基于目標探測的側掃聲吶測線布設優化方法研究?

成 芳張 夢

（1.中國人民解放軍91550部隊 大連 116023）（2.海軍大連艦艇學院 大連 116018）

1 引言

海底目標探測時，通常采用快速掃描與細節查驗技術相結合的方式，來提升關注目標的探測效率和識別準確度。即先由測量船搭載的側掃聲吶按照預定航路對任務海區進行海底掃描探測，在較大范圍掃描發現目標后，測量船抵近到海底目標所在位置附近，由三維實時成像聲吶或潛水員對海底目標進行狀態勘察或探摸，獲取多角度實況觀測圖像（具體探測流程見圖1）。在這個過程中，如何利用側掃聲吶快速發現疑似目標是海底目標探測的關鍵問題。而測線布設和測船船速控制作為側掃聲吶掃描過程中的核心內容之一，是實現海區全覆蓋測量的主要因素，在兼顧整個海區的掃測效果和掃測效率等方面起著極其重要甚至決定性作用。限于篇幅，本文僅探討側掃聲吶測線布設的優化方法，測船船速控制問題將另文撰寫。

圖1 海底目標探測流程圖

對于測線布設，側掃聲吶通常情況下需要完成測量的全覆蓋，特別地，在進行精細海底地形測量或探測小目標時甚至需要進行200%覆蓋測量。另外，由于海流、定位系統誤差等影響，在進行測線布設時，為保證至少100%覆蓋，相鄰兩條測線需有一定的重疊寬度［1］。美國提出100%覆蓋時，測線間距應不超過1.6倍所選量程，200%覆蓋時，不超過0.8倍所選量程。經計算，IHO、美國、英國計算出的測線間距大體一致［2］。相比英美國家的標準，我國的相關測量規范僅給出指導性建議［3～4］，并未根據不同覆蓋度進行劃分，實際測量時也只是根據測量經驗給出相應的設計意見，并沒有一套完備的設計方案，一定程度上給探測帶來盲目性。隨著海底目標探測各環節數字化的日趨成熟，很多學者已開始關注如何實現測線布設的優化問題［5～11］，但大多針對單波束和多波束測量提出，且多是圍繞測線布設方式概略性地提出經驗式建議，對于側掃聲吶的測線布設問題關注較少。為此，本文基于側掃聲吶系統分辨率分布規律，提出側掃聲吶測線布設優化方法，為海底目標探測的具體實施提供有益參考。

2 側掃聲吶系統分辨率研究

基于側掃聲吶的海底目標探測，必須滿足全覆蓋的探測要求。全覆蓋探測包括橫向的全覆蓋探測和縱向的全覆蓋探測?？v向的全覆蓋探測，即沿測線上的連續兩ping之間的銜接，主要由波束采樣率和測船速度決定。而事實上，波束采樣率一經確定，通常不會改變，此時，船速成為影響縱向全覆蓋探測的主要因素。但相對困難的是橫向的全覆蓋探測，其包含兩層意義：單ping內實現橫向的無遺漏；測船航行的正橫方向上相鄰兩ping的銜接（見圖2、圖3）。由于側掃聲吶單ping內各個波束是無間隔排列，那么在船的正橫方向，單ping內是無空隙全覆蓋。因此，橫向的全覆蓋轉化為兩條測線之間的全覆蓋。通常認為，圖2即為橫向的全覆蓋測量，但事實上，這種工況下有時也會產生漏測現象。這是因為側掃聲吶的系統分辨率在單ping中并不是均勻分布的，波束邊緣的系統分辨率較低，無法分辨較小尺寸的海底目標。若要避免漏測現象的發生，相鄰兩ping必須有適當的重疊（如圖2）。但重疊過大，測線間距選擇過窄，雖保證了預定的限差要求，卻嚴重影響測量效率，增加工作量，造成不必要的資源浪費；重疊過小或無重疊，測線間距選擇過寬，可能無法探測到目標，產生漏測。那么，如何確定相鄰兩ping的重疊率（即測線間距）是提高測量質量和測量效率的關鍵。而在對其進行技術設計時，必須充分考慮側掃聲吶條帶邊緣的分辨率水平，因此，本文在構建側掃聲吶系統分辨率模型的基礎上，深入分析其分布規律，為測線布設優化方法的提出提供基礎。

圖2 100%全覆蓋測量示意圖

圖3 200%全覆蓋測量示意圖

側掃聲吶系統發射Chirp信號，其壓縮脈沖寬度決定了系統距離分辨率，即壓縮脈沖寬度越小，系統距離分辨率越高，對回波中噪聲信息越敏感。換能器發射脈沖到達海底，在海底形成一定作用區域，稱此時聲波照射海底的區域為波束腳?。?2］（如圖4）。波束腳印到聲納換能器間的斜距決定了波束腳印的形成及大小，聲線入射角越小，其波束腳印越大。而波束腳印決定了聲納系統分辨率。根據波束的幾何關系，可求得側掃聲吶的系統分辨率［13］。

圖4 側掃聲吶聲照射區示意圖

如圖4，橫向（Across-track）分辨率δy是側掃聲吶系統的發射脈沖寬度、水中聲速和掠射角的函數：

其中，c為海水中的聲速，τ為側掃聲吶發射脈沖寬度，β為掠射角。

當β→90°時，上式無效，可用式（2）代替：

式中，h為拖魚距離海底高度。

縱向（Along-track）分辨率是波束腳印的縱向寬度，是斜距和水平波束寬度的函數：

其中，R為斜距，θh為側掃聲吶水平波束寬度。

那么，側掃聲吶系統分辨率模型為

從側掃聲吶系統分辨率模型可以看出，側掃聲吶橫向和縱向分辨率均非固定值，隨傳播距離增大而變化。斜距較小時，縱向分辨率較好，斜距較大時，橫向分辨率較好。

數值計算表明：換能器正下方縱向分辨率最高（即波束腳印的縱向寬度在整個條帶中最短），而橫向分辨率最低。另外，綜合考慮橫向分辨率和縱向分辨率，一般情況下在15°～60°范圍內，系統分辨率相對較高，換句話說，聲吶圖像（瀑布圖）中間區域分辨率較高，邊緣分辨率明顯降低。若海底小目標剛好處于側掃聲吶換能器的條帶邊緣，可能無法識別，產生漏測。這也進一步印證了僅通過垂直波束開角和水深得到的測線間距進行測量，即便是100%全覆蓋（如圖2），也可能會產生漏測的情況。

3 測線布設方法

通過上一節對側掃聲吶系統分辨率的分析，本節進一步研究如何科學確定測線的布設方法。具體研究步驟為：提出測線布設的基本原則，進而確定測線布設具體方法，并通過流程圖形式總結側掃聲吶測線布設的具體步驟。

3.1 測線布設基本原則

海底目標探測的成功與否主要取決于側掃聲吶的系統分辨率和全覆蓋探測的程度。通過上一節對側掃聲吶系統分辨率的分析可知，換能器整個條帶的系統分辨率分布并不均勻，條帶邊緣的系統分辨率明顯降低，而通過測線布設間距的控制恰恰可以有選擇性地選取滿足探測分辨率要求的條帶寬度。此時，對探測分辨率的要求可轉化為對測線布設的要求，探測分辨率的要求不同，測線布設的方式也將不同。因此，側掃聲吶測線布設的基本原則是：根據側掃聲吶的系統分辨率和試驗海區的先驗地形信息、水團分布狀況，通過調整測線布設方式，來控制所選取的換能器條帶寬度，以此保證測量成果滿足預定測量要求。

從上述基本原則可以看出，測線布設首先應滿足條帶與條帶間的全覆蓋。進一步地，根據側掃聲吶的系統分辨率進一步縮小測線布設間距，來保證預定探測分辨率的要求。實際測量時，還需充分考慮測量的便利性和高效性等因素的影響，統籌確定最終的測量方案。

3.2 測線布設方法

對于測線布設方向，考慮的主要內容是如何在聲吶圖像中最大限度地反映海底目標。其基本原則：1）測線方向應盡可能與測量海區潮流流向平行。在測量海區潮流影響不大的區域，選擇海區的等深線方向為測線方向，進一步地，對于已知先驗目標信息的海底目標探測，也可根據實際情況，選擇平行于目標走向的方向作為測線方向；2）大面積海底掃描時，測線方向應相互平行；3）系統在海底目標處的分辨率應小于目標尺寸。另外地，當采用粗掃+精掃的探測方式時，粗掃可先初步確定探測目標位置、形狀、高度和走向等信息，對于有先驗地形圖的海區，結合測區坡度走向，選擇與坡度走向垂直的方向作為粗掃測線方向。再根據粗掃發現海底目標的位置、形狀、高度和走向等信息，選擇平行于目標走向的方向作為精掃測線方向。一般來講，應對目標進行三個方向上掃測。此時，可根據粗掃成果，保持三條測線方向與目標走向相近，測線方向與目標走向夾角絕對值應小于30°，根據不同方向聲納圖像，交會出目標或然位置。

對于測線布設間距的選擇方法，可按下列的流程圖來確定測線間距（如圖5）。即根據歷史海底地形信息，初步提出適當的施測方案，再根據測量所得的實際海底地形數據，對測線布設間距和方向進行進一步優化，最終得到預定的測量效果。本文提出的測線布設方法體現的是一種逐步優化的設計思想，而為了解決這種逐步優化方法所帶來的設計復雜性和難度，在研究過程中編制了側掃聲吶測線布設方法軟件，該軟件系統直接提高了目標探測前期技術設計的信息化、自動化程度，可為海底目標探測前的測線布設優化設計提供技術支持。

圖5 側掃聲吶測線布設優化方法流程圖

4 結語

鑒于側掃聲吶在海底目標探測的重要作用，本文在深入分析側掃聲吶系統分辨率變化規律的基礎上，對影響海底目標探測效率和探測質量的重要環節進行了研究，提出側掃聲吶測線布設優化方法。研究表明：測線布設方法采用了系統的、優化的理念，可有效平衡間距與探測分辨率的關系，方法合理可行，可為高質高效完成海底目標探測任務提供有力的技術支持。