張劍飛

（水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116013）

0 引言

自2011年以來，國內(nèi)外眾多核電機(jī)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(yùn)行的事件，堵塞了電站渦輪引入冷卻水管道，導(dǎo)致電站不得不關(guān)閉反應(yīng)堆，嚴(yán)重影響機(jī)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(hào)機(jī)組短時(shí)降功率運(yùn)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(hào)機(jī)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(dǎo)致反應(yīng)堆停堆。這些事件對(duì)基地電廠運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性造成了嚴(yán)重影響，使得大多數(shù)瀕海核電廠已經(jīng)認(rèn)識(shí)到取水口堵塞事件的嚴(yán)重性[3-7]。本文針對(duì)核電站取水區(qū)域?qū)λ浮Ⅳ~群等海生物侵襲的預(yù)警需求，利用水下聲學(xué)高分辨率多波束探測(cè)手段[8]，對(duì)水母群在海水中的回聲特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；利用特征分析與統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)獲得的海生物圖像信息進(jìn)行分析處理和特征識(shí)別，獲取了監(jiān)測(cè)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(yù)警與處置提供了實(shí)測(cè)分析依據(jù)。

1 原理

高頻多波束聲成像技術(shù)基于聲學(xué)平面陣，通過平面陣波束形成將探測(cè)結(jié)果以聲圖像的形式進(jìn)行輸出，利用其高的信噪比增益實(shí)現(xiàn)對(duì)弱目標(biāo)的探測(cè)。波束形成技術(shù)來自于基陣具有方向性的原理[9-10]。假設(shè)平面陣是在水平面水平放置的矩形陣，由m×n個(gè)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(diǎn)，x軸上有n個(gè)間距為d的均勻直線陣，另假設(shè)信號(hào)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(hào)入射到第k個(gè)陣元上引起的與參考陣元間的時(shí)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(xué)平面陣，通過平面陣波束形成將探測(cè)結(jié)果以聲圖像的形式進(jìn)行輸出，利用其高的信噪比增益實(shí)現(xiàn)對(duì)弱目標(biāo)的探測(cè)。

2 試驗(yàn)裝置

基于高分辨率多波束聲學(xué)法探測(cè)海生物技術(shù)，構(gòu)建海生物預(yù)警系統(tǒng)，試驗(yàn)裝置如圖2。在距離電站冷源取水口一定距離，建立監(jiān)測(cè)線，監(jiān)測(cè)聲吶與通信浮標(biāo)建立數(shù)據(jù)鏈，利用通信浮標(biāo)將監(jiān)測(cè)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(diǎn)位布置固定監(jiān)測(cè)站，解決急流水區(qū)域覆蓋監(jiān)測(cè)能力。在試驗(yàn)水池、大連某海域分別開展了水母等海生物探測(cè)試驗(yàn)，獲取了水母的回聲特性數(shù)據(jù)。冷源取水口監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test device

圖3 冷源取水口監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(gè)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(duì)回聲強(qiáng)度RES，RES相對(duì)回聲強(qiáng)度RES的大小與聲源級(jí)SL、目標(biāo)強(qiáng)度TS等參數(shù)有關(guān)系[11]。

水母相對(duì)回聲強(qiáng)度RES計(jì)算：

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

為有效檢測(cè)水母，還研究了另外2個(gè)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(shí)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(cè)試驗(yàn)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(duì)應(yīng)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(xué)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(huì)小于真實(shí)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(huì)有變化。

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

圖5 試驗(yàn)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(gè)體聲特征，對(duì)聲吶探測(cè)范圍內(nèi)水母群的個(gè)體數(shù)量，分布密度等進(jìn)行估計(jì)。

1）水母分布密度估計(jì)。

高分辨率多波束聲吶的探測(cè)波束如圖6所示，聲吶發(fā)射探測(cè)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(gè)切片都覆蓋50°×50°的空間角。

假設(shè)海水中的水母在同一切片上是均勻分布的，水母的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是隨機(jī)的，在該條件下進(jìn)行水母的分布密度估計(jì)。

在對(duì)海水中目標(biāo)個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，首先統(tǒng)計(jì)每個(gè)切片上的目標(biāo)的個(gè)數(shù)，然后得到探測(cè)范圍內(nèi)目標(biāo)的總數(shù)，如下：

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

式中：num為目標(biāo)總數(shù)；i為切片序號(hào)；i0為切片總數(shù)；mi為第i個(gè)切片上目標(biāo)的個(gè)數(shù)。水母的分布密度ρ為

式中，V為試驗(yàn)中聲吶探測(cè)范圍內(nèi)水體的體積。

2）水母群散射強(qiáng)度計(jì)算。

在水母探測(cè)過程中，將水中所有水母目標(biāo)的作為一個(gè)群體，計(jì)算該群體的散射強(qiáng)度。散射強(qiáng)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(qiáng)度與入射聲波強(qiáng)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(jì)算

水母分布密度計(jì)算方法：利用水母個(gè)體的聲學(xué)參數(shù)，相對(duì)回聲強(qiáng)度RES、直徑De和高度He設(shè)定檢測(cè)閾值，統(tǒng)計(jì)海水中的水母個(gè)數(shù)和分布密度。具體步驟如下：

第一步：對(duì)回聲數(shù)據(jù)進(jìn)行傳播損失補(bǔ)償；

第二步：水母回聲數(shù)據(jù)做切片處理；

第三步：設(shè)置檢測(cè)閾值進(jìn)行水母個(gè)體檢測(cè)，閾值包括水母尺度閾值和相對(duì)回聲強(qiáng)度閾值；

第四步：計(jì)算水母分布密度；

第五步：統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析。

4 試驗(yàn)結(jié)果

水母的體壁結(jié)構(gòu)由2層上皮細(xì)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(gè)簡單的囊，或是被膜分割成4個(gè)胃囊（圖7(a)）。水母個(gè)體的回聲圖像由2部分組成：1個(gè)面積較大的背景亮點(diǎn)和4個(gè)面積較小的回聲亮點(diǎn)，如圖7(b)所示，為某次探測(cè)中處理后的回聲圖像（已經(jīng)歸一化）。通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)圖中面積較大的背景亮點(diǎn)是由水母的傘狀體（中膠層）反射聲波產(chǎn)生，而4個(gè)亮度較高的亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)水母的4個(gè)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(shí)間變化特性和水母群體散射強(qiáng)度隨時(shí)間變化特性，從圖中可以看出，兩者的變化趨勢(shì)比較一致，呈現(xiàn)出波動(dòng)性，體現(xiàn)了海水中水母分布密度時(shí)間和空間上的分布不均勻性。水母分布密度隨時(shí)間進(jìn)行起伏，變化范圍為100～400個(gè)/m3，在該時(shí)間段內(nèi)有4個(gè)峰值，分布密度分別為310、320、400、260個(gè)/m3，如圖10所示。在距離切片上的水母統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)結(jié)果圖中，相同時(shí)刻在距離切片上水母個(gè)數(shù)分布呈現(xiàn)條帶狀，并且與其他時(shí)刻相比，該時(shí)刻內(nèi)水母個(gè)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(shí)間變化的特點(diǎn)。該時(shí)間段內(nèi)水母平均密度為254個(gè)/m3。

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

圖9 水母群體散射強(qiáng)度隨時(shí)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(shí)間變化及水母群體散射強(qiáng)度隨時(shí)間變化特性。由圖可知水母分布密度隨時(shí)間進(jìn)行起伏，變化范圍為100～350個(gè)/m3，在該時(shí)間段內(nèi)有4個(gè)峰值，分布密度分別為370、350、320、350個(gè)/m3。在距離切片上的水母統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)結(jié)果如圖13所示，相同時(shí)刻在距離切片上水母個(gè)數(shù)分布呈現(xiàn)條帶狀，并且與其他時(shí)刻相比，該時(shí)刻內(nèi)水母個(gè)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(shí)間變化的特點(diǎn)。該時(shí)間段內(nèi)水母平均密度為274個(gè)/m3。

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

圖12 水母群體散射強(qiáng)度隨時(shí)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(gè)體和水母群2個(gè)角度出發(fā)，分別提取了表征水母個(gè)體特征的參數(shù)和表征水母群體特征的參數(shù)。針對(duì)水母群體，提取了水母分布密度和散射強(qiáng)度2個(gè)參數(shù)來表征其特征，在此次水母探測(cè)試驗(yàn)中，散射強(qiáng)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(xué)高分辨率多波束探測(cè)方法對(duì)水母等海生物進(jìn)行了探測(cè)，并獲取其回聲特性，在水母個(gè)體的探測(cè)結(jié)果中，提取了水母的相對(duì)回聲強(qiáng)度等特征參數(shù)；利用水母個(gè)體的特征參數(shù)，檢測(cè)和計(jì)數(shù)了水母群中的個(gè)體數(shù)量，為評(píng)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(chǔ)。針對(duì)水母群體的探測(cè)問題，提出了表征參數(shù)水母分布密度和聲散射強(qiáng)度，研究結(jié)果表明聲散射強(qiáng)度與水母分布密度近似成正比；同時(shí)表明，利用該高分辨多波束聲學(xué)法探測(cè)核電站出水口海生物是可行的。水母與其他弱散射體目標(biāo)的辨識(shí)有待進(jìn)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。