基于目標(biāo)探測(cè)的側(cè)掃聲吶測(cè)線(xiàn)布設(shè)優(yōu)化方法研究?

成 芳張 夢(mèng)

（1.中國(guó)人民解放軍91550部隊(duì) 大連 116023）（2.海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

1 引言

海底目標(biāo)探測(cè)時(shí)，通常采用快速掃描與細(xì)節(jié)查驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合的方式，來(lái)提升關(guān)注目標(biāo)的探測(cè)效率和識(shí)別準(zhǔn)確度。即先由測(cè)量船搭載的側(cè)掃聲吶按照預(yù)定航路對(duì)任務(wù)海區(qū)進(jìn)行海底掃描探測(cè)，在較大范圍掃描發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，測(cè)量船抵近到海底目標(biāo)所在位置附近，由三維實(shí)時(shí)成像聲吶或潛水員對(duì)海底目標(biāo)進(jìn)行狀態(tài)勘察或探摸，獲取多角度實(shí)況觀(guān)測(cè)圖像（具體探測(cè)流程見(jiàn)圖1）。在這個(gè)過(guò)程中，如何利用側(cè)掃聲吶快速發(fā)現(xiàn)疑似目標(biāo)是海底目標(biāo)探測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題。而測(cè)線(xiàn)布設(shè)和測(cè)船船速控制作為側(cè)掃聲吶掃描過(guò)程中的核心內(nèi)容之一，是實(shí)現(xiàn)海區(qū)全覆蓋測(cè)量的主要因素，在兼顧整個(gè)海區(qū)的掃測(cè)效果和掃測(cè)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(cè)掃聲吶測(cè)線(xiàn)布設(shè)的優(yōu)化方法，測(cè)船船速控制問(wèn)題將另文撰寫(xiě)。

圖1 海底目標(biāo)探測(cè)流程圖

對(duì)于測(cè)線(xiàn)布設(shè)，側(cè)掃聲吶通常情況下需要完成測(cè)量的全覆蓋，特別地，在進(jìn)行精細(xì)海底地形測(cè)量或探測(cè)小目標(biāo)時(shí)甚至需要進(jìn)行200%覆蓋測(cè)量。另外，由于海流、定位系統(tǒng)誤差等影響，在進(jìn)行測(cè)線(xiàn)布設(shè)時(shí)，為保證至少100%覆蓋，相鄰兩條測(cè)線(xiàn)需有一定的重疊寬度［1］。美國(guó)提出100%覆蓋時(shí)，測(cè)線(xiàn)間距應(yīng)不超過(guò)1.6倍所選量程，200%覆蓋時(shí)，不超過(guò)0.8倍所選量程。經(jīng)計(jì)算，IHO、美國(guó)、英國(guó)計(jì)算出的測(cè)線(xiàn)間距大體一致［2］。相比英美國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)的相關(guān)測(cè)量規(guī)范僅給出指導(dǎo)性建議［3～4］，并未根據(jù)不同覆蓋度進(jìn)行劃分，實(shí)際測(cè)量時(shí)也只是根據(jù)測(cè)量經(jīng)驗(yàn)給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)意見(jiàn)，并沒(méi)有一套完備的設(shè)計(jì)方案，一定程度上給探測(cè)帶來(lái)盲目性。隨著海底目標(biāo)探測(cè)各環(huán)節(jié)數(shù)字化的日趨成熟，很多學(xué)者已開(kāi)始關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)測(cè)線(xiàn)布設(shè)的優(yōu)化問(wèn)題［5～11］，但大多針對(duì)單波束和多波束測(cè)量提出，且多是圍繞測(cè)線(xiàn)布設(shè)方式概略性地提出經(jīng)驗(yàn)式建議，對(duì)于側(cè)掃聲吶的測(cè)線(xiàn)布設(shè)問(wèn)題關(guān)注較少。為此，本文基于側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率分布規(guī)律，提出側(cè)掃聲吶測(cè)線(xiàn)布設(shè)優(yōu)化方法，為海底目標(biāo)探測(cè)的具體實(shí)施提供有益參考。

2 側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率研究

基于側(cè)掃聲吶的海底目標(biāo)探測(cè)，必須滿(mǎn)足全覆蓋的探測(cè)要求。全覆蓋探測(cè)包括橫向的全覆蓋探測(cè)和縱向的全覆蓋探測(cè)?？v向的全覆蓋探測(cè)，即沿測(cè)線(xiàn)上的連續(xù)兩ping之間的銜接，主要由波束采樣率和測(cè)船速度決定。而事實(shí)上，波束采樣率一經(jīng)確定，通常不會(huì)改變，此時(shí)，船速成為影響縱向全覆蓋探測(cè)的主要因素。但相對(duì)困難的是橫向的全覆蓋探測(cè)，其包含兩層意義：?jiǎn)蝡ing內(nèi)實(shí)現(xiàn)橫向的無(wú)遺漏；測(cè)船航行的正橫方向上相鄰兩ping的銜接（見(jiàn)圖2、圖3）。由于側(cè)掃聲吶單ping內(nèi)各個(gè)波束是無(wú)間隔排列，那么在船的正橫方向，單ping內(nèi)是無(wú)空隙全覆蓋。因此，橫向的全覆蓋轉(zhuǎn)化為兩條測(cè)線(xiàn)之間的全覆蓋。通常認(rèn)為，圖2即為橫向的全覆蓋測(cè)量，但事實(shí)上，這種工況下有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生漏測(cè)現(xiàn)象。這是因?yàn)閭?cè)掃聲吶的系統(tǒng)分辨率在單ping中并不是均勻分布的，波束邊緣的系統(tǒng)分辨率較低，無(wú)法分辨較小尺寸的海底目標(biāo)。若要避免漏測(cè)現(xiàn)象的發(fā)生，相鄰兩ping必須有適當(dāng)?shù)闹丿B（如圖2）。但重疊過(guò)大，測(cè)線(xiàn)間距選擇過(guò)窄，雖保證了預(yù)定的限差要求，卻嚴(yán)重影響測(cè)量效率，增加工作量，造成不必要的資源浪費(fèi)；重疊過(guò)小或無(wú)重疊，測(cè)線(xiàn)間距選擇過(guò)寬，可能無(wú)法探測(cè)到目標(biāo)，產(chǎn)生漏測(cè)。那么，如何確定相鄰兩ping的重疊率（即測(cè)線(xiàn)間距）是提高測(cè)量質(zhì)量和測(cè)量效率的關(guān)鍵。而在對(duì)其進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮側(cè)掃聲吶條帶邊緣的分辨率水平，因此，本文在構(gòu)建側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率模型的基礎(chǔ)上，深入分析其分布規(guī)律，為測(cè)線(xiàn)布設(shè)優(yōu)化方法的提出提供基礎(chǔ)。

圖2 100%全覆蓋測(cè)量示意圖

圖3 200%全覆蓋測(cè)量示意圖

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)發(fā)射Chirp信號(hào)，其壓縮脈沖寬度決定了系統(tǒng)距離分辨率，即壓縮脈沖寬度越小，系統(tǒng)距離分辨率越高，對(duì)回波中噪聲信息越敏感。換能器發(fā)射脈沖到達(dá)海底，在海底形成一定作用區(qū)域，稱(chēng)此時(shí)聲波照射海底的區(qū)域?yàn)椴ㄊ_?。?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(xiàn)入射角越小，其波束腳印越大。而波束腳印決定了聲納系統(tǒng)分辨率。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［13］。

圖4 側(cè)掃聲吶聲照射區(qū)示意圖

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

其中，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。

當(dāng)β→90°時(shí)，上式無(wú)效，可用式（2）代替：

式中，h為拖魚(yú)距離海底高度。

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

其中，R為斜距，θh為側(cè)掃聲吶水平波束寬度。

那么，側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率模型為

從側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率模型可以看出，側(cè)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(shí)，縱向分辨率較好，斜距較大時(shí)，橫向分辨率較好。

數(shù)值計(jì)算表明：換能器正下方縱向分辨率最高（即波束腳印的縱向?qū)挾仍谡麄€(gè)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(nèi)，系統(tǒng)分辨率相對(duì)較高，換句話(huà)說(shuō)，聲吶圖像（瀑布圖）中間區(qū)域分辨率較高，邊緣分辨率明顯降低。若海底小目標(biāo)剛好處于側(cè)掃聲吶換能器的條帶邊緣，可能無(wú)法識(shí)別，產(chǎn)生漏測(cè)。這也進(jìn)一步印證了僅通過(guò)垂直波束開(kāi)角和水深得到的測(cè)線(xiàn)間距進(jìn)行測(cè)量，即便是100%全覆蓋（如圖2），也可能會(huì)產(chǎn)生漏測(cè)的情況。

3 測(cè)線(xiàn)布設(shè)方法

通過(guò)上一節(jié)對(duì)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率的分析，本節(jié)進(jìn)一步研究如何科學(xué)確定測(cè)線(xiàn)的布設(shè)方法。具體研究步驟為：提出測(cè)線(xiàn)布設(shè)的基本原則，進(jìn)而確定測(cè)線(xiàn)布設(shè)具體方法，并通過(guò)流程圖形式總結(jié)側(cè)掃聲吶測(cè)線(xiàn)布設(shè)的具體步驟。

3.1 測(cè)線(xiàn)布設(shè)基本原則

海底目標(biāo)探測(cè)的成功與否主要取決于側(cè)掃聲吶的系統(tǒng)分辨率和全覆蓋探測(cè)的程度。通過(guò)上一節(jié)對(duì)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率的分析可知，換能器整個(gè)條帶的系統(tǒng)分辨率分布并不均勻，條帶邊緣的系統(tǒng)分辨率明顯降低，而通過(guò)測(cè)線(xiàn)布設(shè)間距的控制恰恰可以有選擇性地選取滿(mǎn)足探測(cè)分辨率要求的條帶寬度。此時(shí)，對(duì)探測(cè)分辨率的要求可轉(zhuǎn)化為對(duì)測(cè)線(xiàn)布設(shè)的要求，探測(cè)分辨率的要求不同，測(cè)線(xiàn)布設(shè)的方式也將不同。因此，側(cè)掃聲吶測(cè)線(xiàn)布設(shè)的基本原則是：根據(jù)側(cè)掃聲吶的系統(tǒng)分辨率和試驗(yàn)海區(qū)的先驗(yàn)地形信息、水團(tuán)分布狀況，通過(guò)調(diào)整測(cè)線(xiàn)布設(shè)方式，來(lái)控制所選取的換能器條帶寬度，以此保證測(cè)量成果滿(mǎn)足預(yù)定測(cè)量要求。

從上述基本原則可以看出，測(cè)線(xiàn)布設(shè)首先應(yīng)滿(mǎn)足條帶與條帶間的全覆蓋。進(jìn)一步地，根據(jù)側(cè)掃聲吶的系統(tǒng)分辨率進(jìn)一步縮小測(cè)線(xiàn)布設(shè)間距，來(lái)保證預(yù)定探測(cè)分辨率的要求。實(shí)際測(cè)量時(shí)，還需充分考慮測(cè)量的便利性和高效性等因素的影響，統(tǒng)籌確定最終的測(cè)量方案。

3.2 測(cè)線(xiàn)布設(shè)方法

對(duì)于測(cè)線(xiàn)布設(shè)方向，考慮的主要內(nèi)容是如何在聲吶圖像中最大限度地反映海底目標(biāo)。其基本原則：1）測(cè)線(xiàn)方向應(yīng)盡可能與測(cè)量海區(qū)潮流流向平行。在測(cè)量海區(qū)潮流影響不大的區(qū)域，選擇海區(qū)的等深線(xiàn)方向?yàn)闇y(cè)線(xiàn)方向，進(jìn)一步地，對(duì)于已知先驗(yàn)?zāi)繕?biāo)信息的海底目標(biāo)探測(cè)，也可根據(jù)實(shí)際情況，選擇平行于目標(biāo)走向的方向作為測(cè)線(xiàn)方向；2）大面積海底掃描時(shí)，測(cè)線(xiàn)方向應(yīng)相互平行；3）系統(tǒng)在海底目標(biāo)處的分辨率應(yīng)小于目標(biāo)尺寸。另外地，當(dāng)采用粗掃+精掃的探測(cè)方式時(shí)，粗掃可先初步確定探測(cè)目標(biāo)位置、形狀、高度和走向等信息，對(duì)于有先驗(yàn)地形圖的海區(qū)，結(jié)合測(cè)區(qū)坡度走向，選擇與坡度走向垂直的方向作為粗掃測(cè)線(xiàn)方向。再根據(jù)粗掃發(fā)現(xiàn)海底目標(biāo)的位置、形狀、高度和走向等信息，選擇平行于目標(biāo)走向的方向作為精掃測(cè)線(xiàn)方向。一般來(lái)講，應(yīng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三個(gè)方向上掃測(cè)。此時(shí)，可根據(jù)粗掃成果，保持三條測(cè)線(xiàn)方向與目標(biāo)走向相近，測(cè)線(xiàn)方向與目標(biāo)走向夾角絕對(duì)值應(yīng)小于30°，根據(jù)不同方向聲納圖像，交會(huì)出目標(biāo)或然位置。

對(duì)于測(cè)線(xiàn)布設(shè)間距的選擇方法，可按下列的流程圖來(lái)確定測(cè)線(xiàn)間距（如圖5）。即根據(jù)歷史海底地形信息，初步提出適當(dāng)?shù)氖y(cè)方案，再根據(jù)測(cè)量所得的實(shí)際海底地形數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)線(xiàn)布設(shè)間距和方向進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，最終得到預(yù)定的測(cè)量效果。本文提出的測(cè)線(xiàn)布設(shè)方法體現(xiàn)的是一種逐步優(yōu)化的設(shè)計(jì)思想，而為了解決這種逐步優(yōu)化方法所帶來(lái)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和難度，在研究過(guò)程中編制了側(cè)掃聲吶測(cè)線(xiàn)布設(shè)方法軟件，該軟件系統(tǒng)直接提高了目標(biāo)探測(cè)前期技術(shù)設(shè)計(jì)的信息化、自動(dòng)化程度，可為海底目標(biāo)探測(cè)前的測(cè)線(xiàn)布設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

圖5 側(cè)掃聲吶測(cè)線(xiàn)布設(shè)優(yōu)化方法流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于側(cè)掃聲吶在海底目標(biāo)探測(cè)的重要作用，本文在深入分析側(cè)掃聲吶系統(tǒng)分辨率變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)影響海底目標(biāo)探測(cè)效率和探測(cè)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，提出側(cè)掃聲吶測(cè)線(xiàn)布設(shè)優(yōu)化方法。研究表明：測(cè)線(xiàn)布設(shè)方法采用了系統(tǒng)的、優(yōu)化的理念，可有效平衡間距與探測(cè)分辨率的關(guān)系，方法合理可行，可為高質(zhì)高效完成海底目標(biāo)探測(cè)任務(wù)提供有力的技術(shù)支持。