方位（空间）分布特征，式（19）是用以判断尺度目标真伪的最终特征量，即有
1．3 目标视在张角扩张量估计方差
对单一点源目标的窄带系统，利用双子阵鉴向方法得到目标空间角θ方差为
式中：c表示声速；t表示处理时间；d表示两子阵阵间距；θ表示目标真实方位；ωh，ωl表示窄带信号的上、下频率；s表示信号谱；nn表示带内噪声谱。
在时空分割情况下进而得短时方位鉴向序列θ1，θ2，…，θn（对应时刻t1，t2，…，tn），方位走向为近似线性，则以线性最小二乘拟合估计
所以最后目标张角△θ估计方差为式(25)。
图2给出了在观察基阵对准目标时(即基阵面法线指向目标时)，32点目标方位拟合下，目标视在张角估计方向与信噪比的关系。图中信号中心频率为30khz，带宽为0.5khz.
2 仿真与分析
在仿真中给出了不同的发射信号脉冲宽度、不同舷角（舷角指对准目标时，基阵法线与目标航向的夹角）、不同信噪比情况下的目标尺度识别结果。体目标几何长度为100 m。
2．1 不同发射信号脉冲宽度的目标尺度识别仿真
图3给出了在舷角50°，距离500 m，发射信号脉宽为20 ms，信噪比为20 db时，目标回波方位走向，视在目标张角估计值δθ＝5．18°，方差18．39°。仿真表明在发射信号
