机载声呐浮标数据记录和利用

施丹枰 肖魁

（第七一五研究所，杭州，310023）

由于现代潜艇的隐蔽性和巨大威胁性，反潜已经成为现代海上军事斗争中的主要环节和重要作战任务。在各种反潜装备中，声呐浮标装备在固定翼反潜巡逻飞机、反潜直升机、水面舰船等平台上使用，具有反应迅速、搜索效率高、攻击能力强、覆盖海域广、机动性强等特点，已成为世界各海军强国战术反潜的主要手段。

在声呐浮标搜潜过程中，能够积累获取到大量的目标水声和海洋环境数据，这些数据具有重要的研究价值[1]。当前我国声呐浮标数据采集体制尚未完善，数据流转机制没有建立，导致声呐浮标数据质量不高，处理难度较大，还不能满足水下作战、训练和装备研制及技术发展对水声数据的保障需求。鉴于此，本文就声呐浮标数据的采集记录、分析处理、建库管理、数据产品应用等方面进行初步的研究和探讨。数据流转过程如图1所示。

图1 声呐浮标数据流转过程

1 浮标数据记录和整编

1.1 数据记录规范

声呐浮标搜潜装备由声呐浮标处理系统、声呐浮标组成，声呐浮标处理系统装备在飞机或舰船平台上，完成浮标信号接收、处理和显示。声呐浮标数据应根据组态数据规范要求设计记录接口，一般通过飞机及舰船平台的数据记录设备进行采集和记录。浮标记录信息应包含浮标任务信息、声呐浮标信息、平台信息、环境信息及外部信息。

（1）任务信息由编号、名称、时间、任务描述及各类标注信息组成。

（2）声呐浮标信息是记录数据中的主要组成部分，由浮标阵元数据、操作数据、状态数据、场景数据（音视频）组成。其中浮标阵元数据包含声传感器及温深等各类传感器数据；声呐浮标操作数据包含投放时间、浮标编号、浮标类型、无线电通道、浮标位置等；浮标状态数据包含浮标无线电工作状态、浮标定位信息、浮标成活状态等；浮标场景数据包含信号处理送显数据、收听数据、显控音视频等。

（3）平台信息由探测目标数据、平台导航数据、声呐状态数据组成。探测目标数据包含位置、方位、距离、航速等；平台导航数据包含经纬度、航向、航速、高度等；声呐状态数据包含声呐性能、系统/分机状态。

（4）水声环境信息包含海深、声速剖面、海底类型、洋流状况、海洋背景噪声等。

（5）外部信息由雷达信息、AIS（Automatic Identification System）信息、其它声呐平台探测信息、值更信息等情报数据组成。

完成声呐浮标数据记录后，需要快速高效的渠道将声呐浮标数据转储到地面处理和存储设备，现阶段主要通过拆卸记录设备的专用存储介质，在地面通过数据转储装置读取导入到地面设备。由现有浮标的数据采样率和编码形式，统计浮标数据的存储量如表1所示。

表1 浮标数据量统计

1.2 数据整编方法

目前，声呐浮标在不同的平台上使用，浮标接收处理系统和记录设备型号不一，记录的浮标数据内容和格式尚不统一，需要对浮标数据进行整编，转换为标准的格式和规范化文件包内容，便于后续处理和管理。

数据整编包含数据转换、音频提取、文件内容补充、数据架构整理等步骤：

（1）数据转换是将不同记录格式的记录数据转换成统一的格式；

（2）音频提取是将声呐浮标数据转换为音频文件，便于直接解码播放和保存；

（3）通过按规范补充缺少的相关信息，并生成相应文件，完成内容补充，如含AIS信息的文本文件，含情报获取的目标运动轨迹文本文件等；

（4）提出数据文件目录架构的规范要求，对单次任务浮标数据包内的数据文件名和文件目录架构进行整理，形成格式统一、内容完整的数据文件素材。

通过制定声呐浮标组态数据记录规范，完善声呐浮标数据记录内容，在各浮标使用平台上广泛采集记录组态化的声呐浮标数据，并整编成规范化的声呐浮标数据包，保证声呐浮标数据质量，能够有效提高后续数据分析、处理和使用效率。

2 浮标数据复盘和分析

2.1 浮标数据复盘

在声呐浮标搜潜任务过程中，由于浮标工作时间短，接收处理资源有限、外部获取情报信息不够等原因，声呐员不能保证对每一枚浮标在工作时段获取的信息进行观察和甄别，因此在任务结束后，需要根据记录的浮标组态数据，对声呐浮标搜潜任务情况进行复盘确认，评估浮标使用效能，并快速形成战斗要报。声呐浮标数据复盘可分为综合态势复盘、目标探测复盘、音视频回放复盘三种方式。

2.1.1 综合态势复盘

综合态势复盘基于组态记录数据，实现在海图上动态展示任务过程中声呐浮标、探测目标、水面/水下平台及飞机平台的位置、深/高度信息及其它工作状态信息。

通过解析任务数据，生成浮标射频通道号、处理通道号、处理起始结束时间三者的对应关系，显示作战综合态势。综合态势要素包括：浮标投放信息、温深信息、可疑目标信号频率、有接触浮标在态势图上的位置对应关系。

由外部情报信息在海图上进行手动标绘，增加、删除、修改态势显示元素，进行距离方位测量等操作。定位关注的任务时刻，控制复盘进度。综合态势复盘界面如图2所示。

图2 综合态势复盘界面

2.1.2 目标探测复盘

目标探测复盘基于组态记录数据中的浮标阵元数据和浮标操作数据，进行声呐浮标信号处理和显控处理的模拟仿真，通过灵活的浮标通道、时刻点、处理参数选择等进行复盘观察收听，对声呐浮标的探测结果进行分析确认。

声呐浮标信号处理方法和显控界面与真实装备一致，完成各型浮标的处理结果显示和控制，完成浮标管理、定位作图功能。

2.1.3 音视频回放复盘

基于记录的音视频数据，通过音视频解码软件回放声呐浮标操作台的音视频，对任务过程进行确认，对声呐浮标搜潜任务过程中的探测场景和声呐员操作进行复盘确认。此项操作简单快速，同样是声呐浮标任务复盘的一种重要手段。

通过以上数据复盘方式，同步再现声呐浮标的作战环境和目标探测情况，能够对声呐浮标探测到的目标信号视听特征进行确认，对声呐浮标搜潜任务过程和探测结果进行确认，从而为声呐浮标搜潜信号处理算法、探潜战法及作战效能评估等研究内容提供重要技术支撑。

2.2 浮标数据分析

现阶段，主要基于装备信号处理算法，利用低频线谱分析（Low Frequency Analysis and Record，LOFAR）、噪声解调谱分析（Demodulated Noise，DEMON）、定向低频线谱分析（Directional Low Frequency Analysis and Record，DIFAR）、测向定位分析（Correlation Display Analyzing and Recording，CODAR）、主动全向分析、海洋环境噪声测量分析（Ambient Noise Measurement，ANM）、温度深度测量分析（Bathythermograph，BT）等浮标数据分析手段，持续迭代地开展声呐浮标目标识别、目标特征提取方面的研究。LOFAR分析工具界面如图3所示。

图3 LOFAR分析工具界面

2.2.1 目标检测识别

一方面利用目标辐射噪声 LOFAR谱和DEMON谱等常用特征，提取目标轴频、叶频和叶片数等物理特征。另一方面利用时频联合域变换、功率谱分析等信号处理方法进行数值特征提取。在此基础上，人工判断目标类型，将多枚浮标测得的目标方位角、线谱频率、多普勒频移、距离等信息进行数据融合，对单个或者多个目标进行跟踪，获得目标运动路径、航速、航向等估计值，以进行目标定位与跟踪。

2.2.2 目标特征提取

● 研究和掌握不同噪声源辐射噪声特性与运动工况、海洋信道传输等影响规律。

● 研究水声目标散射特征，融合多传感器信息建立目标样本数据库，构建大数据分析与处理框架。

● 研究深度学习和数据挖掘为代表的人工智能方法，通过对目标数据进行降维、关联、分类等处理，拟合目标数据与目标类型之间的非线性关系，自动完成特征提取与识别。

通过对声呐浮标数据进行分析和挖掘，完成目标特征分析、提取，为特征库提供素材，为装备信号处理算法完善和目标识别性能提升提供技术支撑，实现声呐浮标数据的利用价值最大化。

3 浮标数据建库和管理

浮标数据库实现声呐浮标数据的存储管理与服务。厂站建设的数据库通常采用典型中小规模数据存储服务方案。浮标数据库划分为基础数据库（原始数据库）、上报数据库和应用支持数据库三类。

3.1 数据库功能

（1）基础数据库的建库：实现声呐浮标各类信息的录入、存储、加载、更新。

（2）上报数据库的建库：实现战报及相应支撑数据的录入、存储、加载、更新。

（3）应用支持数据库的导入：实现声呐浮标目标特征数据、海洋环境数据、声呐浮标系统使用性能数据的导入操作。

（4）数据查询：实现对三类数据库的相关信息检索和查询。

（5）数据统计：实现各类数据的统计。

（6）数据备份/恢复：数据库采用 RAID（Redundant Arrays of Independent Disks）物理备份技术，能够在数据库遭到破坏后用备份数据进行恢复。

（7）数据导出：实现三类数据库的按需导出。

（8）用户管理模块：实现数据库的用户管理，提供用户添加/删除/权限修改等功能。

3.2 数据库结构设计

根据声呐浮标系统获取数据特点，建立基础数据库表的实体关系模型。基础数据库的实体包括任务、平台信息、声呐、海洋环境、目标、雷达探测信息、AIS目标信息、装备使用性能等。

上报数据库库表是上报数据管理部门的标准库表，主要用于疑似目标的二次综合分析，要求上报数据要覆盖水声数据分析全要素。数据以任务批次上报，主要数据包括目标特性数据及同步信息、水声环境数据、装备性能库表以及任务执行相关信息等。

应用支持数据库表是数据管理部门下发数据使用的标准库表，包括目标特性数据、水声环境数据、装备性能库表等，如表2所示。

表2 应用支持库数据要素

通过声呐浮标数据的建库和管理，提供浮标分析前后数据快速查询及下载服务，对样本数据和目标特征数据进行关联、分类，最终形成目标特征库、听音数据库等数据产品，从而为目标识别研究和模拟训练提供重要的数据支撑。

4 结论

声呐浮标数据作为水声数据中的一种，具备大数据特征，具有重要的研究价值。重视和规范记录、整编、复盘、分析、信息挖掘、数据建库、数据管理等一系列数据流转过程环节，正确运用数据记录和处理方法，对声呐浮标数据充分利用，掌握数据特性、规律，挖掘数据价值，为声呐浮标搜潜模拟训练、声呐浮标搜潜装备性能提升、海洋环境研究提供丰富的数据支撑，对声呐浮标搜潜技术发展和作战训练具有重大意义。