吳陳波，諶志新，李國棟，湯濤林，許明昌，劉 晃

(1 中國水產(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距離傳遞信息的載體[1]。寬帶分裂波束探魚儀是利用水聲技術(shù)，進(jìn)行海洋生物資源探測、評(píng)估、魚類行為特性研究的主要工具，寬帶分裂波束探魚儀可以進(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)用中越來越受到重視。

有效作用距離是反映寬帶分裂波束探魚儀探測性能的重要指標(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目標(biāo)強(qiáng)度等[7-8]。

本研究從寬帶分裂波束探魚儀基本原理出發(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儀探測距離的預(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)寬帶分裂波束探魚儀探測距離的影響。

1 寬帶分裂波束探魚儀基本原理及關(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)探測目標(biāo)魚信息，并可以對(duì)回波信息的特征進(jìn)行分析來獲取目標(biāo)魚密度、大小及種類等信息[9-10]。其探測距離是根據(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、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)；檢測域與檢測指數(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接收回波來探測目標(biāo)單體魚和魚群。具體工作過程為：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)過脈寬調(diào)制、功放驅(qū)動(dòng)、功率放大、低通濾波等處理過程，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，聲波遇到魚或魚群目標(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)過匹配濾波和位置解算等處理后將結(jié)果顯示出來。

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

圖1 寬帶分裂波束探魚儀系統(tǒng)示意圖

1.2 水聲寬帶探測技術(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。通過魚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儀系統(tǒng)中增加帶寬可以在檢測相同目標(biāo)分辨率回波的情況下，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的探測距離，提升探魚儀探測性能。圖2為通過寬帶LFM信號(hào)的匹配濾波區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)魚，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，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)魚體在測聲束內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡、游動(dòng)探測聲束的運(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)魚類目標(biāo)強(qiáng)度的客觀估測[18]。當(dāng)單尾魚游過波束的探測區(qū)域時(shí)，連續(xù)多次脈沖記錄形成一個(gè)魚類的游動(dòng)軌跡，對(duì)該軌跡內(nèi)各脈沖估測的目標(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)方位探測原理

根據(jù)分裂波束目標(biāo)方位探測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儀的探測距離帶來較大影響，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)測模型。

2 寬帶分裂波束探魚儀作用距離預(yù)報(bào)模型及主要影響因素

2.1 作用距離預(yù)報(bào)模型

寬帶分裂波束探魚儀探測性能預(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，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

單體魚的目標(biāo)強(qiáng)度是衡量魚類對(duì)聲波反射能力的一個(gè)物理量，其主要取決于魚鰾的大小、形狀、聲波入射角、頻率[23]。單體魚目標(biāo)強(qiáng)度的確定主要有實(shí)驗(yàn)法和模型法，實(shí)驗(yàn)法的測量對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較高。模型法是將單體魚近似作為規(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)行測量，具有高精度、低成本的優(yōu)點(diǎn)[24-26]。單體魚的目標(biāo)強(qiáng)度(TS)定義為：

TS=20lg (σbs/4π)

(9)

式中：σbs是魚體的聲學(xué)截面，m2。

3 寬帶分裂波束探魚儀探測性能仿真分析

3.1 探測性能仿真主要參數(shù)

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

表1 寬帶分裂波束探魚儀探測性能仿真主要參數(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：

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)的帶寬無關(guān)，與聲源級(jí)、脈沖寬度和目標(biāo)強(qiáng)度有關(guān)。通過對(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)寬帶分裂波束探魚儀探測性能

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儀的探測方式可知影響探測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魚的有效作用距離分別為大于1 600 m、672 m和82 m。可見當(dāng)帶寬由載頻的10%增加到40%時(shí)，探測距離也隨之增大。

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)不同帶寬下探測性能

綜上，體積混響對(duì)寬帶分裂波束探魚儀探測性能有較大影響。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)射脈寬和波束開角盡量小的辦法，其中波束開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魚的有效作用距離分別為410 m、151 m和52 m。可知對(duì)于小目標(biāo)強(qiáng)度魚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)寬帶分裂波束探魚儀探測性能

綜上，寬帶分裂波束探魚儀探測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儀的關(guān)鍵技術(shù)，討論了不同背景下影響探測性能的因素。通過仿真明確了頻率、帶寬和不同海況對(duì)寬帶分裂波束探魚儀探測性能的影響。其中噪聲對(duì)探測性能有較大影響，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距離隨帶寬的增加而增大；對(duì)目標(biāo)魚的回波信號(hào)在寬帶系統(tǒng)下處理，得出寬帶系統(tǒng)可以提高探測目標(biāo)魚的距離分辨率。這對(duì)寬帶分裂波束探魚儀的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了參考。

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