基于高分辨圖像聲吶的艦船聲尾流實測研究

陳云飛，賈 兵，李桂娟，高 雷

(水下測控技術重點實驗室，遼寧 大連 116013)

基于高分辨圖像聲吶的艦船聲尾流實測研究

陳云飛，賈 兵，李桂娟，高 雷

(水下測控技術重點實驗室，遼寧 大連 116013)

利用基于高分辨圖像聲吶對水面船的尾流散射特性進行海試測量，測得水面船的船體亮點和尾流空間分布圖像。對尾流數(shù)據(jù)進行分析，獲得水面船聲尾流散射強度隨時間變化特性和對應艦船的聲尾流時間長度數(shù)據(jù)。

艦船尾流;聲圖像;海上實驗

0 引言

艦船尾流是指艦船在海洋中通過后，在其尾部的一定區(qū)域中存在的具有特殊物理特性的海水層。聲尾流自導魚雷正是利用艦船尾流對聲波的特殊反射特性對目標進行探測、識別和跟蹤的。艦船尾流的形狀、壽命和散射強度分布等特性與艦船的航速、吃水深度、吃水寬度等目標屬性之間的關系是聲尾流自導研究的重點，而對尾流中的空穴和斷層提供散射特性研究將為魚雷作戰(zhàn)使用中對抗空穴和斷層提供合理有效的辦法［1－2］。

相對來說，單一方向的艦船尾流散射特性比較容易獲取，由于缺少合適的測試手段和技術，尾流的空間散射特性一直是尾流聲散射特性研究的難點。本項目基于高分辨圖像聲吶對其進行系統(tǒng)校準，構成艦船尾流回聲特性測試系統(tǒng)，在海上獲取艦船底部側向反射特性及尾流的散射特性數(shù)據(jù)，研究艦船尾流回波的時間和空間特性。

1 水面船尾流海試測量

1.1 測試系統(tǒng)

艦船尾流散射特性海試測量采用基于圖像聲吶的高分辨多波束系統(tǒng)進行，系統(tǒng)的接收部分通過內部的多個通道進行三維波束形成(如圖1所示)，在水平方向40°與垂直方向40°的范圍內各形成104個波束，這樣40°×40°的空間范圍就被波束間距為0.4°的一萬多個波束所照射，每個波束輸出對應空間的目標強度值，可對水中目標進行精確的三維聲學成像。

1.2 測量方法

艦船尾流的回聲特性測量在大連海區(qū)的開闊海域進行，測試環(huán)境為三級海況，圖2為艦船尾流回聲特性測量原理圖。測量船拋雙錨固定在測試海域的合適位置，艦船聲尾流測試系統(tǒng)通過穩(wěn)定平臺布放在測量船的左舷，穩(wěn)定平臺的作用是在測量船搖擺的情況下保證尾流散射測試系統(tǒng)的發(fā)射和接收端面始終對準被測目標船的尾流區(qū)域。測試系統(tǒng)的入水深度為2.5 m，對艦船尾流散射特性進行水平方向的測量。目標船為某型海試測量船，船長50 m，吃水深度2.6 m，被測船按照設計的航行軌跡直線航行，航線與測量船變化范圍在20～50 m之間。

目標船的方位距離由安裝在目標船上的差分GPS實時測量記錄，試驗中，測試系統(tǒng)發(fā)射正弦脈沖信號，中心頻率為400 kHz。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

本次海試共進行了3個航速的尾流散射特性測試，分別為8，12和16 kn。海上尾流測試結束后，結合測距數(shù)據(jù)、時間信息對尾流數(shù)據(jù)的時域、空域進行處理分析，獲得艦船聲尾流的時空變化規(guī)律。具體的測試結果如下。

2.1 測量尾流的幾何特征

隨著時間的變化，艦船尾流區(qū)的氣泡在水平和垂直方向會不斷擴展，圖3為水平和垂直2個方向的單幀圖像數(shù)據(jù)。其中圖3(a)為尾流隨時間變化的水平擴展散射界面，圖3(b)為尾流隨時間變化的垂直散射界面。可以看出艦船尾流由艦船航行引起，尾流在水平方向上向船體兩側迅速擴展，在深度方向上，由螺旋槳攪起的氣泡群迅速上升至海面附近，并且隨著大氣泡的破裂及氣泡與海水的混合，尾流區(qū)的散射強度逐漸減弱。

對測試艦船聲尾流的測試數(shù)據(jù)進行分析處理，圖4為經過圖像消噪后艦船興波和船底的回聲圖像，使用高分辨成像聲吶系統(tǒng)能很清晰的測量到被測船船首和船底的回聲圖像，在目標船通過測試系統(tǒng)時，明顯可見測量船航行引起的艦船興波。

2.3 艦船尾流的時間變化特征

尾流的聲散射特性變化主要是由尾流區(qū)中的氣泡物理特性變化引起的，尾流強度隨時間的變化是尾流的重要特性。在數(shù)據(jù)處理中選擇測試系統(tǒng)的中心波束對尾流散射強度隨時間的變化特性進行分析，并對不同測試距離的回波進行距離補償。

尾流的長度實質上是尾流的壽命，它與艦船的航速變化、海況有關，也與尾流的性質及尾流探測裝置的探測能力有關。本次尾流回聲特性測量共測量了3種不同航速下的尾流散射特性。圖5～圖7分別為航速8，12和16 kn情況下的尾流散射強度隨時間的衰減曲線。圖8為3種不同航速條件下的散射曲線對比圖。

圖8 不同航速尾流散射強度對比Fig.8 Comparison of ship wake acoustic scattering strength withdifferent speed

在測量船通過之前海水的散射強度為10～15 dB(相對值)。當測量船通過時，系統(tǒng)輸出的散射強度增大，散射強度最大的時間段為測量船的船底散射，測量船尾流隨時間逐漸衰減。從分析結果可見，在測量船通過400 s之后，尾流散射強度逐漸接近于海水背景水體的散射強度。這表明，在18 kn航速下目標船的尾流持續(xù)時間大于400 s。

3 結語

本文通過高分辨成像聲吶海試測量研究了水面船尾流的回聲特性，對尾流的空間和時間變化特性進行分析研究，測試結果表明:

1)在本次實驗測試條件下，艦船聲尾流的存續(xù)時間大于400 s;

2)艦船尾流隨時間會在水平和垂直方向上迅速擴展;

3)在強尾流區(qū)，目標船的散射強度小于尾流的散射強度;

4)尾流散射強度隨航速的增加而增大，這主要是由于不同航速下螺旋槳的轉速不同，從而產生的氣泡數(shù)量不同引起的。

［1］高江，張靜遠，楊力.艦船氣泡尾流特性研究現(xiàn)狀［J］.艦船科學技術，2008，30(4):27 －32.

GAO Jiang，ZHANG Jing-yuan，YANG Li.The present situation of research on shipwake characteristic［J］.Ship Science and Technology，2008，30(4):27 －32.

［2］錢東，韓嘯.法國尾流自導仿真和對抗研究評述［J］.魚雷技術，2007，5(1):8 －11.

QIAN Dong，HAN Xiao.Review of wake homing simulations and countermeasures in France［J］.Torpedo Technology，2007，5(1):8 －11.

Experimental study on the acoustic scattering of the ships'wakes using imaging sonar

CHEN Yun-fei，JIA Bing，LI Gui-juan，GAO Lei
(Key Laboratory for Underwater Test and Control Technology，Dalian 116013，China)

An experiment of acoustic scattering of the ships'wakes using imaging sonar is introduced.The echo highlight of ship hull and acoustic image of ship wake three dimensional destitutions are measured.The ship wake acoustic scattering strength varying with time and the life length of ship wake are also obtained after the processing of the data.

ship wake;acoustic image;sea trial

TB56

A

1672－7649(2011)12－0082－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.019

2011－03－14;

2011－05－13

陳云飛(1978－)，男，博士研究生，高級工程師，主要研究方向為水聲信號處理。