基于高分辨图像声呐的舰船声尾流实测研究

陈云飞，贾 兵，李桂娟，高 雷

(水下测控技术重点实验室，辽宁 大连 116013)

基于高分辨图像声呐的舰船声尾流实测研究

陈云飞，贾 兵，李桂娟，高 雷

(水下测控技术重点实验室，辽宁 大连 116013)

利用基于高分辨图像声呐对水面船的尾流散射特性进行海试测量，测得水面船的船体亮点和尾流空间分布图像。对尾流数据进行分析，获得水面船声尾流散射强度随时间变化特性和对应舰船的声尾流时间长度数据。

舰船尾流;声图像;海上实验

0 引言

舰船尾流是指舰船在海洋中通过后，在其尾部的一定区域中存在的具有特殊物理特性的海水层。声尾流自导鱼雷正是利用舰船尾流对声波的特殊反射特性对目标进行探测、识别和跟踪的。舰船尾流的形状、寿命和散射强度分布等特性与舰船的航速、吃水深度、吃水宽度等目标属性之间的关系是声尾流自导研究的重点，而对尾流中的空穴和断层提供散射特性研究将为鱼雷作战使用中对抗空穴和断层提供合理有效的办法［1－2］。

相对来说，单一方向的舰船尾流散射特性比较容易获取，由于缺少合适的测试手段和技术，尾流的空间散射特性一直是尾流声散射特性研究的难点。本项目基于高分辨图像声呐对其进行系统校准，构成舰船尾流回声特性测试系统，在海上获取舰船底部侧向反射特性及尾流的散射特性数据，研究舰船尾流回波的时间和空间特性。

1 水面船尾流海试测量

1.1 测试系统

舰船尾流散射特性海试测量采用基于图像声呐的高分辨多波束系统进行，系统的接收部分通过内部的多个通道进行三维波束形成(如图1所示)，在水平方向40°与垂直方向40°的范围内各形成104个波束，这样40°×40°的空间范围就被波束间距为0.4°的一万多个波束所照射，每个波束输出对应空间的目标强度值，可对水中目标进行精确的三维声学成像。

1.2 测量方法

舰船尾流的回声特性测量在大连海区的开阔海域进行，测试环境为三级海况，图2为舰船尾流回声特性测量原理图。测量船抛双锚固定在测试海域的合适位置，舰船声尾流测试系统通过稳定平台布放在测量船的左舷，稳定平台的作用是在测量船摇摆的情况下保证尾流散射测试系统的发射和接收端面始终对准被测目标船的尾流区域。测试系统的入水深度为2.5 m，对舰船尾流散射特性进行水平方向的测量。目标船为某型海试测量船，船长50 m，吃水深度2.6 m，被测船按照设计的航行轨迹直线航行，航线与测量船变化范围在20～50 m之间。

目标船的方位距离由安装在目标船上的差分GPS实时测量记录，试验中，测试系统发射正弦脉冲信号，中心频率为400 kHz。

2 实验数据分析

本次海试共进行了3个航速的尾流散射特性测试，分别为8，12和16 kn。海上尾流测试结束后，结合测距数据、时间信息对尾流数据的时域、空域进行处理分析，获得舰船声尾流的时空变化规律。具体的测试结果如下。

2.1 测量尾流的几何特征

随着时间的变化，舰船尾流区的气泡在水平和垂直方向会不断扩展，图3为水平和垂直2个方向的单帧图像数据。其中图3(a)为尾流随时间变化的水平扩展散射界面，图3(b)为尾流随时间变化的垂直散射界面。可以看出舰船尾流由舰船航行引起，尾流在水平方向上向船体两侧迅速扩展，在深度方向上，由螺旋桨搅起的气泡群迅速上升至海面附近，并且随着大气泡的破裂及气泡与海水的混合，尾流区的散射强度逐渐减弱。

对测试舰船声尾流的测试数据进行分析处理，图4为经过图像消噪后舰船兴波和船底的回声图像，使用高分辨成像声呐系统能很清晰的测量到被测船船首和船底的回声图像，在目标船通过测试系统时，明显可见测量船航行引起的舰船兴波。

2.3 舰船尾流的时间变化特征

尾流的声散射特性变化主要是由尾流区中的气泡物理特性变化引起的，尾流强度随时间的变化是尾流的重要特性。在数据处理中选择测试系统的中心波束对尾流散射强度随时间的变化特性进行分析，并对不同测试距离的回波进行距离补偿。

尾流的长度实质上是尾流的寿命，它与舰船的航速变化、海况有关，也与尾流的性质及尾流探测装置的探测能力有关。本次尾流回声特性测量共测量了3种不同航速下的尾流散射特性。图5～图7分别为航速8，12和16 kn情况下的尾流散射强度随时间的衰减曲线。图8为3种不同航速条件下的散射曲线对比图。

图8 不同航速尾流散射强度对比Fig.8 Comparison of ship wake acoustic scattering strength withdifferent speed

在测量船通过之前海水的散射强度为10～15 dB(相对值)。当测量船通过时，系统输出的散射强度增大，散射强度最大的时间段为测量船的船底散射，测量船尾流随时间逐渐衰减。从分析结果可见，在测量船通过400 s之后，尾流散射强度逐渐接近于海水背景水体的散射强度。这表明，在18 kn航速下目标船的尾流持续时间大于400 s。

3 结语

本文通过高分辨成像声呐海试测量研究了水面船尾流的回声特性，对尾流的空间和时间变化特性进行分析研究，测试结果表明:

1)在本次实验测试条件下，舰船声尾流的存续时间大于400 s;

2)舰船尾流随时间会在水平和垂直方向上迅速扩展;

3)在强尾流区，目标船的散射强度小于尾流的散射强度;

4)尾流散射强度随航速的增加而增大，这主要是由于不同航速下螺旋桨的转速不同，从而产生的气泡数量不同引起的。

［1］高江，张静远，杨力.舰船气泡尾流特性研究现状［J］.舰船科学技术，2008，30(4):27 －32.

GAO Jiang，ZHANG Jing-yuan，YANG Li.The present situation of research on shipwake characteristic［J］.Ship Science and Technology，2008，30(4):27 －32.

［2］钱东，韩啸.法国尾流自导仿真和对抗研究评述［J］.鱼雷技术，2007，5(1):8 －11.

QIAN Dong，HAN Xiao.Review of wake homing simulations and countermeasures in France［J］.Torpedo Technology，2007，5(1):8 －11.

Experimental study on the acoustic scattering of the ships'wakes using imaging sonar

CHEN Yun-fei，JIA Bing，LI Gui-juan，GAO Lei
(Key Laboratory for Underwater Test and Control Technology，Dalian 116013，China)

An experiment of acoustic scattering of the ships'wakes using imaging sonar is introduced.The echo highlight of ship hull and acoustic image of ship wake three dimensional destitutions are measured.The ship wake acoustic scattering strength varying with time and the life length of ship wake are also obtained after the processing of the data.

ship wake;acoustic image;sea trial

TB56

A

1672－7649(2011)12－0082－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.019

2011－03－14;

2011－05－13

陈云飞(1978－)，男，博士研究生，高级工程师，主要研究方向为水声信号处理。