寬帶分裂波束探魚儀探測性能預報建模及仿真分析

吳陳波，諶志新，李國棟，湯濤林，許明昌，劉 晃

(1 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092;2 上海海洋大學工程學院，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，進行海洋生物資源探測、評估、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行脈沖壓縮，提高單體目標的距離分辨率和抑制混響；也可以進行目標強度的頻譜分析，提供目標識別信息[2-6]。寬帶分裂波束探魚儀具有低噪聲、高精度和大動態范圍的特點，所以在實際應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之一，根據主動聲吶方程，影響寬帶分裂波束探魚儀有效作用距離的因素主要有：海洋環境噪聲、海水體積混響及單體魚目標強度等[7-8]。

本研究從寬帶分裂波束探魚儀基本原理出發，根據噪聲限制下和混響限制下的主動聲吶方程，建立寬帶分裂波束探魚儀探測距離的預報模型，進行海洋環境噪聲級、海水體積混響、目標回波級的仿真，分析了具體參數對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鍵技術

1.1 基本原理

寬帶分裂波束探魚儀實質上是一種主動聲吶系統，利用水聲回波信號探測目標魚信息，并可以對回波信息的特征進行分析來獲取目標魚密度、大小及種類等信息[9-10]。其探測距離是根據噪聲背景下、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有聲源級、傳播損失、目標強度、環境噪聲、混響級和檢測域。由混響級的求解式可知與聲源級、傳播損失、脈寬、波長、散射強度、等效束寬、換能器直徑和作用距離有關；基陣指向性與換能器直徑和波長有關；有指向性系統下噪聲譜級與頻率、帶寬和基陣指向性有關；發射聲源級與功率和基陣指向性有關；檢測域與檢測指數、帶寬和脈寬有關；傳播損失與作用距離和吸收系數有關。如圖1所示，其基本工作原理是通過接收回波來探測目標單體魚和魚群。具體工作過程為：當發射時，發射機在實時信號處理主機控制下，經過脈寬調制、功放驅動、功率放大、低通濾波等處理過程，產生具有給定頻率、功率和脈寬的電脈沖信號。換能器將電脈沖信號轉換為聲脈沖信號輻射到水中，聲波遇到魚或魚群目標時產生回波；當接收時，回波傳播到換能器，四個象限的基陣分別獨立接收反射的回波，將其轉換為電信號，并通過接收機收發轉換、低噪聲放大、增益放大、抗混疊濾波和模數轉換處理，傳到實時信號處理主機，經過匹配濾波和位置解算等處理后將結果顯示出來。

寬帶分裂波束探魚儀兩個主要關鍵技術是水聲寬帶探測技術和分裂波束技術，下文就兩個關鍵技術對探測性能的影響角度進行分析。

圖1 寬帶分裂波束探魚儀系統示意圖

1.2 水聲寬帶探測技術

寬帶系統有利于提高目標距離的分辨能力和提高參數估計精度，增強目標識別能力，抑制混響等[11]。寬帶分裂波束探魚儀常用的寬帶信號為線性調頻信號(Linear Frequency Modulation,LFM)[12]。

LFM表示形式為：

(1)

式中：s(t)—LFM表示形式；A—信號的幅度，dB；f0—中心頻率，Hz；t—時間，s；k—信號調頻斜率(k=B/T)，B—信號帶寬，Hz，T—信號脈寬，s;j表示虛數單位。

根據香農信息定理[13]，對于理想系統，系統所能輸出的最大信息量與系統時寬和帶寬有關，增加時寬帶寬積是提高系統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采用脈沖壓縮技術進行匹配濾波處理[14]。可得到輸出信號的包絡E(t)為：

(2)

在寬帶分裂波束探魚儀系統中增加帶寬可以在檢測相同目標分辨率回波的情況下，實現更遠的探測距離，提升探魚儀探測性能。圖2為通過寬帶LFM信號的匹配濾波區分兩個目標魚，發射的線性調頻信號中心頻率為70 kHz，帶寬為30 kHz。由仿真結果可見，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信號的脈沖壓縮

1.3 分裂波束技術

分裂波束技術運用四個象限的換能器，通過連續發射和接收聲波，跟蹤物體在聲束中的位置[15-17]如圖3所示。運用其目標跟蹤技術可對魚體在測聲束內的運動軌跡、游動探測聲束的運動軌跡、游動速率及方向等參數進行測算；同時，利用分裂波束技術可以確定目標在波束中的位置，并根據波束的指向性對偏離聲軸的回聲信號進行補償，從而實現對魚類目標強度的客觀估測[18]。當單尾魚游過波束的探測區域時，連續多次脈沖記錄形成一個魚類的游動軌跡，對該軌跡內各脈沖估測的目標強度(Target Strength，TS)進行平均，即得到高精度的TS均值。

圖3 分裂波束目標方位探測原理

根據分裂波束目標方位探測原理圖和兩陣元接收信號的時間差可知[19],可以從中解算出目標魚空間3D位置為：

(3)

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

分裂波束技術利用4個象限同時發射水聲信號，四個象限子陣獨立接收回波信號的特點，可以得出精確的相位差，從而算出精確的方位角與距離，但這樣的發射和接收方式，對于寬帶分裂波束探魚儀的探測距離帶來較大影響，在進行性能評估時需要對發射基陣和接收基陣增益進行分別建模，并引入系統性能預測模型。

2 寬帶分裂波束探魚儀作用距離預報模型及主要影響因素

2.1 作用距離預報模型

寬帶分裂波束探魚儀探測性能預報通常需要根據相應的聲吶方程，以及主要干擾因素的不同進行解算，其探測性能依據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：

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

(4)

工作在主要混響干擾區：

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

(5)

式中：SE—信號余量，dB；SL—聲源級， dB；TL—傳播損失，dB；TS—目標強度，dB；NL—環境噪聲， dB；RL—混響級，dB；DT—檢測域，dB。各參數計算方法由方程組(6)[21]求得。

(6)

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

2.2 海水吸收系數

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。對于寬帶分裂波束探魚儀，傳播損失只需考慮球面擴散和海水吸收[21]。海水吸收系數α，與信號頻率f有關，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，dB/km；f—信號頻率，kHz。

2.3 混響級

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

RLV=SL-2TLR+Sv+10lgV

(8)

式中：Sv—散射強度，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 目標強度

單體魚的目標強度是衡量魚類對聲波反射能力的一個物理量，其主要取決于魚鰾的大小、形狀、聲波入射角、頻率[23]。單體魚目標強度的確定主要有實驗法和模型法，實驗法的測量對實驗條件要求較高。模型法是將單體魚近似作為規則的幾何形狀，根據水聲學理論對其目標強度進行測量，具有高精度、低成本的優點[24-26]。單體魚的目標強度(TS)定義為：

TS=20lg (σbs/4π)

(9)

式中：σbs是魚體的聲學截面，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

結合我國遠洋漁船的特點及典型寬帶分裂波束探魚儀，仿真使用參數如表1所示。

表1 寬帶分裂波束探魚儀探測性能仿真主要參數

目標強度選取-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的帶寬無關，與聲源級、脈沖寬度和目標強度有關。通過對目標回波信號級EL=SL-2TL+TS與噪聲掩蔽級NL+DT關系的分析，對不同海況下，不同目標強度的單體目標魚的工作距離仿真結果如圖4所示。

圖4 主要噪聲干擾區寬帶分裂波束探魚儀探測性能

由仿真結果可得，噪聲背景下不同頻率對不同目標強度的作用距離如圖5所示。

由圖5可知相同頻率時不同海況下，噪聲對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，六級海況與一級海況下對目標強度為-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，可知六級海況下相較于一級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度、換能器直徑、信號帶寬直接相關。信號帶寬越寬，波束越窄，抗混響能力越強。通過對目標回波信號級EL=SL-2TL+TS與混響掩蔽級RLv+DT關系的分析，在不同海況、不同目標強度魚的有效工作距離仿真結果如圖6。

由圖6可知體積混響對目標魚的有效作用距離有較大的影響，寬帶系統具有較強的抗混響能力。如頻率為70 kHz時，在發射窄帶信號系統下，對目標強度為-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；在發射帶寬為7 kHz的信號系統下，對目標強度為-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；在發射帶寬為14 kHz的信號系統下，對目標強度為-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；在發射帶寬為30 kHz的信號系統下，對目標強度為-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。可見當帶寬由載頻的10%增加到40%時，探測距離也隨之增大。

圖5 主要噪聲干擾區不同頻率下作用距離

圖6 主要混響干擾區不同帶寬下探測性能

綜上，體積混響對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和提高信號帶寬的方式來提升系統抗體積混響能力，降低混響回波可采用加大信號的發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，信號的帶寬增加也由于換能器基陣能力以及整個寬帶分裂波束探魚儀系統的設計所限，對軟硬件實現難度明顯增加。

3.4 工作在混響與噪聲混疊區域

噪聲與混響的干擾級為：

IL=RLV+10lg (a+1)

(13)

由圖7可知在發射窄帶信號系統下，對目標強度為-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。可知對于小目標強度魚有效作用距離的影響主要是體積混響，而對大目標強度魚有效作用距離的影響主要是噪聲；在發射寬帶信號系統下，對目標強度為-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。可知此時對于目標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，在深海區域主要是噪聲影響。采用窄帶信號時，對不同目標強度魚有較大影響；采用寬帶信號時，可以大幅度抑制混響的影響。

4 結論

在主動聲吶方程基礎上，結合寬帶分裂波束探魚儀的關鍵技術，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、帶寬和不同海況對寬帶分裂波束探魚儀探測性能的影響。其中噪聲對探測性能有較大影響，在噪聲干擾區、相同頻率下，六級海況相較于一級海況時探測性能下降約30%；對寬帶系統與窄帶系統下建模仿真分析，得出寬帶系統具有良好的抗混響能力且探測距離隨帶寬的增加而增大；對目標魚的回波信號在寬帶系統下處理，得出寬帶系統可以提高探測目標魚的距離分辨率。這對寬帶分裂波束探魚儀的設計和性能優化提供了參考。

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