吳陳波，諶志新，李國(guó)棟，湯濤林，許明昌，劉 晃

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092;2 上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

聲波是海水中唯一能夠長(zhǎng)距離傳遞信息的載體[1]。寬帶分裂波束探魚(yú)儀是利用水聲技術(shù)，進(jìn)行海洋生物資源探測(cè)、評(píng)估、魚(yú)類行為特性研究的主要工具，寬帶分裂波束探魚(yú)儀可以進(jìn)行脈沖壓縮，提高單體目標(biāo)的距離分辨率和抑制混響；也可以進(jìn)行目標(biāo)強(qiáng)度的頻譜分析，提供目標(biāo)識(shí)別信息[2-6]。寬帶分裂波束探魚(yú)儀具有低噪聲、高精度和大動(dòng)態(tài)范圍的特點(diǎn)，所以在實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越受到重視。

有效作用距離是反映寬帶分裂波束探魚(yú)儀探測(cè)性能的重要指標(biāo)之一，根據(jù)主動(dòng)聲吶方程，影響寬帶分裂波束探魚(yú)儀有效作用距離的因素主要有：海洋環(huán)境噪聲、海水體積混響及單體魚(yú)目標(biāo)強(qiáng)度等[7-8]。

本研究從寬帶分裂波束探魚(yú)儀基本原理出發(fā)，根據(jù)噪聲限制下和混響限制下的主動(dòng)聲吶方程，建立寬帶分裂波束探魚(yú)儀探測(cè)距離的預(yù)報(bào)模型，進(jìn)行海洋環(huán)境噪聲級(jí)、海水體積混響、目標(biāo)回波級(jí)的仿真，分析了具體參數(shù)對(duì)寬帶分裂波束探魚(yú)儀探測(cè)距離的影響。

1 寬帶分裂波束探魚(yú)儀基本原理及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 基本原理

寬帶分裂波束探魚(yú)儀實(shí)質(zhì)上是一種主動(dòng)聲吶系統(tǒng)，利用水聲回波信號(hào)探測(cè)目標(biāo)魚(yú)信息，并可以對(duì)回波信息的特征進(jìn)行分析來(lái)獲取目標(biāo)魚(yú)密度、大小及種類等信息[9-10]。其探測(cè)距離是根據(jù)噪聲背景下、混響背景下和噪聲背景與混響背景下的聲吶方程來(lái)確定的，影響作用距離的主要參數(shù)有聲源級(jí)、傳播損失、目標(biāo)強(qiáng)度、環(huán)境噪聲、混響級(jí)和檢測(cè)域。由混響級(jí)的求解式可知與聲源級(jí)、傳播損失、脈寬、波長(zhǎng)、散射強(qiáng)度、等效束寬、換能器直徑和作用距離有關(guān)；基陣指向性與換能器直徑和波長(zhǎng)有關(guān)；有指向性系統(tǒng)下噪聲譜級(jí)與頻率、帶寬和基陣指向性有關(guān)；發(fā)射聲源級(jí)與功率和基陣指向性有關(guān)；檢測(cè)域與檢測(cè)指數(shù)、帶寬和脈寬有關(guān)；傳播損失與作用距離和吸收系數(shù)有關(guān)。如圖1所示，其基本工作原理是通過(guò)接收回波來(lái)探測(cè)目標(biāo)單體魚(yú)和魚(yú)群。具體工作過(guò)程為：當(dāng)發(fā)射時(shí)，發(fā)射機(jī)在實(shí)時(shí)信號(hào)處理主機(jī)控制下，經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制、功放驅(qū)動(dòng)、功率放大、低通濾波等處理過(guò)程，產(chǎn)生具有給定頻率、功率和脈寬的電脈沖信號(hào)。換能器將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲脈沖信號(hào)輻射到水中，聲波遇到魚(yú)或魚(yú)群目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生回波；當(dāng)接收時(shí)，回波傳播到換能器，四個(gè)象限的基陣分別獨(dú)立接收反射的回波，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)接收機(jī)收發(fā)轉(zhuǎn)換、低噪聲放大、增益放大、抗混疊濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，傳到實(shí)時(shí)信號(hào)處理主機(jī)，經(jīng)過(guò)匹配濾波和位置解算等處理后將結(jié)果顯示出來(lái)。

寬帶分裂波束探魚(yú)儀兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)是水聲寬帶探測(cè)技術(shù)和分裂波束技術(shù)，下文就兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)探測(cè)性能的影響角度進(jìn)行分析。

圖1 寬帶分裂波束探魚(yú)儀系統(tǒng)示意圖

1.2 水聲寬帶探測(cè)技術(shù)

寬帶系統(tǒng)有利于提高目標(biāo)距離的分辨能力和提高參數(shù)估計(jì)精度，增強(qiáng)目標(biāo)識(shí)別能力，抑制混響等[11]。寬帶分裂波束探魚(yú)儀常用的寬帶信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)(Linear Frequency Modulation,LFM)[12]。

LFM表示形式為：

(1)

式中：s(t)—LFM表示形式；A—信號(hào)的幅度，dB；f0—中心頻率，Hz；t—時(shí)間，s；k—信號(hào)調(diào)頻斜率(k=B/T)，B—信號(hào)帶寬，Hz，T—信號(hào)脈寬，s;j表示虛數(shù)單位。

根據(jù)香農(nóng)信息定理[13]，對(duì)于理想系統(tǒng)，系統(tǒng)所能輸出的最大信息量與系統(tǒng)時(shí)寬和帶寬有關(guān)，增加時(shí)寬帶寬積是提高系統(tǒng)輸出信息量有效可行的方法。通過(guò)魚(yú)體反射的水聲回波信號(hào)采用脈沖壓縮技術(shù)進(jìn)行匹配濾波處理[14]?？傻玫捷敵鲂盘?hào)的包絡(luò)E(t)為：

(2)

在寬帶分裂波束探魚(yú)儀系統(tǒng)中增加帶寬可以在檢測(cè)相同目標(biāo)分辨率回波的情況下，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，提升探魚(yú)儀探測(cè)性能。圖2為通過(guò)寬帶LFM信號(hào)的匹配濾波區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)魚(yú)，發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)中心頻率為70 kHz，帶寬為30 kHz。由仿真結(jié)果可見(jiàn)，匹配濾波可以獲得較高的距離分辨率，有助于提高寬帶分裂波束探魚(yú)儀的性能。

圖2 LFM信號(hào)的脈沖壓縮

1.3 分裂波束技術(shù)

分裂波束技術(shù)運(yùn)用四個(gè)象限的換能器，通過(guò)連續(xù)發(fā)射和接收聲波，跟蹤物體在聲束中的位置[15-17]如圖3所示。運(yùn)用其目標(biāo)跟蹤技術(shù)可對(duì)魚(yú)體在測(cè)聲束內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡、游動(dòng)探測(cè)聲束的運(yùn)動(dòng)軌跡、游動(dòng)速率及方向等參數(shù)進(jìn)行測(cè)算；同時(shí)，利用分裂波束技術(shù)可以確定目標(biāo)在波束中的位置，并根據(jù)波束的指向性對(duì)偏離聲軸的回聲信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)類目標(biāo)強(qiáng)度的客觀估測(cè)[18]。當(dāng)單尾魚(yú)游過(guò)波束的探測(cè)區(qū)域時(shí)，連續(xù)多次脈沖記錄形成一個(gè)魚(yú)類的游動(dòng)軌跡，對(duì)該軌跡內(nèi)各脈沖估測(cè)的目標(biāo)強(qiáng)度(Target Strength，TS)進(jìn)行平均，即得到高精度的TS均值。

圖3 分裂波束目標(biāo)方位探測(cè)原理

根據(jù)分裂波束目標(biāo)方位探測(cè)原理圖和兩陣元接收信號(hào)的時(shí)間差可知[19],可以從中解算出目標(biāo)魚(yú)空間3D位置為：

(3)

式中：R—斜距，m；XA、YA、ZA為目標(biāo)的坐標(biāo)，m；θmx、θmy為x軸、y軸信號(hào)入射角，(°)。

分裂波束技術(shù)利用4個(gè)象限同時(shí)發(fā)射水聲信號(hào)，四個(gè)象限子陣獨(dú)立接收回波信號(hào)的特點(diǎn)，可以得出精確的相位差，從而算出精確的方位角與距離，但這樣的發(fā)射和接收方式，對(duì)于寬帶分裂波束探魚(yú)儀的探測(cè)距離帶來(lái)較大影響，在進(jìn)行性能評(píng)估時(shí)需要對(duì)發(fā)射基陣和接收基陣增益進(jìn)行分別建模，并引入系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)模型。

2 寬帶分裂波束探魚(yú)儀作用距離預(yù)報(bào)模型及主要影響因素

2.1 作用距離預(yù)報(bào)模型

寬帶分裂波束探魚(yú)儀探測(cè)性能預(yù)報(bào)通常需要根據(jù)相應(yīng)的聲吶方程，以及主要干擾因素的不同進(jìn)行解算，其探測(cè)性能依據(jù)噪聲和混響條件的不同表述成以下聲吶方程[20]：

工作在主要噪聲干擾區(qū)：

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

(4)

工作在主要混響干擾區(qū)：

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

(5)

式中：SE—信號(hào)余量，dB；SL—聲源級(jí)， dB；TL—傳播損失，dB；TS—目標(biāo)強(qiáng)度，dB；NL—環(huán)境噪聲， dB；RL—混響級(jí)，dB；DT—檢測(cè)域，dB。各參數(shù)計(jì)算方法由方程組(6)[21]求得。

(6)

式中：R—距離，m；α—海水吸收系數(shù)，dB/km；D—換能器直徑，m；λ—波長(zhǎng)，m；SpL—噪聲譜級(jí)(海況條件)，dB；P—功率，W；DI—基陣指向性，dB；d—檢測(cè)指數(shù)；B—帶寬，Hz；T—脈寬，s；σ—散射截面，m2。

2.2 海水吸收系數(shù)

傳播損失是描述聲波離聲源一定距離后聲波減弱的物理量。對(duì)于寬帶分裂波束探魚(yú)儀，傳播損失只需考慮球面擴(kuò)散和海水吸收[21]。海水吸收系數(shù)α，與信號(hào)頻率f有關(guān)，表示形式為：

α=0.1f2/(1+f2)+40f2/(4 100+f2)+2.75×10-4×f2+0.003

(7)

式中：α—海水吸收系數(shù)，dB/km；f—信號(hào)頻率，kHz。

2.3 混響級(jí)

聲波在水下傳播時(shí)，由于海面和海底的反射會(huì)產(chǎn)生界面混響，同時(shí)海洋生物、分布在海洋中的無(wú)生命物質(zhì)、海洋自身不均勻性均會(huì)產(chǎn)生體積混響。寬帶分裂波束探魚(yú)儀因換能器垂直向下發(fā)射脈沖，所以混響級(jí)主要是體積混響。體積混響級(jí)(RLv)為[22]：

RLV=SL-2TLR+Sv+10lgV

(8)

式中：Sv—散射強(qiáng)度，dB；φ—等效束寬，(°);TLR—混響背景下的傳播損失，dB;V=cφTR2/2、10lgφ=20lg (λ/πD)+7.7,為形成混響的總體積。

2.4 目標(biāo)強(qiáng)度

單體魚(yú)的目標(biāo)強(qiáng)度是衡量魚(yú)類對(duì)聲波反射能力的一個(gè)物理量，其主要取決于魚(yú)鰾的大小、形狀、聲波入射角、頻率[23]。單體魚(yú)目標(biāo)強(qiáng)度的確定主要有實(shí)驗(yàn)法和模型法，實(shí)驗(yàn)法的測(cè)量對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較高。模型法是將單體魚(yú)近似作為規(guī)則的幾何形狀，根據(jù)水聲學(xué)理論對(duì)其目標(biāo)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，具有高精度、低成本的優(yōu)點(diǎn)[24-26]。單體魚(yú)的目標(biāo)強(qiáng)度(TS)定義為：

TS=20lg (σbs/4π)

(9)

式中：σbs是魚(yú)體的聲學(xué)截面，m2。

3 寬帶分裂波束探魚(yú)儀探測(cè)性能仿真分析

3.1 探測(cè)性能仿真主要參數(shù)

結(jié)合我國(guó)遠(yuǎn)洋漁船的特點(diǎn)及典型寬帶分裂波束探魚(yú)儀，仿真使用參數(shù)如表1所示。

表1 寬帶分裂波束探魚(yú)儀探測(cè)性能仿真主要參數(shù)

目標(biāo)強(qiáng)度選取-20 dB，-30 dB，-50 dB；聲速選取1 500 m/s；脈沖寬度為4 ms；檢測(cè)指數(shù)5 lgd為10 dB。

3.2 噪聲背景下作用距離分析

將式(4)展開(kāi)：

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

(10)

令SE=0可得：

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

(11)

由式(11)可知工作距離與采用信號(hào)的帶寬無(wú)關(guān)，與聲源級(jí)、脈沖寬度和目標(biāo)強(qiáng)度有關(guān)。通過(guò)對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)級(jí)EL=SL-2TL+TS與噪聲掩蔽級(jí)NL+DT關(guān)系的分析，對(duì)不同海況下，不同目標(biāo)強(qiáng)度的單體目標(biāo)魚(yú)的工作距離仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 主要噪聲干擾區(qū)寬帶分裂波束探魚(yú)儀探測(cè)性能

由仿真結(jié)果可得，噪聲背景下不同頻率對(duì)不同目標(biāo)強(qiáng)度的作用距離如圖5所示。

由圖5可知相同頻率時(shí)不同海況下，噪聲對(duì)寬帶分裂波束探魚(yú)儀作用距離有較大的影響。如頻率為38 KHz時(shí)，六級(jí)海況與一級(jí)海況下對(duì)目標(biāo)強(qiáng)度為-20 dB、-30 dB、-50 dB魚(yú)的有效作用距離分別為915 m、687 m、332 m和1 335 m、1 058 m、583 m，可知六級(jí)海況下相較于一級(jí)海況下探測(cè)性能下降了30%左右。

3.3 混響背景下作用距離分析

由寬帶分裂波束探魚(yú)儀的探測(cè)方式可知影響探測(cè)距離的混響主要是體積混響。在體積混響下的聲吶方程為:

20lgR=TS-Sv+10lg2Bπ2D2/(Cλ2)-5lgd-7.7

(12)

由式(12)可知寬帶分裂波束探魚(yú)儀有效工作距離與散射強(qiáng)度、換能器直徑、信號(hào)帶寬直接相關(guān)。信號(hào)帶寬越寬，波束越窄，抗混響能力越強(qiáng)。通過(guò)對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)級(jí)EL=SL-2TL+TS與混響掩蔽級(jí)RLv+DT關(guān)系的分析，在不同海況、不同目標(biāo)強(qiáng)度魚(yú)的有效工作距離仿真結(jié)果如圖6。

由圖6可知體積混響對(duì)目標(biāo)魚(yú)的有效作用距離有較大的影響，寬帶系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗混響能力。如頻率為70 kHz時(shí)，在發(fā)射窄帶信號(hào)系統(tǒng)下，對(duì)目標(biāo)強(qiáng)度為-20 dB、-30 dB和-50 dB魚(yú)的有效作用距離分別為539 m、191 m和30 m；在發(fā)射帶寬為7 kHz的信號(hào)系統(tǒng)下，對(duì)目標(biāo)強(qiáng)度為-20 dB、-30 dB和-50 dB魚(yú)的有效作用距離分別為1 177 m、423 m和36 m；在發(fā)射帶寬為14 kHz的信號(hào)系統(tǒng)下，對(duì)目標(biāo)強(qiáng)度為-20 dB、-30 dB和-50 dB魚(yú)的有效作用距離分別為1 560 m、549 m和54 m；在發(fā)射帶寬為30 kHz的信號(hào)系統(tǒng)下，對(duì)目標(biāo)強(qiáng)度為-20 dB、-30 dB和-50 dB魚(yú)的有效作用距離分別為大于1 600 m、672 m和82 m?？梢?jiàn)當(dāng)帶寬由載頻的10%增加到40%時(shí)，探測(cè)距離也隨之增大。

圖5 主要噪聲干擾區(qū)不同頻率下作用距離

圖6 主要混響干擾區(qū)不同帶寬下探測(cè)性能

綜上，體積混響對(duì)寬帶分裂波束探魚(yú)儀探測(cè)性能有較大影響。由仿真分析可知，可以采取降低體積混響回波級(jí)和提高信號(hào)帶寬的方式來(lái)提升系統(tǒng)抗體積混響能力，降低混響回波可采用加大信號(hào)的發(fā)射脈寬和波束開(kāi)角盡量小的辦法，其中波束開(kāi)角的減小是以增加換能器基陣大小為條件，信號(hào)的帶寬增加也由于換能器基陣能力以及整個(gè)寬帶分裂波束探魚(yú)儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所限，對(duì)軟硬件實(shí)現(xiàn)難度明顯增加。

3.4 工作在混響與噪聲混疊區(qū)域

噪聲與混響的干擾級(jí)為：

IL=RLV+10lg (a+1)

(13)

由圖7可知在發(fā)射窄帶信號(hào)系統(tǒng)下，對(duì)目標(biāo)強(qiáng)度為-20 dB、-30 dB和-50 dB魚(yú)的有效作用距離分別為410 m、151 m和52 m?？芍獙?duì)于小目標(biāo)強(qiáng)度魚(yú)有效作用距離的影響主要是體積混響，而對(duì)大目標(biāo)強(qiáng)度魚(yú)有效作用距離的影響主要是噪聲；在發(fā)射寬帶信號(hào)系統(tǒng)下，對(duì)目標(biāo)強(qiáng)度為-20 dB、-30 dB和-50 dB魚(yú)的有效作用距離分別為910 m、532 m和196 m?？芍藭r(shí)對(duì)于目標(biāo)魚(yú)有效作用距離的影響主要是噪聲。

圖7 主要噪聲和混響混疊干擾區(qū)寬帶分裂波束探魚(yú)儀探測(cè)性能

綜上，寬帶分裂波束探魚(yú)儀探測(cè)性能受噪聲和體積混響綜合影響，在深海區(qū)域主要是噪聲影響。采用窄帶信號(hào)時(shí)，對(duì)不同目標(biāo)強(qiáng)度魚(yú)有較大影響；采用寬帶信號(hào)時(shí)，可以大幅度抑制混響的影響。

4 結(jié)論

在主動(dòng)聲吶方程基礎(chǔ)上，結(jié)合寬帶分裂波束探魚(yú)儀的關(guān)鍵技術(shù)，討論了不同背景下影響探測(cè)性能的因素。通過(guò)仿真明確了頻率、帶寬和不同海況對(duì)寬帶分裂波束探魚(yú)儀探測(cè)性能的影響。其中噪聲對(duì)探測(cè)性能有較大影響，在噪聲干擾區(qū)、相同頻率下，六級(jí)海況相較于一級(jí)海況時(shí)探測(cè)性能下降約30%；對(duì)寬帶系統(tǒng)與窄帶系統(tǒng)下建模仿真分析，得出寬帶系統(tǒng)具有良好的抗混響能力且探測(cè)距離隨帶寬的增加而增大；對(duì)目標(biāo)魚(yú)的回波信號(hào)在寬帶系統(tǒng)下處理，得出寬帶系統(tǒng)可以提高探測(cè)目標(biāo)魚(yú)的距離分辨率。這對(duì)寬帶分裂波束探魚(yú)儀的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了參考。

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