基于目標(biāo)探測(cè)的側(cè)掃聲吶拖魚速度控制方法研究

成 芳，張 夢(mèng)

（1.91550部隊(duì)，遼寧 大連 116023；2.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018）

當(dāng)前，用于水下目標(biāo)探測(cè)的聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)主要包括單波束、多波束和側(cè)掃聲吶三大測(cè)量系統(tǒng)。而側(cè)掃聲吶以其分辨率高、實(shí)時(shí)性好及測(cè)量效率高等特點(diǎn)成為水下目標(biāo)探測(cè)的主要方式。事實(shí)上，側(cè)掃聲吶在具體實(shí)施時(shí)，有很多問題需要考慮，如聲圖上目標(biāo)位置和高度的確定、儀器的水平和垂直分辨力分布狀況、測(cè)量船船速的選擇、聲圖的失真與干擾、探測(cè)帶有效度與探測(cè)趟的布設(shè)、聲圖上海底目標(biāo)的判讀和識(shí)別等問題[1]。其中，不同的測(cè)量需求對(duì)上述技術(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容的設(shè)計(jì)要求也不相同。對(duì)于水下目標(biāo)探測(cè)而言，利用側(cè)掃聲吶完成水下目標(biāo)有效探測(cè)必須滿足兩個(gè)條件：測(cè)量的全覆蓋和獲取目標(biāo)物上一定數(shù)量的采樣點(diǎn)[2]。在垂直測(cè)線方向上，主要通過測(cè)線布設(shè)間距的合理設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)橫向的全覆蓋和目標(biāo)物橫向采樣點(diǎn)的獲取。而相對(duì)困難的是沿測(cè)線方向上的連續(xù)兩ping之間的銜接和采樣點(diǎn)的獲取，這主要由波束采樣率和拖魚測(cè)量速度決定。事實(shí)上，波束采樣率一經(jīng)確定，通常不會(huì)改變，此時(shí)，拖魚速度成為影響縱向全覆蓋和縱向采樣點(diǎn)獲取的主要因素。若速度過快，導(dǎo)致?lián)Q能器接收不到回波，會(huì)產(chǎn)生漏測(cè)現(xiàn)象；速度過慢，勢(shì)必影響測(cè)量效率，增加測(cè)量成本。如何根據(jù)測(cè)量需求合理確定拖魚速度成為側(cè)掃聲吶海區(qū)技術(shù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)亟待解決的重要問題。

國際海道測(cè)量組織（International Hydrographic Organisation）和美國國家海洋與大氣管理局（Na tional Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）對(duì)拖魚速度限定時(shí)均要求側(cè)掃聲吶系統(tǒng)通過目標(biāo)時(shí)應(yīng)能接收到一定的ping數(shù)，其中，國際海道測(cè)量組織要求至少獲得目標(biāo)上5 ping[3]，美國國家海洋與大氣管理局要求至少獲得目標(biāo)上3 ping[4]。通過具體的探測(cè)要求，才能根據(jù)不同探測(cè)目標(biāo)大小計(jì)算拖魚速度。我國《海道測(cè)量規(guī)范》[5]發(fā)布較早，未對(duì)側(cè)掃聲吶的探測(cè)能力作具體要求，無法根據(jù)探測(cè)能力要求確定拖魚速度；《海洋調(diào)查規(guī)范》[6]規(guī)定聲吶分辨率不低于1 m、測(cè)量時(shí)勻速直線航行、船速不得超過6 kn等；丁克茂等[7]提出拖魚允許行進(jìn)的最大速度與聲脈沖更新率呈正相關(guān)性，概略性指出實(shí)際工作船速宜控制在4 kn左右。以上均未通過建模針對(duì)性給出不同水深、不同目標(biāo)物大小等對(duì)應(yīng)的拖魚速度，這樣給探測(cè)帶來了一定的盲目性。本文通過分析側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率，找出側(cè)掃聲吶橫向、縱向分辨率的分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)側(cè)掃聲吶拖魚速度控制模型，提出基于目標(biāo)探測(cè)的拖魚測(cè)量速度控制方法，給出不同尺寸水下目標(biāo)的拖魚推薦速度，為高效高質(zhì)地完成水下目標(biāo)探測(cè)提供有益參考。

1 側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率分析

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)是基于回聲探測(cè)原理進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)的。通過系統(tǒng)的換能器基陣以一定的傾斜角度、發(fā)射頻率，向海底發(fā)射具有指向性的寬垂直波束角和窄水平波束角的脈沖超聲波，聲波傳播至海底或海底目標(biāo)后發(fā)生反射和散射，又經(jīng)過換能器的接收基陣接收海底的反射和散射，再經(jīng)過水上儀器的處理來完成測(cè)量[1]。側(cè)掃聲吶的波束分辨率是側(cè)掃聲吶系統(tǒng)性能的主要限制因素，包括縱向（沿航跡）和橫向（垂直于航跡）兩個(gè)方向的分辨率。本文主要討論側(cè)掃聲吶系統(tǒng)傾斜入射時(shí)的波束分辨率。

發(fā)射脈沖到達(dá)海底，在海底形成一定作用區(qū)域[8]（如圖1所示）。根據(jù)波束的幾何關(guān)系，可求得側(cè)掃聲吶的系統(tǒng)分辨率[9]。

如圖1所示，橫向（垂直于航跡方向）分辨率δy是側(cè)掃聲吶有效發(fā)射脈沖寬度、水中聲速和局部掠射角的函數(shù)，縱向（沿航跡方向）分辨率δx是波束腳印的縱向?qū)挾龋切本嗪退讲ㄊ鴮挾鹊暮瘮?shù)，那么，側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率模型如下。

圖1 側(cè)掃聲吶聲照射區(qū)示意圖

式中，R為斜距；φ為側(cè)掃聲吶水平波束寬度；c為海水中的聲速；τ為側(cè)掃聲吶發(fā)射脈沖寬度；β為掠射角。

從式（1）可以看出，側(cè)掃聲吶系統(tǒng)橫向分辨率隨掠射角度的增大而降低，即隨入射角的增大而變高，換句話說，對(duì)于海底橫向相同距離差的兩個(gè)目標(biāo)，隨傳播距離的增加，距離側(cè)掃聲吶拖魚遠(yuǎn)的兩個(gè)目標(biāo)更容易被分辨出來，而距離側(cè)掃聲吶拖魚近的兩個(gè)目標(biāo)由于系統(tǒng)分辨率的問題在聲圖上可能會(huì)顯示成一組目標(biāo)；側(cè)掃聲吶系統(tǒng)縱向分辨率隨入射角的增大而降低，對(duì)于海底縱向相同距離差的兩個(gè)目標(biāo)，由于分辨率的降低，在聲圖上的顯示效果就可能不同，相較于側(cè)掃聲吶拖魚近的兩個(gè)相鄰物體更容易被分辨出來，而相對(duì)遠(yuǎn)的相鄰兩個(gè)物體的反射回波可能被視為同一回波而不能被分辨。

2 基于目標(biāo)探測(cè)的側(cè)掃聲吶拖魚速度控制方法

由于目標(biāo)的縱向分辨率直接取決于側(cè)掃聲吶拖魚的測(cè)量速度，那么對(duì)測(cè)量縱向全覆蓋和縱向探測(cè)能力的要求即轉(zhuǎn)化為對(duì)拖魚速度的要求。因此，本文根據(jù)全覆蓋測(cè)量和目標(biāo)探測(cè)能力的測(cè)量要求，建立拖魚速度控制方法的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合目標(biāo)物具體尺寸給出不同水深的拖魚速度控制指標(biāo)，為目標(biāo)探測(cè)的有效實(shí)施提供有益參考。

2.1 方法的數(shù)學(xué)模型

2.1.1 基于全覆蓋的拖魚速度控制模型

盡管側(cè)掃聲吶拖魚的兩個(gè)換能器均傾斜一個(gè)很小的角度向海底發(fā)射聲波，但能量仍能輻射到拖魚正下方，那么結(jié)合上一節(jié)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率模型，可近似地認(rèn)為拖魚正下方縱向分辨率最高，波束腳印的縱向?qū)挾仍谡麄€(gè)條帶中最短。換句話說，只要拖魚正下方波束腳印的縱向?qū)挾饶軡M足測(cè)線上的連續(xù)兩ping之間的銜接，即可實(shí)現(xiàn)縱向的全覆蓋。

如圖2，理想狀態(tài)下（忽略海流、測(cè)船操控等影響），拖魚沿計(jì)劃測(cè)線施測(cè)時(shí)，若要保證側(cè)掃聲吶測(cè)量過程中的縱向全覆蓋，側(cè)掃聲吶應(yīng)在能收到前一個(gè)條帶最邊緣波束回波的時(shí)間間隔內(nèi)航行的距離不大于波束的縱向?qū)挾龋?/p>

圖2 拖魚正下方波束腳印的縱向?qū)挾仁疽鈭D

式中，vmax為滿足縱向全覆蓋的拖魚最大速度；lx為波束的縱向?qū)挾龋籺為拖魚航行時(shí)間。

其中，波束的縱向?qū)挾纫娛?。

式中，H為拖魚高度；θx為水平波束寬度。

側(cè)掃聲吶能保證收到前一個(gè)條帶最邊緣波束的回波的時(shí)間如下。

式中，c為聲速；θ為側(cè)掃聲吶單側(cè)聲軸指向角。

那么，滿足全覆蓋測(cè)量的拖魚速度控制模型見式（5）。

從上述模型可以看出，滿足縱向全覆蓋的拖魚速度與水深無關(guān)，只與側(cè)掃聲吶垂直波束寬度、水平波束寬度及聲速有關(guān)。

2.1.2 基于目標(biāo)探測(cè)的拖魚速度控制模型

如圖3，根據(jù)國際海道測(cè)量規(guī)范[3]，側(cè)掃聲吶沿測(cè)線測(cè)量時(shí)，為了確保探測(cè)到目標(biāo)，側(cè)掃聲吶應(yīng)在航行過程中能夠獲得目標(biāo)物上一定數(shù)目的采樣點(diǎn)。也就是說，目標(biāo)物沿航行方向的尺寸與預(yù)定目標(biāo)需得到的采樣點(diǎn)數(shù)、拖魚速度和波束采樣率有關(guān)，即

圖3 側(cè)掃聲吶縱向覆蓋范圍示意圖

式中，N為目標(biāo)物最少脈沖點(diǎn)數(shù)；τ為發(fā)射脈沖ping率；v為拖魚速度。

進(jìn)一步地，若要清楚識(shí)別目標(biāo)的大致輪廓，目標(biāo)至少需再加一個(gè)探測(cè)脈沖，那么，被探測(cè)目標(biāo)的尺寸與探測(cè)脈沖的關(guān)系如下。

式中，lx的含義同式（3）。

考慮縱向分辨率隨入射角的增加而降低，使

式（8）即為滿足目標(biāo)探測(cè)的拖魚速度控制模型。從模型中可以明顯看出拖魚速度與水下目標(biāo)縱向尺寸、水平波束寬度、波束采樣率有關(guān)。顯然，拖魚速度應(yīng)隨目標(biāo)探測(cè)能力要求的提高而降低。

那么，基于目標(biāo)探測(cè)的側(cè)掃聲吶拖魚速度控制方法的數(shù)學(xué)模型如下。

由此，基于目標(biāo)探測(cè)的側(cè)掃聲吶拖魚速度控制方法是在綜合考慮全覆蓋測(cè)量和目標(biāo)探測(cè)能力兩個(gè)方面需求的基礎(chǔ)上，取兩個(gè)模型算得的最小值作為拖魚測(cè)量速度。

2.2 算例分析

本文以4200-MP型側(cè)掃聲吶為例，利用建立的拖魚速度控制模型，給出側(cè)掃聲吶不同水深識(shí)別不同尺寸目標(biāo)的拖魚推薦速度。設(shè)側(cè)掃聲吶在平穩(wěn)狀態(tài)下施測(cè)，忽略各種測(cè)量效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響。

根據(jù)NOAA“目標(biāo)至少有3次回波”的測(cè)量要求，算例中設(shè)判定疑似淺點(diǎn)至少需要連續(xù)3個(gè)采樣點(diǎn)，那么，式（9）中的N=3，具體計(jì)算步驟如下。

（1）計(jì)算滿足全覆蓋測(cè)量的拖魚速度。聲速為1 500 m/s，發(fā)射頻率為400 kHz，垂直波束寬度為50°，高清模式下的水平波束寬度為0.3°，高速模式下的水平波束寬度為0.4°，算得在高清模式下滿足全覆蓋的船速為4.5 kn，在高速模式下滿足全覆蓋的船速為6.5 kn。

（2）計(jì)算滿足目標(biāo)探測(cè)要求的拖魚速度。根據(jù)側(cè)掃聲吶使用經(jīng)驗(yàn)，10 m以下水深，波束采樣率一般為20 Hz左右，水深為40 m時(shí)，波束采樣率一般為10 Hz。因此，算例水深為10 m以下時(shí)，取τ=20，水深為40 m時(shí)，取τ=10。如圖4和圖5，圖中橫坐標(biāo)為拖魚速度，縱坐標(biāo)為水下目標(biāo)物縱向尺寸，注釋為水深。

通過圖4、圖5和表1可以看出：

圖4 探測(cè)1 m目標(biāo)物時(shí)不同水深對(duì)應(yīng)的拖魚速度

圖5 探測(cè)2 m目標(biāo)物時(shí)不同水深對(duì)應(yīng)的拖魚速度

表1 拖魚速度控制指標(biāo)一覽表

（1）考慮目標(biāo)探測(cè)的需求，目標(biāo)小于1 m時(shí)，在保證拖魚安全的前提下，盡可能降低拖魚的高度，避免船速過低（距海底40 m時(shí)，船速2 kn左右）；海底目標(biāo)物不小于1 m時(shí)，隨著水深的增加，船速要適當(dāng)降低。對(duì)于10 m以下的水深，測(cè)船船速控制在12 kn以內(nèi)，即可探測(cè)到1 m的海底目標(biāo)物，測(cè)船船速控制在25 kn以內(nèi)，即可探測(cè)到2 m的海底目標(biāo)物。當(dāng)水深為40 m時(shí)，由于波束采樣率的降低，探測(cè)1 m的海底目標(biāo)物，船速需降低至5 kn左右，探測(cè)2 m的海底目標(biāo)物，船速需降低至11 kn。

（2）考慮縱向全覆蓋的要求，即便是側(cè)掃聲吶高速模式下，船速也只能控制在6.5 kn以下。

（3）在進(jìn)行海底目標(biāo)物探測(cè)時(shí)，首先要滿足測(cè)量全覆蓋的要求，以避免漏測(cè)情況的發(fā)生。在此基礎(chǔ)上，充分考慮目標(biāo)探測(cè)要求，綜合確定拖魚速度。通過以上算例看出，滿足縱向全覆蓋的船速通常比基于探測(cè)要求的船速還要低，施測(cè)前要充分考慮實(shí)際情況確定船速，具體指標(biāo)見表1。

對(duì)于沒有全覆蓋和探測(cè)能力的要求，可根據(jù)實(shí)際測(cè)量要求，并兼顧工作效率，來確定最優(yōu)船速。

3 結(jié) 論

鑒于拖魚測(cè)量速度對(duì)水下目標(biāo)物探測(cè)的重要性，本文通過對(duì)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率模型的分析，給出了側(cè)掃聲吶系統(tǒng)橫縱向分辨率分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了滿足全覆蓋測(cè)量要求的拖魚速度控制模型和滿足水下目標(biāo)物探測(cè)需求的拖魚速度控制模型，提出了基于目標(biāo)探測(cè)的拖魚速度控制方法，并對(duì)具體算例進(jìn)行分析，給出特定型號(hào)側(cè)掃聲吶的推薦船速。結(jié)果表明，基于目標(biāo)探測(cè)能力的拖魚速度與波束采樣率、目標(biāo)縱向尺寸、水深、縱向波束寬度及采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)有關(guān)，而側(cè)掃聲吶波束采樣率隨水深增加而降低，側(cè)掃聲吶應(yīng)在保證航行安全的前提下盡量貼近海底，以提高拖魚速度，但考慮到不同量程下的最大探測(cè)效率，拖魚的最佳距離海底高度為0.08～0.2量程為宜；滿足縱向全覆蓋測(cè)量的拖魚速度與水深無關(guān)，而與換能器的扇區(qū)開角、縱向波束寬度和聲速有關(guān)，數(shù)值計(jì)算特定側(cè)掃聲吶滿足縱向全覆蓋的最大拖魚速度為6.5 kn；綜合考慮全覆蓋和目標(biāo)探測(cè)能力兩方面探測(cè)要求，只要側(cè)掃聲吶拖魚盡量貼近海底，滿足全覆蓋的探測(cè)要求占主導(dǎo)作用，即拖魚速度控制在4～6 kn范圍內(nèi)。