动态时间归整算法抑制前向散射直达波干扰

张培珍，王　斌，欧触灵

（1.广东海洋大学信息学院海洋遥感与信息技术实验室，广东 湛江，524088；2.上海交通大学海洋工程重点实验室，上海，200240）

动态时间归整算法抑制前向散射直达波干扰

张培珍1，王斌2，欧触灵1

（1.广东海洋大学信息学院海洋遥感与信息技术实验室，广东 湛江，524088；2.上海交通大学海洋工程重点实验室，上海，200240）

基于衍射CT成像技术，在弱散射条件下根据收发分置目标散射强度的指向分布特性，可以重建目标形状、以及周围介质的声学参数。在目标的正前方，前向散射波和直达波同时到达接收阵，特别是当目标为密度和声速接近于水的弱散射目标时，散射回波完全淹没在直达波中，抑制直达波干扰才能实现目标的识别、方位估计以及声学特性解释。基于语音识别的动态时间归整（Dynamic Time Warping, DTW）算法，是利用归整路径距离的动态规划来求解发音长短不一的孤立词模板匹配的问题。固定入射波方向，以浸没水中的无限长圆柱体目标为例获取实验数据，将DTW算法用于直达波和散射波的分离，并将消除直达波影响后的目标散射远场的强度与严格的解析结果进行了对比，结果表明DTW算法可以有效地在强直达波干扰背景中有效提取目标散射信息。

弱散射；直达波；散射波；动态时间归整算法；衍射CT

声衍射 CT作为医学诊断中目标检测、成像手段，该技术被广泛地应用于海洋及地球物理探测、无损探伤、安保检测等领域[1-2]。利用目标形状以及周围介质的声学参数计算水下目标散射特性，是逆向运用衍射CT技术解决弱散射目标声学正问题的方法[3-4]。以平面声波沿x轴方向入射，为得到收发分置散射强度的指向分布，可以固定目标和发射声波的位置，围绕目标旋转接收水听器。在目标的后方，发射源与接收水听器较近，直达波先于散射波到达接收设备，可以利用时窗分离技术将二者分离。在正目标前方，直达波和散射波同时到达，即使目标不在基线上，由于直达波和散射波都会持续一定的时间，所以与正前方夹角为φ的范围内直达波和散射波将不同程度混叠在一起[5]。当目标为弱散射的流体目标，直达波其能量远大于水下目标的反射回波，其干扰严重影响了目标检测的能力。

为了从较强的直达波干扰背景中有效地恢复出目标散射波强度，常利用信号波形特征进行时域信号分离。这类算法都需要计算信号的高阶统计量或循环谱信息，计算量较大[6-8]。对接收信号采用相关处理，可以简单分离出目标前向散射信号，实现收发分置目标散射声强的测量[9-10]。在目标前向，分别获取有无目标时接收到的信号相减，可以得到散射波强度。但是由于测试条件的限制，两种情况下的直达波不同步，直接相减误差较大。语音识别中的 DTW算法把时间规整和距离测度计算结合起来[11-12]，根据有无目标时水听器接收信号波形的相似性，将信号对齐，消除直达波在两种情况下到达时刻不同步带来的误差，再利用简单差值法提取散射波。实验表明该方法简单，无需高阶统计计算，可以有效的用于强直达波干扰背景中提取目标散射信息。

1　DTW算法基本的原理

1.1算法原理

若两个时间序列的整体上具有非常相似的波形，但是波形的长短和到达时刻并不同步，如图1所示。DTW通过把时间序列进行延伸和缩短的匹配运算，来衡量两个时间序列性之间的相似性[13]。弱散射条件下，有目标和没有目标时的水听器接收波形频率相同，波形在整体上具有相似性，但是由于测试条件的限制，两种情况下直达波的相位存在差异，需要将其中一个（或者两个）信号在时间轴下，运用DTW方法把时间序列进行对齐，消除波形的不同步现象。图1（a）中上下两条实线代表两个时间信号序列，信号之间的虚线代表两个时间序列之间相似的点。

图1　相似时间序列与归整路径Fig.1　Similar time sequences and warping path

1.2归整路径距离

如图1 （b）所示，若两个信号的时间序列表示为p和q，每个点之间的距离为D（qi，pj）。DTW算法通过寻找适当格点，得到最佳归整路径距离，作为两个序列对齐的点，来消除时间序列的不同步现象。若规整路径用W表示， 第k个格点定义为wk=（i, j）k。最佳路径是使得沿路径的积累距离达到最小值的路径。即计算当前格点距离D（i，j）与到达该点的最小邻近元素的累积距离之和：

2　算法验证

为说明算法的有效性，首先对实验所采用的圆柱体从理论上仿真回波结构。目标与声场几何分布如图2所示，接收器围绕目标一周且位于远场。

图2　目标与声场几何Fig.2　Target and geometrical layout of sound field

图3给出圆柱目标后向散射回波声压级的简正级数解以及散射回波仿真结果。圆柱目标几何和声学参数见3.1节。

图3　柱体目标后向散射远场形态函数与回波仿真Fig.3　The form function of back scattering and echo wave simulation

弱散射目标的前方散射信号和直达信号不同程度混叠在一起，如图4（a）所示。有无目标时水听器接收到的直达波相位存在不同步，前向散射信号受到直达信号的强烈干扰，直接利用减法求解散射波误差较大，很难将其提取出，结果如图4（b）。

图4　归整算法处理前有无目标时接收信号差值提取散射波Fig.4　Scattered wave calculated by difference between two receiving signals before distance warping

现将无目标存在时，测得的直达波作为参考标准，对叠加了散射波信号进行归整，构建邻接矩阵，寻找最短路径，从而得到归整对齐的信号序列，如图5（a）所示。利用最小归整距离算法，消除两个信号波形的相位差消除因归整带来的时间序列的补零，即可得到完整的散射波，图5（b）给出剔除直达波后的散射波，以及误差曲线。

图5　归整算法处理后有无目标接收信号差值法提取散射波Fig.5　Scattered wave calculated by difference between two receiving signals after distance warping

3　水池实验及分析

3.1实验材料与布局

散射指向分布测量实验在上海交通大学水声工程实验室完成，水池为5 m×5 m×5 m。目标为树脂（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）材料的圆柱体，柱体长1 m，直径54 mm，其散射特性近似为无限长柱体。ABS圆柱密度约为1 075 kg/m3，声速1 385 m/s，忽略目标剪切分量。

换能器采用WBA-60换能器阵，工作频率为40 kHz～80 kHz，信号脉冲周期250 ms、脉宽0.13 ms、10循环周期，电压幅值1 V。目标、水听器、换能器布放深度均为2 m。圆柱体垂直浸没水中，距离换能器1.95 m。水听器以目标为圆心绕目标旋转180º，旋转半径1.8 m，测量0º～180º范围内接收声波强度。

3.2散射指向分布

在相同实验条件下，分别测量有无目标时，水听器接收信号的强度。图6（a）为水听器从目标后向（入射方向与接收水听器同向，记为180º）出发，以0.5º为增量围绕目标旋转得到的测试结果。图（b）在相同的测试条件下，无目标存在时，以相同的方式正转水听器，测量直达波强度。

图6　有无目标存在时接收信号强度Fig.6　Receiving signal strength with and without target in the field

为了获得目标的散射声场强度指向分布，分别利用目标存在时的接收信号减去无目标时的直达波，然后求取每个角度波形的最大值，得到散射波声压。图7分别给出归整前后两种信号差值法提取的0º～180º范围内的散射声压，并与解析解进行了对比。

图7　不同方法得到散射声压对比Fig.7　Comparison of scattered wave calculated by different method

图7可见，经过DTW算法处理后，简单的差值法可以有效提取的散射波。但是由于解析解考虑的是无限长柱体，忽略了目标的剪切分量，且ABS柱体中声速估计值与实际值略有偏差，因此数值计算与解析解的存在略微差异是不可避免的。

4　结　论

动态时间规整DTW是利用两个信号匹配时累积距离最小时所对应的归整函数，得到两个相似信号的时间对应关系。该算法用于混叠强直达波与散射波的分离，是将有无目标时水听器接收到的信号看作两组相似的时间序列，通过归整路径法求解两组信号的相似格点，来消除两组信号序列的相位不同步现象。理论分析和实验测量结果的数值计算表明，该算法简单且不需要大量的统计运算，有效地消除了有无目标时直达波由于相位不同步带来的较大误差，简单的差值法即可适用于提取混叠强直达波中的前向散射波。由于该研究主要考虑的目标为弱散射目标，散射回波和直达波强度差存在一定限制，因此当散射波与直达波峰值比小于0.1时，该方法是有效的。

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（责任编辑：任万森）

Suppression of Interference by Direct Arrival Wave Using Dynamic Time Warping Method

ZHANG Pei-zhen1, WANG Bin2, OU Chu-ling1
(1. Lab of ocean remote sensing & information technology, Information School，Guangdong Ocean University，Zhanjiang，524088 China；2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong university, Shanghai 200240, China)

Based on diffraction CT imaging technique, shape of targets and acoustic parameters of the surrounding medium can be reconstructed by directional distribution of scattered wave in bistatic system. While in front of the target, forward scattered wave and direct wave reach the receiving array at the same time. Especially under weakly scattering condition, namely, density and sound velocity of the target are comparable to that of water, scattered echo is completely submerged in the direct wave. Suppressing interference of direct wave is important for targets identification, position estimation and interpretation of the acoustic properties. Dynamic Time Warping (DTW) is a speech recognition method, which can be used to solve template matching problems of single words with different pronunciation length. Specified incident wave direction, immersed an infinite long cylinder in water to obtain data by experiment in tank. DTW algorithm is used to separate direct and scattered waves. Scattered far-field is calculated and presents a good agreement with analytic solution. The results show that the DTW algorithm can effectively extract scattering information with strong interference of direct wave.

weakly scattering；direct arrival wave；scattering wave；dynamic time warping algorithm；diffraction CT

O427.2

A

1673-9159（2015）06-0077-05

10.3969/j.issn.1673-9159.2015.06.014

2015-08-07

广东海洋大学创新强校工程 (GDOU2014050224)，广东海洋大学博士启动基金(E15045)

张培珍(1972-)，女，博士，副教授，研究方向为水声信号处理。E-mail: zpzhen7242@163.com