多波束漁用聲吶作用距離預(yù)報(bào)建模及性能分析

李國棟，諶志新，湯濤林，陳 軍，許明昌，吳陳波

(1中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室，深藍(lán)漁業(yè)工程裝備技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266000)

漁業(yè)聲學(xué)探測設(shè)備作為典型的海洋漁業(yè)捕撈儀器是獲取海洋魚類資源數(shù)量和空間分布信息的重要助漁工具[1-3]。為了獲得更高的空間探測距離和分辨率能力，海洋漁業(yè)探測正向?qū)拵4-7]、多波束[8-9]等技術(shù)方向迅猛發(fā)展。多波束漁用聲吶作為復(fù)雜度高、技術(shù)含量高的助漁儀器在海洋漁業(yè)捕撈高效、精準(zhǔn)和選擇性捕撈方面具有重要作用[10]。這種儀器中國目前全部依靠進(jìn)口，可商用的多波束漁用探測儀器幾乎沒有，極大地制約了我國海洋漁業(yè)捕撈和科研工作的快速發(fā)展[11-12]。隨著近幾年微電子技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，為多波束漁用聲吶的研制帶來了新的技術(shù)發(fā)展方向，大規(guī)模信號處理器不斷出現(xiàn)，為更復(fù)雜、更高性能的探測信號處理技術(shù)在魚類探測中使用提供了硬件條件，從而為實(shí)現(xiàn)更高性能的漁用聲吶研制帶來了契機(jī)[10-12]。

作用距離是反映多波束漁用聲吶探測性能的最重要指標(biāo)之一。垂直波束探魚儀的作用距離主要受海洋噪聲的影響[13-15]，分析和預(yù)測過程相對簡單。而水平漁用聲吶的作用距離受多種因素影響，其中海洋環(huán)境因素最為主要，包括海洋環(huán)境噪聲、海水體積混響、界面混響及魚群目標(biāo)強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，這些參數(shù)的變化都會對水平漁用聲吶作用距離造成不同程度的影響。非漁用水平主動聲吶的性能分析和預(yù)測已有報(bào)道[14-18]，但水平多波束漁用聲吶在使用頻段及帶寬、換能器尺寸、使用環(huán)境、使用方式等方面均有其獨(dú)特之處，需要根據(jù)水平多波束探魚儀的使用環(huán)境和特點(diǎn)以及探測目標(biāo)特性，對其探測性能進(jìn)行獨(dú)立的分析，以便在漁用聲吶的研制過程中提出有針對性的提升方法。

本研究從主動聲吶方程出發(fā)建立多波束漁用聲吶作用距離的預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)對窄帶和寬帶不同系統(tǒng)下，體積混響、界面混響、海洋環(huán)境噪聲級和目標(biāo)回波級的仿真分析，并研究海洋環(huán)境參數(shù)對漁用聲吶作用距離的影響。

1 多波束漁用聲吶的基本原理及工作過程

漁用聲吶實(shí)質(zhì)上是一種主動聲吶系統(tǒng)，利用水聲回波信號探測魚群信息，并通過對回波信息特征進(jìn)行分析來獲取魚群密度、大小及種類等信息。多波束漁用聲吶是利用相控陣技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、高分辨率魚群探測的漁業(yè)儀器，通過對發(fā)射信號的定向發(fā)射實(shí)現(xiàn)能量集中，提升作用距離；通過對魚群回波進(jìn)行多波束接收來探測和定位魚群位置，提高魚群探測的分辨率[8,9，20]。

多波束漁用聲吶通常采用平面換能器陣和圓柱形換能器陣[20]。前者只能實(shí)現(xiàn)對漁船航向一定開角(一般小于90°)海域進(jìn)行掃描；后者可以實(shí)現(xiàn)對以漁船為中心的水平360°掃描及垂直60°掃描。多波束漁用聲吶的工作過程首先根據(jù)作業(yè)環(huán)境設(shè)定一定傾角，再進(jìn)行周期重復(fù)的水平掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)魚群時(shí)，在發(fā)現(xiàn)魚群水平方向進(jìn)行垂直掃描，從而達(dá)到對魚群的多角度立體探測(圖1)。

圖1 多波束漁用聲吶工作過程Fig.1 Working process of multi-beam fishery sonar

多波束漁用聲吶的發(fā)射方式是旋轉(zhuǎn)定向發(fā)射，即在一定的時(shí)間內(nèi)，輪流發(fā)出很多個(gè)不同方位的窄波束去覆蓋一個(gè)扇形區(qū)域(圖2)。

圖2 多波束漁用聲吶發(fā)射、接收過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of transmitting and receiving process of multi-beam fishery sonar

因此，多波束發(fā)射覆蓋一個(gè)扇區(qū)需要一定的時(shí)間，波束愈多，發(fā)射信號的時(shí)間越長，盲區(qū)越大。多波束漁用聲吶的接收方式是多陣元在時(shí)間同步下進(jìn)行接收，再通過相控方式進(jìn)行空間信號處理形成多個(gè)接收波束，達(dá)到對不同方向探測的目的。

2 多波束漁用聲吶作用距離預(yù)報(bào)模型及主要制約因素

水平多波束漁用聲吶作為利用水聲回波進(jìn)行魚群探測的一種主動聲吶，其探測性能依據(jù)噪聲或混響限制條件的不同，可表述為以下聲吶方程[21]：

工作在主要為噪聲干擾區(qū)的情況：

SE=SL-2TL+TS-NL-DT

(1)

工作在主要為混響干擾區(qū)的情況：

SE=SL-2TL+TS-RL-DT

(2)

式中：SE—信號余量；SL—聲源級；TL—傳播損失；TS—目標(biāo)強(qiáng)度；NL—環(huán)境噪聲；RL—混響級；DT—檢測域。

2.1 聲波在海水中的傳播損失

聲波信號在海洋聲信道中傳播由于波陣面的擴(kuò)展，隨著傳播距離的增加會帶來擴(kuò)展損失。多波束漁用聲吶通常使用在較深海域，因此以球面擴(kuò)展的法則來計(jì)算這一損失[22]：

TL擴(kuò)=201gr

(3)

式中：r—信號傳播距離，m；TL擴(kuò)—球面擴(kuò)展。

海水質(zhì)點(diǎn)通過振動而依次傳遞能量的過程中，由于振動時(shí)阻尼的作用，部分能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗在海水中帶來吸收損失，可以表示為[22]：

TL吸=a(f)×r

(4)

式中：α—海水吸收系數(shù)，dB/km。α與信號頻率f有關(guān)[22]。

(5)

式中：f—信號頻率，kHz。

聲波在海水中的傳播損失主要來源于上述兩方面，傳播損失之和為[22]：

TL=20lg(r)+a(f)×r

(6)

2.2 環(huán)境噪聲

漁用聲吶工作過程中噪聲是主要的干擾因素之一，其來源主要包括熱噪聲、環(huán)境噪聲和自噪聲等。由于風(fēng)浪、湍流及海水分子的熱運(yùn)動等產(chǎn)生海洋環(huán)境噪聲是干擾漁用聲吶作用距離的主要因素。深海噪聲譜級SpL的強(qiáng)弱與海況和頻率直接相關(guān)，6級海況時(shí)的噪聲譜級比1級海況下高出20 dB，在漁用聲吶常用頻段(20～200 kHz)6級海況時(shí)的深海噪聲譜級的經(jīng)驗(yàn)公式為[23]:

SpL=52-20×lg(f/103)

(7)

有指向性系統(tǒng)下寬帶噪聲級為[24]：

NL=SpL+10×lgB-DI

(8)

式中：B—系統(tǒng)帶寬，Hz；DI—指向性指數(shù)。

2.3 換能器基陣指向性

水平多波束漁用聲吶一般采用平面陣或圓柱陣，其中圓柱陣可以實(shí)現(xiàn)水平360°電子掃描，探測效率高，使用靈活，成為大多數(shù)多波束漁用聲吶所采用的陣列形式。圓柱陣的指向性指數(shù)約等于[24]：

DI=10lg(5×h×D×f2)

(9)

式中：h、D—分別是圓柱陣的高度(m)和直徑(m)。

如果單扇區(qū)水平方向采用1/3周長上的陣元發(fā)射和接收，水平和垂直波束半功率波束寬度分別為[24]：

θh=88×2π/360×D×f

(10)

θv=76×2π/360×h×f

(11)

2.4 混響級

聲波在水下傳播時(shí)，由于海面和海底的反射會產(chǎn)生界面混響，界面混響級(RLs)為[24]：

RLs=SL-2TLR+Sb+10lgA

(12)

同時(shí)，海洋生物、分布在海洋中的無生命物質(zhì)和海洋自身的不均勻性也會產(chǎn)生體積混響，體積混響級(RLv)為[24]：

RLv=SL-2TLR+Sv+10lgv

(13)

2.5 發(fā)射聲源級

在恒定發(fā)聲功率P下的漁用聲吶聲源級為[24]：

SL=10lgP+170.8+DI

(14)

式中：P—聲功率，W。

2.6 單體魚和魚群目標(biāo)強(qiáng)度

單體魚的目標(biāo)強(qiáng)度(TS單)定義為[25-27]：

TS單=20lg(σbs/4π)

(15)

式中：σbs—魚體的聲學(xué)截面(也可理解為魚體對入射聲波產(chǎn)生散射)，m2。由于入射聲波產(chǎn)生散射的等效面積無法直接測量，所以通過建立目標(biāo)強(qiáng)度-體長經(jīng)驗(yàn)公式表示[25-27]：

TS單=algL+b

(16)

式中：L—目標(biāo)魚體體長，cm；a、b為回歸系數(shù)，根據(jù)目標(biāo)強(qiáng)度測定試驗(yàn)確定。

然而，多波束漁用聲吶探測的主要目標(biāo)是魚群，當(dāng)平面波射向魚群時(shí)，并且魚群處在聲波投射的指向范圍內(nèi)，其回波可視為各條單體魚反射子波的按相位疊加總和。如果簡單考慮同相位疊加的情況，二條魚的回波聲強(qiáng)要比單體魚強(qiáng)一倍，即反射損失少3 dB，4條魚的回波聲強(qiáng)增大到單體魚的4倍。由此可以推論，n條相距較大的魚構(gòu)成的平面散射魚群處在投射聲場范圍內(nèi)，其總的目標(biāo)強(qiáng)度為[14,20,25]：

TS=TS單+10lgn

(17)

如果是一定容積的密集魚群，情況就變得復(fù)雜很多。隨著魚數(shù)量的增加，必然引起魚群反射性質(zhì)上的改變，這時(shí)魚群反射強(qiáng)度大致與每立方米中的魚數(shù)成正比[20,25]。

2.7 檢測門限

漁用聲吶檢測門限是在接收機(jī)給定檢測概率和虛警概率下平均信號功率和平均噪聲功率之比，可以表征在波束成形后能分辨最小目標(biāo)魚群的信噪比，其值計(jì)算可以表示為[24]：

DT=5lgd-10lg(BT)

(18)

式中：d—檢測指數(shù)；T—脈寬,s；B—帶寬，Hz。

3 多波束漁用聲吶探測性能仿真分析

多波束漁用聲吶的探測性能受到使用頻點(diǎn)、帶寬、換能器基陣尺寸及陣元數(shù)量等因素的制約，其換能器尺寸和發(fā)射功率受限于海洋捕撈船的部署條件，不同參數(shù)選取下的探測性能存在一定的差異。結(jié)合中國遠(yuǎn)洋漁船的特點(diǎn)及典型多波束漁用聲吶，采用的仿真參數(shù)如下：工作頻點(diǎn)25 kHz；目標(biāo)強(qiáng)度TS分別為-10 dB、0 dB、10 dB;脈沖寬度0.004 s；窄帶和寬帶時(shí)信號帶寬分別為0.25 kHz和10 kHz；換能器高356 mm，直徑374 mm，有效陣元數(shù)256個(gè)，陣元排列方式為32列×8行；功率2 000 W；5 lgd為10 dB。

3.1 工作在主要噪聲干擾區(qū)的情況

將式(1)展開

SE=SL-2TL+TS-(SpL+10lgB-DI)-(5lgd-10lg(BT))

(19)

令SE=0可得：

2TL=SL+TS-SpL+DI-5lgd+10lgT

(20)

可見作用距離與采用寬帶信號還是窄帶信號無關(guān)。通過目標(biāo)回波信號級S=SL-2TL+TS與噪聲掩蔽級NL+DT的關(guān)系，對不同海況下和同目標(biāo)強(qiáng)度魚群的工作距離仿真分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 主要噪聲干擾區(qū)多波束漁用聲吶探測性能Fig.3 Detection performance of multi-beam fishery sonar in noise interference area

對目標(biāo)強(qiáng)度為-10 dB、0 dB和10 dB魚群的有效作用距離：在1級海況條件下為3 200 m、3 800 m、4 500 m ；在3級海況條件下為2 700 m、3 250 m、4 500 m；在6級海況條件下，為2 350 m、2 900 m、3 600 m。綜上，不同海況下的噪聲對多波束漁用聲吶作用距離的影響較大，6級海況相較于1級海況，探測性能下降約25%。

在降低噪聲影響方面，可以盡量增加發(fā)射信號功率來提高聲源級，但這往往受到硬件條件和成本的限制，在整體付出的代價(jià)約增加一倍的情況下，聲源級提高僅有3 dB左右，對于0 dB目標(biāo)強(qiáng)度魚群的作用距離提升不到100 m。也可以提高換能器指向性來提高聲源級和減少噪聲級，其對作用距離的提升更為明顯，同樣也有其硬件和成本的控制問題，并且隨著指向性的增加，垂直波束主瓣變窄，隨著漁船的搖擺，更容易丟失目標(biāo)魚群。水平波束主瓣變窄，需要發(fā)射波束數(shù)量增多。

3.2 工作在主要混響干擾區(qū)的情況

在界面混響下，將式(2)展開

SE=SL-2TL+TS-(SL-2TL+TSR)-(5lgd-10lg(BTT))

(21)

令SE=0可得：

10lgr=10lg(B/θh)-Sb-41+TS-51lgd

(22)

同理可得在體積混響下的聲吶方程：

20lgr=10lg(B/θhθv)-Sv-23+TS-51lgd

(23)

可見工作距離與采用信號寬帶、波束開角、散射強(qiáng)度直接相關(guān)。可以通過目標(biāo)回波信號級S=SL-2TL+TS與界面混響掩蔽級RLb+DT和體積混響RLv+DT的關(guān)系，對不同海況下、不同目標(biāo)強(qiáng)度魚群的工作距離仿真分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 主要混響干擾區(qū)多波束漁用聲吶探測性能Fig.4 Detection performance of multi-beam fishery sonar in reverberation interference area

多波束漁用聲吶船的作業(yè)條件主要是深海區(qū)域，以沙底為主，小于10°掠射角的情況，根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)[22,28-30]進(jìn)行測量，得到海水體積散射強(qiáng)度Sv為-80 dB，海底散射強(qiáng)度為-40 dB。

由圖4可見，在發(fā)射窄帶信號系統(tǒng)下，對目標(biāo)強(qiáng)度為-10 dB、0 dB和10 dB魚群的有效作用距離分別為300 m、2 500 m和大于4 500 m，混響對于小目標(biāo)魚群有效作用距離的影響極為顯著。

由圖4可見，在發(fā)射寬帶信號系統(tǒng)下，對目標(biāo)強(qiáng)度為-10 dB、0 dB 和10 dB魚群的有效作用距離均大于4 500 m，由于對寬帶信號處理檢測門限的降低，因此可以大大提升多波束漁用聲吶的探測性能。

在主要混響干擾區(qū)，影響漁用聲吶的主要是界面混響，體積混響影響較少，這時(shí)可以采取降低界面混響回波級、提高信號帶寬的方式來提升系統(tǒng)探測能力，降低混響回波級可以采用減少信號發(fā)射脈寬T和信號波束水平θh等方法。其中，減少信號發(fā)射脈寬將引起窄帶系統(tǒng)帶寬的增加，但會提高噪聲強(qiáng)度；信號波束水平θh的變小是以增加換能器陣尺寸和陣元數(shù)量為條件的。同樣，信號帶寬的增加也直接影響整個(gè)漁用聲吶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和器件的選型，軟硬件實(shí)現(xiàn)難度明顯增加。

3.3 工作在混響與噪聲混疊區(qū)域的情況

由上述仿真可見在噪聲和混響混疊工作區(qū)域主要以海底混響為主，這里取混響級RL≈RLs，則總干擾可以表示為：

IL=RL+10 lg(1+α)

(24)

式中：10 lgα=NL-RL。

圖5 主要噪聲和混響混疊干擾區(qū)多波束漁用聲吶探測性能Fig.6 Detection performance of multi-beam fishery sonar in noise and reverberation interference area

由圖5可見，在6級海況下，采用窄帶信號探測，對目標(biāo)強(qiáng)度為-10 dB、0 dB 和10 dB魚群的有效作用距離分別為250 m、1 800 m和2 550 m，對于小目標(biāo)魚群有效作用距離的影響主要是界面混響，而對于大目標(biāo)有效作用距離的影響主要是噪聲。由圖7可見，在6級海況下，采用寬帶信號探測，對目標(biāo)強(qiáng)度為-10 dB、0 dB 和10 dB魚群的有效作用距離分別為2 000 m、2 750 m和3 350 m，這時(shí)對于目標(biāo)魚群有效作用距離的影響主要是噪聲。

綜上所述，多波束探魚儀的探測性能受噪聲和混響綜合影響，在深海區(qū)域，體積混響影響相對較小。采用窄帶信號系統(tǒng)，探測性能受界面混響影響較大，當(dāng)目標(biāo)強(qiáng)度較低時(shí)探測性能急劇惡化；采用寬帶信號系統(tǒng)可以有效抑制混響的影響，大幅提高系統(tǒng)作用距離，其探測性能主要取決于不同海況下的噪聲影響。

表2 主要參數(shù)對探測性能的影響Tab.2 Influence of main parameters on detection performance

4 結(jié)論

通過對不同影響條件下多波束漁用聲吶探測性能比較分析，尤其是作用距離的分析和仿真，可見其探測性能受到使用環(huán)境中的噪聲、混響、目標(biāo)強(qiáng)度等多方面因素綜合影響。在不同環(huán)境下，不同的聲吶工作參數(shù)設(shè)置對探測性能的影響也不盡相同，因此提升多波束漁用聲吶探測性能應(yīng)從其使用環(huán)境條件的差異性出發(fā)，根據(jù)不同使用環(huán)境條件有針對性地選取聲吶工作參數(shù)，以提升漁用聲吶的系統(tǒng)探測性能。