基于高分辨率多波束聲成像的核電站冷源海域水母探測研究

張劍飛

（水下測控技術(shù)重點實驗室，遼寧 大連 116013）

0 引言

自2011年以來，國內(nèi)外眾多核電機組發(fā)生因水母、棕囊藻、泥沙、小魚蝦等影響循環(huán)水系統(tǒng)安全可靠運行的事件，堵塞了電站渦輪引入冷卻水管道，導致電站不得不關(guān)閉反應堆，嚴重影響機組安全[1-2]。2014 年7 月，紅沿河基地大量海月水母堵塞CFI 取水口，造成1、2 號機組短時降功率運行堆；2015年7 月，紅沿河基地大量海月水母堵塞CFI 取水口，2 號機組停堆；2016年8月7日，寧德核電廠，由于大量海地瓜涌入取水口，導致反應堆停堆。這些事件對基地電廠運行的安全性和經(jīng)濟性造成了嚴重影響，使得大多數(shù)瀕海核電廠已經(jīng)認識到取水口堵塞事件的嚴重性[3-7]。本文針對核電站取水區(qū)域?qū)λ?、魚群等海生物侵襲的預警需求，利用水下聲學高分辨率多波束探測手段[8]，對水母群在海水中的回聲特性進行了試驗研究；利用特征分析與統(tǒng)計模塊對獲得的海生物圖像信息進行分析處理和特征識別，獲取了監(jiān)測海域水母群的密度分布情況，為核電站冷源水域海生物的預警與處置提供了實測分析依據(jù)。

1 原理

高頻多波束聲成像技術(shù)基于聲學平面陣，通過平面陣波束形成將探測結(jié)果以聲圖像的形式進行輸出，利用其高的信噪比增益實現(xiàn)對弱目標的探測。波束形成技術(shù)來自于基陣具有方向性的原理[9-10]。假設平面陣是在水平面水平放置的矩形陣，由m×n個陣元組成，幾何關(guān)系如圖1所示。以陣列的左上角的陣元為參考點，x軸上有n個間距為d的均勻直線陣，另假設信號入射方位角為θ，俯仰角為φ，其中方位角表示與x軸的夾角，則信號入射到第k個陣元上引起的與參考陣元間的時延為

式中，c為聲波傳播速度。

圖1 平面陣示意圖Fig. 1 Schematic diagram of plane array

因此平面陣的歸一化陣輸出幅度為

高頻多波束聲成像技術(shù)基于聲學平面陣，通過平面陣波束形成將探測結(jié)果以聲圖像的形式進行輸出，利用其高的信噪比增益實現(xiàn)對弱目標的探測。

2 試驗裝置

基于高分辨率多波束聲學法探測海生物技術(shù)，構(gòu)建海生物預警系統(tǒng)，試驗裝置如圖2。在距離電站冷源取水口一定距離，建立監(jiān)測線，監(jiān)測聲吶與通信浮標建立數(shù)據(jù)鏈，利用通信浮標將監(jiān)測聲吶的數(shù)據(jù)回傳到岸上監(jiān)控室。采用取水口兩側(cè)及中心點位布置固定監(jiān)測站，解決急流水區(qū)域覆蓋監(jiān)測能力。在試驗水池、大連某海域分別開展了水母等海生物探測試驗，獲取了水母的回聲特性數(shù)據(jù)。冷源取水口監(jiān)測點布置如圖3所示。

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test device

圖3 冷源取水口監(jiān)測點布置示意圖Fig. 3 Layout of monitoring points of cold source water intake

3 數(shù)據(jù)處理方法

3.1 水母個體數(shù)據(jù)處理

為描述水母反射聲波能力，本文給出了水母的相對回聲強度RES，RES相對回聲強度RES的大小與聲源級SL、目標強度TS等參數(shù)有關(guān)系[11]。

水母相對回聲強度RES計算：

式中：n為水母個體回聲圖像中組成水母回聲圖像的像素點總數(shù)；Ei是第i個像素點的聲能量；SS,V表示體積散射體或界面散射面的散射強度；Iinc是入射平面波聲強；Iscat是單位體積或單位面積所散射的聲強度（折算到單位距離處后）。

為有效檢測水母，還研究了另外2個參數(shù)：聲圖像中水母的直徑De（簡稱直徑）和聲圖像中水母的高度He（簡稱高度）。圖4是真實水母的直徑與高度，水母傘狀體呈扁平狀，其高度約為傘狀體直徑的一半。圖5是探測試驗中獲取的水母圖像，圖中左下角是獲取的水母聲圖像，右上角是對應的水母姿態(tài)示意圖，該水母的傘面法向指向右上角。與生物學上的高度和直徑定義稍有不同，由于水母不同部位反射聲波的能力不同，水母的直徑De會小于真實的水母直徑；水母的高度He，在某種程度上反映了水母的姿態(tài)，姿態(tài)不同，獲取的高度也會有變化。

圖4 真實水母的直徑與高度Fig. 4 Diameter and height of real jellyfish

圖5 試驗中獲取的水母聲圖像Fig. 5 Acoustic image of jellyfish obtained in the experiment

3.2 水母群數(shù)據(jù)處理

基于獲取的水母個體聲特征，對聲吶探測范圍內(nèi)水母群的個體數(shù)量，分布密度等進行估計。

1）水母分布密度估計。

高分辨率多波束聲吶的探測波束如圖6所示，聲吶發(fā)射探測波束，回聲數(shù)據(jù)按照距離分辨率形成等間距的球形弧面切片，以下簡稱切片，每個切片都覆蓋50°×50°的空間角。

假設海水中的水母在同一切片上是均勻分布的，水母的運動狀態(tài)是隨機的，在該條件下進行水母的分布密度估計。

在對海水中目標個數(shù)進行統(tǒng)計時，首先統(tǒng)計每個切片上的目標的個數(shù)，然后得到探測范圍內(nèi)目標的總數(shù)，如下：

圖6 聲吶探測結(jié)果切片示意圖Fig. 6 Slice diagram of sonar detection results

式中：num為目標總數(shù)；i為切片序號；i0為切片總數(shù)；mi為第i個切片上目標的個數(shù)。水母的分布密度ρ為

式中，V為試驗中聲吶探測范圍內(nèi)水體的體積。

2）水母群散射強度計算。

在水母探測過程中，將水中所有水母目標的作為一個群體，計算該群體的散射強度。散射強度SS,V定義如下：

距離散射體（面）1 m處，被單位面積或單位體積所散射的聲強度與入射聲波強度的比，并將此比值用分貝數(shù)表示，即

3.3 水母分布密度計算

水母分布密度計算方法：利用水母個體的聲學參數(shù)，相對回聲強度RES、直徑De和高度He設定檢測閾值，統(tǒng)計海水中的水母個數(shù)和分布密度。具體步驟如下：

第一步：對回聲數(shù)據(jù)進行傳播損失補償；

第二步：水母回聲數(shù)據(jù)做切片處理；

第三步：設置檢測閾值進行水母個體檢測，閾值包括水母尺度閾值和相對回聲強度閾值；

第四步：計算水母分布密度；

第五步：統(tǒng)計結(jié)果分析。

4 試驗結(jié)果

水母的體壁結(jié)構(gòu)由2層上皮細胞夾有中膠層構(gòu)成，中膠層厚度較厚，體壁圍繞的胃循環(huán)腔是一個簡單的囊，或是被膜分割成4個胃囊（圖7(a)）。水母個體的回聲圖像由2部分組成：1個面積較大的背景亮點和4個面積較小的回聲亮點，如圖7(b)所示，為某次探測中處理后的回聲圖像（已經(jīng)歸一化）。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)圖中面積較大的背景亮點是由水母的傘狀體（中膠層）反射聲波產(chǎn)生，而4個亮度較高的亮點對應水母的4個胃囊。

圖7 水母圖像Fig. 7 Image of Jellyfish Real image Acoustic image

圖8、圖9給出了水母分布密度隨時間變化特性和水母群體散射強度隨時間變化特性，從圖中可以看出，兩者的變化趨勢比較一致，呈現(xiàn)出波動性，體現(xiàn)了海水中水母分布密度時間和空間上的分布不均勻性。水母分布密度隨時間進行起伏，變化范圍為100～400個/m3，在該時間段內(nèi)有4個峰值，分布密度分別為310、320、400、260個/m3，如圖10所示。在距離切片上的水母統(tǒng)計個數(shù)結(jié)果圖中，相同時刻在距離切片上水母個數(shù)分布呈現(xiàn)條帶狀，并且與其他時刻相比，該時刻內(nèi)水母個數(shù)明顯增多。這也說明了水母在海水中分布的不均勻性，具有隨時間變化的特點。該時間段內(nèi)水母平均密度為254個/m3。

圖8 水母分布密度隨時間變化特性Fig. 8 Variation characteristics of jellyfish distribution density with time

圖9 水母群體散射強度隨時間變化特性Fig. 9 Variation characteristics of jellyfish population scattering intensity with time

圖10 水母分布密度隨距離變化Fig. 10 Distribution density of jellyfish varies with distance

圖11、圖12為另一單程水母分布密度隨時間變化及水母群體散射強度隨時間變化特性。由圖可知水母分布密度隨時間進行起伏，變化范圍為100～350個/m3，在該時間段內(nèi)有4個峰值，分布密度分別為370、350、320、350個/m3。在距離切片上的水母統(tǒng)計個數(shù)結(jié)果如圖13所示，相同時刻在距離切片上水母個數(shù)分布呈現(xiàn)條帶狀，并且與其他時刻相比，該時刻內(nèi)水母個數(shù)明顯增多。這也說明了水母在海水中分布的不均勻性，具有隨時間變化的特點。該時間段內(nèi)水母平均密度為274個/m3。

圖11 水母分布密度隨時間變化特性Fig. 11 Variation characteristics of jellyfish distribution density with time

圖12 水母群體散射強度隨時間變化特性Fig. 12 Variation characteristics of jellyfish population scattering intensity with time

圖13 水母分布密度隨距離變化Fig. 13 Distribution density of jellyfish varies with distance

本文從水母個體和水母群2個角度出發(fā)，分別提取了表征水母個體特征的參數(shù)和表征水母群體特征的參數(shù)。針對水母群體，提取了水母分布密度和散射強度2個參數(shù)來表征其特征，在此次水母探測試驗中，散射強度關(guān)于水母分布密度近似成正比。

5 結(jié)束語

本文采用水下聲學高分辨率多波束探測方法對水母等海生物進行了探測，并獲取其回聲特性，在水母個體的探測結(jié)果中，提取了水母的相對回聲強度等特征參數(shù)；利用水母個體的特征參數(shù)，檢測和計數(shù)了水母群中的個體數(shù)量，為評估水體中水母等海生物的分布密度以及威脅程度提供基礎。針對水母群體的探測問題，提出了表征參數(shù)水母分布密度和聲散射強度，研究結(jié)果表明聲散射強度與水母分布密度近似成正比；同時表明，利用該高分辨多波束聲學法探測核電站出水口海生物是可行的。水母與其他弱散射體目標的辨識有待進一步研究，后續(xù)將繼續(xù)開展水母與魚、蝦、海藻等海洋生物的聲射特性差異研究。