基于目标探测的侧扫声呐拖鱼速度控制方法研究

成 芳，张 梦

（1.91550部队，辽宁 大连 116023；2.海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018）

当前，用于水下目标探测的声学测量系统主要包括单波束、多波束和侧扫声呐三大测量系统。而侧扫声呐以其分辨率高、实时性好及测量效率高等特点成为水下目标探测的主要方式。事实上，侧扫声呐在具体实施时，有很多问题需要考虑，如声图上目标位置和高度的确定、仪器的水平和垂直分辨力分布状况、测量船船速的选择、声图的失真与干扰、探测带有效度与探测趟的布设、声图上海底目标的判读和识别等问题[1]。其中，不同的测量需求对上述技术设计内容的设计要求也不相同。对于水下目标探测而言，利用侧扫声呐完成水下目标有效探测必须满足两个条件：测量的全覆盖和获取目标物上一定数量的采样点[2]。在垂直测线方向上，主要通过测线布设间距的合理设计来实现横向的全覆盖和目标物横向采样点的获取。而相对困难的是沿测线方向上的连续两ping之间的衔接和采样点的获取，这主要由波束采样率和拖鱼测量速度决定。事实上，波束采样率一经确定，通常不会改变，此时，拖鱼速度成为影响纵向全覆盖和纵向采样点获取的主要因素。若速度过快，导致换能器接收不到回波，会产生漏测现象；速度过慢，势必影响测量效率，增加测量成本。如何根据测量需求合理确定拖鱼速度成为侧扫声呐海区技术设计环节亟待解决的重要问题。

国际海道测量组织（International Hydrographic Organisation）和美国国家海洋与大气管理局（Na tional Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）对拖鱼速度限定时均要求侧扫声呐系统通过目标时应能接收到一定的ping数，其中，国际海道测量组织要求至少获得目标上5 ping[3]，美国国家海洋与大气管理局要求至少获得目标上3 ping[4]。通过具体的探测要求，才能根据不同探测目标大小计算拖鱼速度。我国《海道测量规范》[5]发布较早，未对侧扫声呐的探测能力作具体要求，无法根据探测能力要求确定拖鱼速度；《海洋调查规范》[6]规定声呐分辨率不低于1 m、测量时匀速直线航行、船速不得超过6 kn等；丁克茂等[7]提出拖鱼允许行进的最大速度与声脉冲更新率呈正相关性，概略性指出实际工作船速宜控制在4 kn左右。以上均未通过建模针对性给出不同水深、不同目标物大小等对应的拖鱼速度，这样给探测带来了一定的盲目性。本文通过分析侧扫声呐系统分辨率，找出侧扫声呐横向、纵向分辨率的分布规律，在此基础上，推导侧扫声呐拖鱼速度控制模型，提出基于目标探测的拖鱼测量速度控制方法，给出不同尺寸水下目标的拖鱼推荐速度，为高效高质地完成水下目标探测提供有益参考。

1 侧扫声呐系统分辨率分析

侧扫声呐系统是基于回声探测原理进行水下目标探测的。通过系统的换能器基阵以一定的倾斜角度、发射频率，向海底发射具有指向性的宽垂直波束角和窄水平波束角的脉冲超声波，声波传播至海底或海底目标后发生反射和散射，又经过换能器的接收基阵接收海底的反射和散射，再经过水上仪器的处理来完成测量[1]。侧扫声呐的波束分辨率是侧扫声呐系统性能的主要限制因素，包括纵向（沿航迹）和横向（垂直于航迹）两个方向的分辨率。本文主要讨论侧扫声呐系统倾斜入射时的波束分辨率。

发射脉冲到达海底，在海底形成一定作用区域[8]（如图1所示）。根据波束的几何关系，可求得侧扫声呐的系统分辨率[9]。

如图1所示，横向（垂直于航迹方向）分辨率δy是侧扫声呐有效发射脉冲宽度、水中声速和局部掠射角的函数，纵向（沿航迹方向）分辨率δx是波束脚印的纵向宽度，是斜距和水平波束宽度的函数，那么，侧扫声呐系统分辨率模型如下。

图1 侧扫声呐声照射区示意图

式中，R为斜距；φ为侧扫声呐水平波束宽度；c为海水中的声速；τ为侧扫声呐发射脉冲宽度；β为掠射角。

从式（1）可以看出，侧扫声呐系统横向分辨率随掠射角度的增大而降低，即随入射角的增大而变高，换句话说，对于海底横向相同距离差的两个目标，随传播距离的增加，距离侧扫声呐拖鱼远的两个目标更容易被分辨出来，而距离侧扫声呐拖鱼近的两个目标由于系统分辨率的问题在声图上可能会显示成一组目标；侧扫声呐系统纵向分辨率随入射角的增大而降低，对于海底纵向相同距离差的两个目标，由于分辨率的降低，在声图上的显示效果就可能不同，相较于侧扫声呐拖鱼近的两个相邻物体更容易被分辨出来，而相对远的相邻两个物体的反射回波可能被视为同一回波而不能被分辨。

2 基于目标探测的侧扫声呐拖鱼速度控制方法

由于目标的纵向分辨率直接取决于侧扫声呐拖鱼的测量速度，那么对测量纵向全覆盖和纵向探测能力的要求即转化为对拖鱼速度的要求。因此，本文根据全覆盖测量和目标探测能力的测量要求，建立拖鱼速度控制方法的数学模型，并结合目标物具体尺寸给出不同水深的拖鱼速度控制指标，为目标探测的有效实施提供有益参考。

2.1 方法的数学模型

2.1.1 基于全覆盖的拖鱼速度控制模型

尽管侧扫声呐拖鱼的两个换能器均倾斜一个很小的角度向海底发射声波，但能量仍能辐射到拖鱼正下方，那么结合上一节侧扫声呐系统分辨率模型，可近似地认为拖鱼正下方纵向分辨率最高，波束脚印的纵向宽度在整个条带中最短。换句话说，只要拖鱼正下方波束脚印的纵向宽度能满足测线上的连续两ping之间的衔接，即可实现纵向的全覆盖。

如图2，理想状态下（忽略海流、测船操控等影响），拖鱼沿计划测线施测时，若要保证侧扫声呐测量过程中的纵向全覆盖，侧扫声呐应在能收到前一个条带最边缘波束回波的时间间隔内航行的距离不大于波束的纵向宽度，即

图2 拖鱼正下方波束脚印的纵向宽度示意图

式中，vmax为满足纵向全覆盖的拖鱼最大速度；lx为波束的纵向宽度；t为拖鱼航行时间。

其中，波束的纵向宽度见式3。

式中，H为拖鱼高度；θx为水平波束宽度。

侧扫声呐能保证收到前一个条带最边缘波束的回波的时间如下。

式中，c为声速；θ为侧扫声呐单侧声轴指向角。

那么，满足全覆盖测量的拖鱼速度控制模型见式（5）。

从上述模型可以看出，满足纵向全覆盖的拖鱼速度与水深无关，只与侧扫声呐垂直波束宽度、水平波束宽度及声速有关。

2.1.2 基于目标探测的拖鱼速度控制模型

如图3，根据国际海道测量规范[3]，侧扫声呐沿测线测量时，为了确保探测到目标，侧扫声呐应在航行过程中能够获得目标物上一定数目的采样点。也就是说，目标物沿航行方向的尺寸与预定目标需得到的采样点数、拖鱼速度和波束采样率有关，即

图3 侧扫声呐纵向覆盖范围示意图

式中，N为目标物最少脉冲点数；τ为发射脉冲ping率；v为拖鱼速度。

进一步地，若要清楚识别目标的大致轮廓，目标至少需再加一个探测脉冲，那么，被探测目标的尺寸与探测脉冲的关系如下。

式中，lx的含义同式（3）。

考虑纵向分辨率随入射角的增加而降低，使

式（8）即为满足目标探测的拖鱼速度控制模型。从模型中可以明显看出拖鱼速度与水下目标纵向尺寸、水平波束宽度、波束采样率有关。显然，拖鱼速度应随目标探测能力要求的提高而降低。

那么，基于目标探测的侧扫声呐拖鱼速度控制方法的数学模型如下。

由此，基于目标探测的侧扫声呐拖鱼速度控制方法是在综合考虑全覆盖测量和目标探测能力两个方面需求的基础上，取两个模型算得的最小值作为拖鱼测量速度。

2.2 算例分析

本文以4200-MP型侧扫声呐为例，利用建立的拖鱼速度控制模型，给出侧扫声呐不同水深识别不同尺寸目标的拖鱼推荐速度。设侧扫声呐在平稳状态下施测，忽略各种测量效应对测量的影响。

根据NOAA“目标至少有3次回波”的测量要求，算例中设判定疑似浅点至少需要连续3个采样点，那么，式（9）中的N=3，具体计算步骤如下。

（1）计算满足全覆盖测量的拖鱼速度。声速为1 500 m/s，发射频率为400 kHz，垂直波束宽度为50°，高清模式下的水平波束宽度为0.3°，高速模式下的水平波束宽度为0.4°，算得在高清模式下满足全覆盖的船速为4.5 kn，在高速模式下满足全覆盖的船速为6.5 kn。

（2）计算满足目标探测要求的拖鱼速度。根据侧扫声呐使用经验，10 m以下水深，波束采样率一般为20 Hz左右，水深为40 m时，波束采样率一般为10 Hz。因此，算例水深为10 m以下时，取τ=20，水深为40 m时，取τ=10。如图4和图5，图中横坐标为拖鱼速度，纵坐标为水下目标物纵向尺寸，注释为水深。

通过图4、图5和表1可以看出：

图4 探测1 m目标物时不同水深对应的拖鱼速度

图5 探测2 m目标物时不同水深对应的拖鱼速度

表1 拖鱼速度控制指标一览表

（1）考虑目标探测的需求，目标小于1 m时，在保证拖鱼安全的前提下，尽可能降低拖鱼的高度，避免船速过低（距海底40 m时，船速2 kn左右）；海底目标物不小于1 m时，随着水深的增加，船速要适当降低。对于10 m以下的水深，测船船速控制在12 kn以内，即可探测到1 m的海底目标物，测船船速控制在25 kn以内，即可探测到2 m的海底目标物。当水深为40 m时，由于波束采样率的降低，探测1 m的海底目标物，船速需降低至5 kn左右，探测2 m的海底目标物，船速需降低至11 kn。

（2）考虑纵向全覆盖的要求，即便是侧扫声呐高速模式下，船速也只能控制在6.5 kn以下。

（3）在进行海底目标物探测时，首先要满足测量全覆盖的要求，以避免漏测情况的发生。在此基础上，充分考虑目标探测要求，综合确定拖鱼速度。通过以上算例看出，满足纵向全覆盖的船速通常比基于探测要求的船速还要低，施测前要充分考虑实际情况确定船速，具体指标见表1。

对于没有全覆盖和探测能力的要求，可根据实际测量要求，并兼顾工作效率，来确定最优船速。

3 结 论

鉴于拖鱼测量速度对水下目标物探测的重要性，本文通过对侧扫声呐系统分辨率模型的分析，给出了侧扫声呐系统横纵向分辨率分布规律，在此基础上，构建了满足全覆盖测量要求的拖鱼速度控制模型和满足水下目标物探测需求的拖鱼速度控制模型，提出了基于目标探测的拖鱼速度控制方法，并对具体算例进行分析，给出特定型号侧扫声呐的推荐船速。结果表明，基于目标探测能力的拖鱼速度与波束采样率、目标纵向尺寸、水深、纵向波束宽度及采样点个数有关，而侧扫声呐波束采样率随水深增加而降低，侧扫声呐应在保证航行安全的前提下尽量贴近海底，以提高拖鱼速度，但考虑到不同量程下的最大探测效率，拖鱼的最佳距离海底高度为0.08～0.2量程为宜；满足纵向全覆盖测量的拖鱼速度与水深无关，而与换能器的扇区开角、纵向波束宽度和声速有关，数值计算特定侧扫声呐满足纵向全覆盖的最大拖鱼速度为6.5 kn；综合考虑全覆盖和目标探测能力两方面探测要求，只要侧扫声呐拖鱼尽量贴近海底，满足全覆盖的探测要求占主导作用，即拖鱼速度控制在4～6 kn范围内。