岳 雷, 姜春華, 羅 松, 王心怡, 納杰斯, 馬 雪, 劉寶軍, 何其煜, 丁明惠

低頻寬帶多波束聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

岳 雷, 姜春華, 羅 松, 王心怡, 納杰斯, 馬 雪, 劉寶軍, 何其煜, 丁明惠

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心, 云南 昆明, 650051)

聲學(xué)方法探測(cè)沉底及掩埋小目標(biāo)在沉埋雷探測(cè)、海洋油氣田管線定位等軍民技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域有著迫切需求及重要意義。文中概述了淺地層剖面儀、合成孔徑聲吶及海底三維成像系統(tǒng)等幾種主流聲學(xué)探測(cè)沉底及掩埋目標(biāo)技術(shù)裝備的現(xiàn)狀及特點(diǎn), 分析了各自優(yōu)勢(shì)及存在的不足。并針對(duì)沉底及掩埋有限長(zhǎng)管線目標(biāo)探測(cè)需求, 分析了低頻寬帶多波束聲吶探測(cè)沉底及掩埋有限長(zhǎng)管線目標(biāo)的混響抑制及空間分辨能力, 設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)、使用方式、聲探測(cè)基陣技術(shù)方案、硬件技術(shù)方案、信號(hào)處理流程、軟件界面及軟件處理流程, 歸納總結(jié)了文中設(shè)計(jì)的低頻寬帶多波束聲吶系統(tǒng)特點(diǎn), 在湖上完成了沉底有限長(zhǎng)管線目標(biāo)的試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明, 低頻寬帶多波束聲吶能可靠并有效地探測(cè)沉底管線目標(biāo)。

聲學(xué)探測(cè); 沉底及掩埋小目標(biāo); 管線; 低頻寬帶多波束聲吶

0 引言

水下沉底及掩埋小目標(biāo)的探測(cè)在軍事及民用領(lǐng)域有著重要意義, 如海戰(zhàn)中探測(cè)到敵方布放的水雷后掃雷以減小我方損失; 定位海洋油氣田沉埋管線的路由, 估計(jì)其懸跨或埋設(shè)深度, 掌握海底管線情況, 及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并予以排除, 保障海底管線的安全運(yùn)行等[1]。

探測(cè)沉底小目標(biāo)需要有足夠高的空間分辨率, 因此, 探測(cè)信號(hào)需要有較高的距離分辨率, 檢測(cè)波束需要有較高的空間角度分辨率; 探測(cè)掩埋目標(biāo)還需要考慮聲波對(duì)海底有一定深度的穿透能力, 探測(cè)信號(hào)的頻率通常在40 kHz以內(nèi)[2]。因此, 要同時(shí)具備以上探測(cè)能力, 宜采用低頻寬帶聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)。聲學(xué)方法探測(cè)掩埋小目標(biāo)面臨的技術(shù)難點(diǎn)主要包括目標(biāo)的有效“照射”和有效接收問(wèn)題、海底界面的強(qiáng)混響干擾、小目標(biāo)散射特性的空間不均勻性問(wèn)題等[3]。

目前, 探測(cè)沉底及掩埋小目標(biāo)采用的聲學(xué)探測(cè)技術(shù)和裝備包括淺地層剖面儀、合成孔徑聲吶及海底三維成像系統(tǒng)[4]。

從20世紀(jì)70年代起, 國(guó)外學(xué)者就開(kāi)始了淺剖探測(cè)技術(shù)的研究, 目前其淺地層剖面探測(cè)技術(shù)比較成熟, 已實(shí)現(xiàn)淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)的產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化及系列化。國(guó)際從事深海淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商主要有: 美國(guó)的EdgeTech、Teledyne和SyQwest, 挪威的Kongsberg和德國(guó)的Innomar等公司[4]。其中: Innomar公司生產(chǎn)了可以船載的SES-96、SES2000參量陣剖面儀、Chirp III淺地層剖面儀等[5-7]; Kongsberg公司研制的TOPAS PS 180可以在全海深(11 000 m)實(shí)現(xiàn)高分辨率的淺地層剖面測(cè)量, 差頻發(fā)射聲源級(jí)達(dá)204 dB, 可穿透200 m的黏土底質(zhì), 獲得0.15 m的垂直分辨率。圖1為TOPAS PS 180淺地層剖面儀的系統(tǒng)組成圖, 圖2為典型淺地層剖面儀探測(cè)到的掩埋管線圖。Deimling等[8]研究了參量陣技術(shù)在不同掠射角下探測(cè)掩埋電纜的性能, 理論分析及試驗(yàn)結(jié)果表明, 40°掠射角時(shí), 在泥質(zhì)沉積層中, 掩埋電纜的回波信混比最大, 探測(cè)效果最好。Tesei等[9]研究了有限長(zhǎng)圓柱體目標(biāo)的低頻聲散射特性, 并采用參量發(fā)射陣發(fā)射1~15 kHz的差頻寬帶探測(cè)信號(hào), 128陣元的接收陣(孔徑11.41 m)接收回波經(jīng)多波束信號(hào)處理, 完成了掩埋目標(biāo)的探測(cè)。

低頻合成孔徑聲吶技術(shù)是一種穿透性好、分辨率高的成像聲吶系統(tǒng), 可搭載在無(wú)人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)、水面船等多種平臺(tái)上, 用以完成掩埋小目標(biāo)成像、地貌成像、海底管道探測(cè), 以及海底光纜探測(cè)等多種復(fù)雜任務(wù)[10]。

圖1 TOPAS PS 180淺地層剖面儀系統(tǒng)組成圖

圖2 淺地層剖面儀探測(cè)到的沉埋管線圖

近幾年, 國(guó)內(nèi)蘇州桑泰海洋儀器公司成功研制了高低頻組合應(yīng)用的雙頻合成孔徑聲吶, 其低頻采用8~16 kHz、高頻采用100~120 kHz的寬帶探測(cè)信號(hào), 低頻合成孔徑聲吶方位向(航向)的分辨率為0.20 m、距離向(橫向)的分辨率為0.10 m, 最大探測(cè)埋深為2 m; 高頻合成孔徑聲吶方位向(航向)的分辨率為0.08 m, 距離向(橫向)的分辨率為0.05 m。圖3所示為雙頻合成孔徑聲吶外形圖, 圖4為雙頻合成孔徑聲吶探測(cè)的掩埋線纜。此外, Xiang等[11]研究了淺水低頻合成孔徑聲吶抑制多徑的信號(hào)處理方法, 研制了適用于自主式水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)搭載的合成孔徑聲吶樣機(jī)并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證; Williams[12]研究了合成孔徑聲吶的一種快速成像方法, 已完成多次海試, 取得了較好的探測(cè)效果。

海底三維成像系統(tǒng)基于高效率的軟硬件數(shù)據(jù)處理技術(shù), 并采用高低頻聲學(xué)探測(cè)組合方式, 可對(duì)一定范圍和尺度下的海底底質(zhì)進(jìn)行三維成像。2016年, 英國(guó)南安普頓國(guó)家海洋學(xué)中心研發(fā)了Chirp型海底三維成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)重203 kg, 尺寸為4.35 m× 3.10 m×1.95 m, 工作頻率1.5~13 kHz, 接收陣列共有240個(gè)水聽(tīng)器, 水平面的分辨率為0.25 m×0.25 m, 可以對(duì)海底掩埋物進(jìn)行成像, 其外形如圖5所示, 其探測(cè)的目標(biāo)成像如圖6所示。圖中, 縱坐標(biāo)twt表示雙程傳播時(shí)間[13]。

圖3 雙頻合成孔徑聲吶外形圖

圖4 雙頻合成孔徑聲吶探測(cè)的掩埋線纜圖

圖5 Chirp型海底三維成像系統(tǒng)外形圖

圖6 Chirp型海底三維成像系統(tǒng)探測(cè)的掩埋目標(biāo)成像圖

Hamschin等[14]根據(jù)目標(biāo)的散射函數(shù)(或頻率響應(yīng))設(shè)計(jì)了最優(yōu)聲吶探測(cè)波形, 對(duì)于沉底目標(biāo)的探測(cè)性能較好, 但對(duì)于全掩埋目標(biāo)來(lái)說(shuō), 寬帶線性調(diào)頻信號(hào)比最優(yōu)聲吶探測(cè)波形有著更好的探測(cè)性能。

此外, 將時(shí)反(time reversal, TR)和多輸入多輸出(multiple input multiple output, MIMO)結(jié)合的聲學(xué)探測(cè)沉底或掩埋目標(biāo)技術(shù)[15-16]以及仿生探測(cè)技術(shù)方法[17-18]也有相關(guān)研究, 但都停留在理論分析和實(shí)驗(yàn)室研究階段。

淺地層剖面技術(shù)具有較強(qiáng)的沉積層穿透能力, 但其目前只能采用的單波束工作方式?jīng)Q定了其較低的探測(cè)效率; 低頻合成孔徑聲吶技術(shù)兼具一定穿透沉積層的能力和較高的航向分辨率(該分辨率和其物理孔徑大小無(wú)關(guān)), 但也存在只能后處理而不能實(shí)時(shí)處理的不足; 海底三維成像系統(tǒng)對(duì)掩埋物具有較高的成像分辨能力, 但較高的分辨能力也表明其物理孔徑不會(huì)太小, 該工作方式限制了其應(yīng)用環(huán)境。

針對(duì)當(dāng)前幾種主流聲學(xué)探測(cè)沉埋目標(biāo)技術(shù)裝備的不足, 根據(jù)沉底及掩埋有限長(zhǎng)管線目標(biāo)探測(cè)需求, 文中設(shè)計(jì)了低頻寬帶多波束聲吶(如非特別說(shuō)明, 后文簡(jiǎn)稱多波束聲吶)系統(tǒng),并完成了探測(cè)沉底管線目標(biāo)的湖上試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 低頻寬帶多波束聲吶探測(cè)能力分析

探測(cè)沉底及掩埋有限長(zhǎng)管線目標(biāo)過(guò)程中, 海底混響是多波束聲吶的主要干擾, 通過(guò)分析多波束聲吶探測(cè)目標(biāo)回波信混比及探測(cè)目標(biāo)分辨能力, 可為多波束聲吶提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1.1 多波束聲吶探測(cè)目標(biāo)回波信混比分析

沉底及掩埋有限長(zhǎng)管線目標(biāo)回波信混比為[19-21]

對(duì)于沉底有限長(zhǎng)管線目標(biāo)來(lái)說(shuō), 其目標(biāo)強(qiáng)度為[19-21]

對(duì)于沉埋有限長(zhǎng)管線目標(biāo)來(lái)說(shuō), 還需考慮聲波穿透沉積層2次透射及傳播衰減引起的目標(biāo)強(qiáng)度變化量, 其目標(biāo)強(qiáng)度為[21-22]

其中

根據(jù)式(1)~式(4)及文獻(xiàn)[12]分析, 沉底及掩埋有限長(zhǎng)管線目標(biāo)的探測(cè)宜采用小掠射角方式探測(cè)(即側(cè)掃聲吶工作方式), 該探測(cè)方式可在提高目標(biāo)回波信混比的同時(shí)擴(kuò)大探測(cè)范圍(即提高探測(cè)效率)。

根據(jù)式(1)~式(4)可知, 掩埋有限長(zhǎng)管線目標(biāo)的探測(cè), 其目標(biāo)回波信混比受沉積層特性影響大, 而大部分淺海大陸架屬于高聲速海底, 因此取Hamilton對(duì)沉積層分類中的泥類分析目標(biāo)回波信混比; 受遙控水下航行器(remotely operated vehicle, ROV)安裝限制, 多波束聲吶聲探測(cè)基陣尺寸不能太大; 為保證聲波對(duì)沉積層有一定的穿透能力, 宜采用低頻探測(cè)信號(hào)。仿真多波束聲吶探測(cè)沉底及掩埋有限長(zhǎng)管線目標(biāo)回波信混比如圖7和圖8所示, 相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖7 探測(cè)信號(hào)頻率不同時(shí)目標(biāo)回波信混比隨掩埋深度變化曲線

圖8 掠射角不同時(shí)目標(biāo)回波信混比隨掩埋深度變化曲線

表1 掩埋目標(biāo)及沉積層參數(shù)列表

圖7仿真結(jié)果表明, 探測(cè)信號(hào)的頻率越低,可探測(cè)管線目標(biāo)的掩埋深度越大; 圖8仿真結(jié)果表明, 掠射角越小, 可探測(cè)管線的掩埋深度越大。

1.2 多波束聲吶探測(cè)目標(biāo)分辨能力分析

為提高混響抑制能力及橫向分辨能力, 宜采用寬帶探測(cè)信號(hào)。寬帶線性調(diào)頻信號(hào)具有良好的混響抑制能力及脈沖壓縮特性, 采用5~15 kHz的線性調(diào)頻信號(hào)作為探測(cè)信號(hào)。

圖9 多波束聲吶探測(cè)范圍及分辨率示意圖

2 低頻寬帶多波束聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 多波束聲吶系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)多波束聲吶探測(cè)能力分析, 滿足泥類沉積層下沉底和一定掩埋深度(如1 m)有限長(zhǎng)管線目標(biāo)的探測(cè)需求, 并適用于ROV搭載, 設(shè)計(jì)的多波束聲吶技術(shù)指標(biāo)為:

1) 探測(cè)范圍不小于50 m×20 m;

2) 可探測(cè)沉底及掩埋深度不大于2 m的海底管線目標(biāo);

3) 多波束聲吶的橫向分辨率優(yōu)于0.10 m, 航向分辨率優(yōu)于0.30 m。

圖10為海底管線探測(cè)及定位原理圖。ROV搭載多波束聲吶在海床上定高航行, 通過(guò)多波束聲吶探測(cè)海底管線相對(duì)于ROV的方位及距離, ROV相對(duì)于水面支持船的位置由船上安裝的超短基線聲吶(ultra-short baseline, USBL)測(cè)量, 水面支持船的位置由船用全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)定位設(shè)備測(cè)量, 通過(guò)數(shù)據(jù)融合處理估計(jì)海底管線路由、沉埋、懸跨參數(shù)和大地坐標(biāo)位置。圖11所示為設(shè)計(jì)的多波束聲吶及安裝效果圖。

圖10 海底管線探測(cè)及定位原理圖

圖11 多波束聲吶安裝效果圖

圖12為多波束聲吶和各測(cè)量設(shè)備的供電及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議圖。多波束聲吶獲取的回波數(shù)據(jù)量大, ROV到水面支持船的臍帶纜長(zhǎng)將多波束聲吶獲取的回波在水下轉(zhuǎn)換成光信號(hào), 并傳輸?shù)剿娴挠?jì)算機(jī)進(jìn)行處理。船用GPS、USBL和高度計(jì)獲取的數(shù)據(jù)量小, 可采用RS485串口傳輸。

圖12 多波束聲吶和各測(cè)量設(shè)備供電及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議圖

2.2 多波束聲吶聲探測(cè)基陣方案設(shè)計(jì)

目標(biāo)的有效“照射”是探測(cè)沉底及掩埋目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù), 解決這一關(guān)鍵技術(shù)需同時(shí)兼顧探測(cè)效率及空間抑制混響能力, 從傳感器角度考慮, 宜采用面尺度發(fā)射基陣和檢測(cè)基陣。圖13為設(shè)計(jì)的聲探測(cè)基陣及安裝結(jié)構(gòu), 安裝傾角可調(diào)(具有30°、45°、60°共3個(gè)角度), 圖14為聲探測(cè)基陣陣元尺寸及間距。

圖13 聲探測(cè)基陣及安裝結(jié)構(gòu)圖

圖14 聲探測(cè)基陣陣元尺寸及間距圖(單位: mm)

發(fā)射基陣采取2×2組陣方式, 換能器為喇叭型, 陣元間距0.14 m; 檢測(cè)基陣為2個(gè)12×4面陣形式, 安裝在發(fā)射基陣的兩側(cè), 陣元間距0.05 m。為進(jìn)一步提高探測(cè)目標(biāo)的空間混響抑制能力, 約束檢測(cè)基陣的長(zhǎng)度方向每陣元指向性50°~60°、寬度方向每陣元指向性30°~40°; 為避免水面后向反射回波對(duì)檢測(cè)的影響, 設(shè)計(jì)檢測(cè)基陣后輻射抑制不小于10 dB。

圖15 實(shí)測(cè)換能器發(fā)射響應(yīng)曲線

圖16 實(shí)測(cè)換能器檢測(cè)靈敏度曲線

2.3 多波束聲吶硬件方案設(shè)計(jì)

多波束聲吶硬件用于實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的功率放大, 聲檢測(cè)信號(hào)的采集、傳輸及模擬預(yù)處理。多波束聲吶硬件組成見(jiàn)圖17, 包括聲發(fā)射功放、電源管理模塊、前置放大電路及信號(hào)采集電路。其中, 前置放大電路包括放大電路和濾波電路。為了增加信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍, 前端加入了程控放大器, 其組成框圖和信號(hào)處理流程見(jiàn)圖18。

圖17 多波束聲吶硬件設(shè)計(jì)組成框圖

圖18 聲信號(hào)處理電路組成框圖

帶通濾波器的帶通濾波電路設(shè)計(jì)為8階Bu- tterworth、濾波頻帶為1~30 kHz。AD采集器基于FPGA設(shè)計(jì), 具備同時(shí)24通道200 kS/s速率與16 bit精度的信號(hào)采集能力, 基于用戶數(shù)據(jù)報(bào)(user datagram protocol,), 采用千兆以太網(wǎng)傳輸采集數(shù)據(jù)。

2.4 多波束聲吶軟件設(shè)計(jì)

1) 多波束聲吶信號(hào)處理設(shè)計(jì)

多波束聲吶信號(hào)處理流程見(jiàn)圖19, 其步驟如下。

圖19 多波束聲吶信號(hào)處理流程圖

a. 數(shù)字帶通濾波

采用數(shù)字有限沖激響應(yīng)(finite impulse respo- nse, FIR)帶通濾波器濾除回波信號(hào)頻帶外的噪聲, 濾波器階數(shù)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定, 文中設(shè)計(jì)的濾波器階數(shù)為64、濾波頻帶為3~20 kHz。

b. 無(wú)畸變高分辨多波束形成

沿檢測(cè)基陣長(zhǎng)度方向形成多個(gè)無(wú)畸變高分辨空間檢測(cè)波束, 將經(jīng)過(guò)數(shù)字帶通濾波的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)處理, 同多個(gè)空間檢測(cè)波束相乘, 獲取每個(gè)波束域的回波信號(hào), 即

其中

式中,表示陣元間距。

c.回波包跡獲取

將獲取的多個(gè)高分辨波束域數(shù)據(jù)同發(fā)射信號(hào)在頻域進(jìn)行脈沖壓縮處理, 再進(jìn)行抗混響濾波, 獲取回波包跡。

d.像素融合

由不同波束域的回波包跡生成像素網(wǎng)格, 并對(duì)像素網(wǎng)格進(jìn)行歸位、校準(zhǔn)及融合, 最終實(shí)現(xiàn)對(duì)沉埋管線的探測(cè)。

2) 基于LabVIEW平臺(tái)的多波束聲吶軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)多波束聲吶使用需求, 設(shè)計(jì)的多波束聲吶軟件如圖20所示, 軟件界面包括用戶配置區(qū)、圖形界面顯示區(qū)、數(shù)據(jù)通信監(jiān)控區(qū)及結(jié)果顯示區(qū)。其中: 用戶配置區(qū)用于發(fā)射信號(hào)參數(shù)設(shè)置、接收信號(hào)的程控放大倍數(shù)設(shè)置等功能實(shí)現(xiàn); 圖形界面顯示區(qū)用于探測(cè)信號(hào)及回波的時(shí)域顯示、估計(jì)的目標(biāo)角度及距離波形顯示、目標(biāo)聲圖顯示; 數(shù)據(jù)通信監(jiān)控區(qū)用于監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài); 結(jié)果顯示區(qū)用于目標(biāo)角度、距離及回波強(qiáng)度的顯示。

多波束聲吶軟件流程如圖21所示, 軟件具備實(shí)時(shí)探測(cè)和數(shù)據(jù)回放2種工作方式。

圖20 多波束聲吶圖形用戶界面

圖21 多波束聲吶軟件流程圖

2.5 多波束聲吶系統(tǒng)特點(diǎn)

1) 多波束聲吶分別有30°、45°和60°共3個(gè)可調(diào)的安裝傾角, 適應(yīng)ROV搭載, 使用方式靈活便捷;

2) 多波束聲吶采用低頻寬帶探測(cè)信號(hào), 可同時(shí)兼顧沉底及掩埋有限長(zhǎng)管線目標(biāo)的探測(cè)需求, 探測(cè)效率高;

3) 多波束聲吶聲探測(cè)基陣及硬件平臺(tái)具有良好的信號(hào)發(fā)射、采集、傳輸及預(yù)處理性能;

4) 多波束聲吶信號(hào)處理方法基于FFT算法, 采用Labview軟件實(shí)現(xiàn), 具有實(shí)時(shí)性好、開(kāi)發(fā)效率高的特點(diǎn);

5) 多波束聲吶系統(tǒng)采用TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議, 方便后續(xù)目標(biāo)融合定位及顯控處理。

3 多波束聲吶探測(cè)沉底管線試驗(yàn)

在湖試水域完成多波束聲吶探測(cè)沉底管線試驗(yàn), 該水域水深大于25 m, 試驗(yàn)方案見(jiàn)圖22。

圖22 多波束聲吶探測(cè)沉底管線試驗(yàn)方案圖

試驗(yàn)船?？吭诖a頭外側(cè), 將管線布放在距離試驗(yàn)船30 m處并沉底, ROV入水定高航行, 航行高度約20 m, 勻速近似平行管線(不大于±10°, 距管線水平距離在10~30 m之間)航行, 多波束聲吶實(shí)時(shí)探測(cè)并返回探測(cè)結(jié)果。圖23為管線布放及ROV入水航行現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖23 管線布放及遙控水下航行器入水航行試驗(yàn)

圖24為低頻寬帶多波束聲吶軟件界面及沉底管線探測(cè)結(jié)果圖。試驗(yàn)探測(cè)到的目標(biāo)回波顯著, 背景均勻。圖25為海底管線探測(cè)信息綜合處理軟件界面及沉底管線定位結(jié)果圖, 圖中坐標(biāo)(0, 0)為試驗(yàn)船上USBL位置, 黃色區(qū)域?yàn)镽OV航跡, 紅色區(qū)域?yàn)槎ㄎ坏墓芫€位置。

圖24 多波束聲吶軟件界面及沉底管線探測(cè)結(jié)果圖

圖25 海底管線探測(cè)信息綜合處理軟件界面及沉底管線定位結(jié)果圖

圖24和圖25表明設(shè)計(jì)的多波束聲吶能夠可靠并穩(wěn)定地探測(cè)到有限長(zhǎng)沉底管線, 結(jié)合船用GPS、USBL、高度計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù), 能可靠并穩(wěn)定計(jì)算出管線路由。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中基于聲吶方程、海底沉積層聲傳播特性及待探測(cè)管線目標(biāo)聲反射特性, 設(shè)計(jì)并研制了適用于淺水環(huán)境下的低頻寬帶多波束聲吶, 該聲吶具有使用方式靈活、探測(cè)效率高、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn);在湖上完成了沉底管線的探測(cè)試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明, 低頻寬帶多波束聲吶能可靠并有效地探測(cè)沉底管線目標(biāo)。文中設(shè)計(jì)的低頻寬帶多波束聲吶系統(tǒng)具有良好的工程應(yīng)用前景。下一步將繼續(xù)開(kāi)展低頻寬帶多波束聲吶探測(cè)掩埋管線目標(biāo)的試驗(yàn)研究及其在深水區(qū)域探測(cè)沉底及掩埋目標(biāo)的適應(yīng)性研究。

[1] 韓孝輝, 李亮, 茍鵬飛. 探測(cè)海底輸油氣管線狀態(tài)的方法[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào), 2017, 14(6): 11-17.Han Xiao-hui, Li Liang, Gou Peng-fei. Methods for Detecting the State of Submarine Oil and Gas Pipeline[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2017,14(6): 11-17.

[2] 陳思行, 劉亮. 一種海底小目標(biāo)近距離探測(cè)系統(tǒng)及試驗(yàn)研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2017, 39(4): 135-139. Chen Si-xing, Liu Liang. A Kind of Seafloor Small Target Close Detection System and Its Experimental Research[J]. Ship Science and Technology, 2017, 39(4): 135-139.

[3] 陳曉鵬, 周利生. 掩埋小目標(biāo)聲探測(cè)技術(shù)研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2012, 31(1): 30-35.Chen Xiao-peng, Zhou Li-sheng. Review of Current Status of Buried-object Detection Techniques[J]. Technical Acoustics, 2012, 31(1): 30-35.

[4] 楊敏, 宋湦, 王芳, 等. 掩埋海底管道探測(cè)方法及新技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 海洋科學(xué), 2015, 39(6): 129-132.Yang Min, Song Sheng, Wang Fang, et al. Discussion Methods of Buried Submarine Pipeline Detection and Application of New Technology[J]. Marine Sciences, 2015, 39(6): 129-132.

[5] 張同偉, 秦升杰, 王向鑫, 等．深海淺地層剖面探測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀及展望[J].工程地球物理學(xué)報(bào), 2018, 15(5): 547- 554. Zhang Tong-wei, Qin Sheng-jie, Wang Xiang-xin, et al. Technical Status and Development Trend of Deep Sea Sub-bottom Profiler[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2018, 15(5): 547-554.

[6] 王圣豹. 多波束參量陣淺地層剖面儀測(cè)深分機(jī)接收與采集電路設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2012.

[7] 魏志強(qiáng), 張志強(qiáng), 蔣俊杰. 淺地層剖面儀在大亞灣海底管道檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 海洋測(cè)繪, 2009, 29(6): 71-73.Wei Zhi-qiang, Zhang Zhi-qiang, Jiang Jun-jie. Application of Subbottom Profiler in Inspecting Investigation of Daya Bay Seabed Pipeline[J]. Hydrogaphic surveying and charting, 2009, 29(6): 71-73.

[8] Deimling J S V, Held P, Feldens P, et al. Effects of Using Inclined Parametric Echosounding on Sub-bottom Acoustic Imaging and Advances in Buried Object Detection[J]. Geo-Marine Letters, 2016, 36(2): 113-119.

[9] Tesei A, Fawcett J A, Lim R. Physics-based Detection of Man-made Elastic Objects Buried in High-density-clutter Areas of Saturated Sediments[J]. Applied Acoustics, 2008, 69(5): 422-437.

[10] 謝思捷. 灘涂掩埋管道探測(cè)與定位關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2017.

[11] Xiang P, Chen Q, Wen X, et al. Shallow-water Wideband Low-frequency Synthetic Aperture Sonar for an Autonomous Underwater Vehicle[J]. Ocean Engineering, 2016, 118: 117-129.

[12] Williams D P. Fast Target Detection in Synthetic Aperture Sonar Imagery: A New Algorithm and Large-Scale Perfor- mance Analysis[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2015, 40(1): 71-92.

[13] Gutowski M, Malgorn J, Vardy M. 3D Sub-bottom Profiling—High Resolution 3D Imaging of Shallow Subsurface Structures and Buried Objects[C]//Oceans 2015, Genova: IEEE, 2015.

[14] Hamschin B, Loughlin P. Sonar Waveform Design for Optimum Target Detection: The Impact of Object Burial State[C]//Oceans 2010.Sydney: IEEE, 2010.

[15] 丁振平. TR-MIMO聲納探測(cè)方法與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2014.

[16] 李斯. 分布式相控MIMO聲納探測(cè)及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2014.

[17] 岳雷. 一種基于雙極性脈沖信號(hào)的沉底及掩埋小目標(biāo)探測(cè)方法[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2019, 40(1): 146-155.Yue Lei. A Detection Method Based on Bipolar Pulse for Undersea and Buried Small Targets[J]. Acta Armamentarii, 2019, 40(1): 146-155.

[18] 岳雷, 姜春華. 一種沉底小目標(biāo)的主動(dòng)高頻仿生波形分析及探測(cè)方法[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2016, 35(4): 325-330.Yue Lei, Jiang Chun-hua.The Active High Frequency Bionic Waveform Analysis and Bionic Detection Method for Small Target at Sea Bottom[J]. Technical Acoustics, 2016, 35(4): 325-330.

[19] Dix J K. 3D High-resolution Acoustic Imaging of the Sub- seabed[J]. Applied Acoustics, 2008, 69(5): 412-421.

[20] 劉伯勝, 雷家煜. 水聲學(xué)原理[M]. 2版. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2010:232-233.

[21] 汪德昭, 尚爾昌. 水聲學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2013: 28-32,267-279.

[22] 萬(wàn)琳, 范軍, 湯渭霖. 海底掩埋物的目標(biāo)強(qiáng)度和回聲信混比[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 31(2): 151-157.Wan Lin, Fan Jun, Tang Wei-lin. The Target Strength and Echo-to-reverberation Ratio of a Buried Target in Sediment[J]. Acta Acustca, 2006, 31(2): 151-157.

[23] 潘云龍, 廖小滿. 基于 LabVIEW系統(tǒng)的水聲測(cè)向方法設(shè)計(jì)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2016, 38(7): 91-94.Pan Yun-long, Liao Xiao-man. Direction Detecting of Underwater Acoustic Based on Labview System[J]. Ship Science and Technology, 2016, 38(7): 91-94.

[24] 王偉印, 陳毅, 王世全, 等. 基于LabVIEW的換能器輻射聲場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[J]. 聲學(xué)與電子工程, 2019(1): 24-28.

Design and Experimental Research of Low-Frequency Broadband Multi-Beam Sonar System

YUE Lei, JIANG Chun-hua, LUO Song, WANG Xin-yi, NA Jie-si, MA Xue, LIU Bao-jun, HE Qi-yu, DING Ming-hui

(Kunming Shipbuilding Equipment Research and Test Center, Kunming 650051, China)

The present situation and characteristics of the acoustic detection technology and equipment for submerged and buried targets, including sub-bottom profiler, synthetic aperture sonar, and three-dimensional imaging systems, are summarized, and their problems and shortcomings are analyzed. In view of the detection requirements for length-finite submerged and buried pipeline targets, the reverberation suppression and spatial discrimination ability of the low-frequency broadband multi-beam sonar for detecting submerged and buried pipeline targets are analyzed. The technical specification, usage mode, technical scheme of acoustic detection array, signal processing flow, software interface and software processing flow are designed. The characteristics of the designed low-frequency broadband multi-beam sonar are summarized. The lake trial of submerged and length-finite pipeline targets detection verifies that the low-frequency broadband multi-beam sonar can detect the submerged pipeline targets reliably and effectively.

acoustic detection; submerged and buried small target; pipeline; low-frequency broadband multi-beam sonar

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4. 王魯軍. 國(guó)外低頻主動(dòng)拖曳聲吶發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(3).

5. 朱少豪, 楊益新, 汪勇. 圓柱陣特征波束分解與綜合超指向性波束形成方法[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 27(5).

6. 何心怡, 高賀, 盧軍. 逆合成孔徑成像在魚(yú)雷真假目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用及展望[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2017, 25(4).

TJ630; TB566

A

2096-3920(2020)01-0097-10

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.01.014

岳雷, 姜春華, 羅松, 等. 低頻寬帶多波束聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(1): 97-106.

2019-05-06;

2019-07-08.

岳 雷(1988-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向?yàn)樗滦盘?hào)與信息處理.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)