宽带分裂波束探鱼仪探测性能预报建模及仿真分析

吴陈波，谌志新，李国栋，汤涛林，许明昌，刘 晃

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092;2 上海海洋大学工程学院，上海 201306)

声波是海水中唯一能够长距离传递信息的载体[1]。宽带分裂波束探鱼仪是利用水声技术，进行海洋生物资源探测、评估、鱼类行为特性研究的主要工具，宽带分裂波束探鱼仪可以进行脉冲压缩，提高单体目标的距离分辨率和抑制混响；也可以进行目标强度的频谱分析，提供目标识别信息[2-6]。宽带分裂波束探鱼仪具有低噪声、高精度和大动态范围的特点，所以在实际应用中越来越受到重视。

有效作用距离是反映宽带分裂波束探鱼仪探测性能的重要指标之一，根据主动声呐方程，影响宽带分裂波束探鱼仪有效作用距离的因素主要有：海洋环境噪声、海水体积混响及单体鱼目标强度等[7-8]。

本研究从宽带分裂波束探鱼仪基本原理出发，根据噪声限制下和混响限制下的主动声呐方程，建立宽带分裂波束探鱼仪探测距离的预报模型，进行海洋环境噪声级、海水体积混响、目标回波级的仿真，分析了具体参数对宽带分裂波束探鱼仪探测距离的影响。

1 宽带分裂波束探鱼仪基本原理及关键技术

1.1 基本原理

宽带分裂波束探鱼仪实质上是一种主动声呐系统，利用水声回波信号探测目标鱼信息，并可以对回波信息的特征进行分析来获取目标鱼密度、大小及种类等信息[9-10]。其探测距离是根据噪声背景下、混响背景下和噪声背景与混响背景下的声呐方程来确定的，影响作用距离的主要参数有声源级、传播损失、目标强度、环境噪声、混响级和检测域。由混响级的求解式可知与声源级、传播损失、脉宽、波长、散射强度、等效束宽、换能器直径和作用距离有关；基阵指向性与换能器直径和波长有关；有指向性系统下噪声谱级与频率、带宽和基阵指向性有关；发射声源级与功率和基阵指向性有关；检测域与检测指数、带宽和脉宽有关；传播损失与作用距离和吸收系数有关。如图1所示，其基本工作原理是通过接收回波来探测目标单体鱼和鱼群。具体工作过程为：当发射时，发射机在实时信号处理主机控制下，经过脉宽调制、功放驱动、功率放大、低通滤波等处理过程，产生具有给定频率、功率和脉宽的电脉冲信号。换能器将电脉冲信号转换为声脉冲信号辐射到水中，声波遇到鱼或鱼群目标时产生回波；当接收时，回波传播到换能器，四个象限的基阵分别独立接收反射的回波，将其转换为电信号，并通过接收机收发转换、低噪声放大、增益放大、抗混叠滤波和模数转换处理，传到实时信号处理主机，经过匹配滤波和位置解算等处理后将结果显示出来。

宽带分裂波束探鱼仪两个主要关键技术是水声宽带探测技术和分裂波束技术，下文就两个关键技术对探测性能的影响角度进行分析。

图1 宽带分裂波束探鱼仪系统示意图

1.2 水声宽带探测技术

宽带系统有利于提高目标距离的分辨能力和提高参数估计精度，增强目标识别能力，抑制混响等[11]。宽带分裂波束探鱼仪常用的宽带信号为线性调频信号(Linear Frequency Modulation,LFM)[12]。

LFM表示形式为：

(1)

式中：s(t)—LFM表示形式；A—信号的幅度，dB；f0—中心频率，Hz；t—时间，s；k—信号调频斜率(k=B/T)，B—信号带宽，Hz，T—信号脉宽，s;j表示虚数单位。

根据香农信息定理[13]，对于理想系统，系统所能输出的最大信息量与系统时宽和带宽有关，增加时宽带宽积是提高系统输出信息量有效可行的方法。通过鱼体反射的水声回波信号采用脉冲压缩技术进行匹配滤波处理[14]。可得到输出信号的包络E(t)为：

(2)

在宽带分裂波束探鱼仪系统中增加带宽可以在检测相同目标分辨率回波的情况下，实现更远的探测距离，提升探鱼仪探测性能。图2为通过宽带LFM信号的匹配滤波区分两个目标鱼，发射的线性调频信号中心频率为70 kHz，带宽为30 kHz。由仿真结果可见，匹配滤波可以获得较高的距离分辨率，有助于提高宽带分裂波束探鱼仪的性能。

图2 LFM信号的脉冲压缩

1.3 分裂波束技术

分裂波束技术运用四个象限的换能器，通过连续发射和接收声波，跟踪物体在声束中的位置[15-17]如图3所示。运用其目标跟踪技术可对鱼体在测声束内的运动轨迹、游动探测声束的运动轨迹、游动速率及方向等参数进行测算；同时，利用分裂波束技术可以确定目标在波束中的位置，并根据波束的指向性对偏离声轴的回声信号进行补偿，从而实现对鱼类目标强度的客观估测[18]。当单尾鱼游过波束的探测区域时，连续多次脉冲记录形成一个鱼类的游动轨迹，对该轨迹内各脉冲估测的目标强度(Target Strength，TS)进行平均，即得到高精度的TS均值。

图3 分裂波束目标方位探测原理

根据分裂波束目标方位探测原理图和两阵元接收信号的时间差可知[19],可以从中解算出目标鱼空间3D位置为：

(3)

式中：R—斜距，m；XA、YA、ZA为目标的坐标，m；θmx、θmy为x轴、y轴信号入射角，(°)。

分裂波束技术利用4个象限同时发射水声信号，四个象限子阵独立接收回波信号的特点，可以得出精确的相位差，从而算出精确的方位角与距离，但这样的发射和接收方式，对于宽带分裂波束探鱼仪的探测距离带来较大影响，在进行性能评估时需要对发射基阵和接收基阵增益进行分别建模，并引入系统性能预测模型。

2 宽带分裂波束探鱼仪作用距离预报模型及主要影响因素

2.1 作用距离预报模型

宽带分裂波束探鱼仪探测性能预报通常需要根据相应的声呐方程，以及主要干扰因素的不同进行解算，其探测性能依据噪声和混响条件的不同表述成以下声呐方程[20]：

工作在主要噪声干扰区：

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

(4)

工作在主要混响干扰区：

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

(5)

式中：SE—信号余量，dB；SL—声源级， dB；TL—传播损失，dB；TS—目标强度，dB；NL—环境噪声， dB；RL—混响级，dB；DT—检测域，dB。各参数计算方法由方程组(6)[21]求得。

(6)

式中：R—距离，m；α—海水吸收系数，dB/km；D—换能器直径，m；λ—波长，m；SpL—噪声谱级(海况条件)，dB；P—功率，W；DI—基阵指向性，dB；d—检测指数；B—带宽，Hz；T—脉宽，s；σ—散射截面，m2。

2.2 海水吸收系数

传播损失是描述声波离声源一定距离后声波减弱的物理量。对于宽带分裂波束探鱼仪，传播损失只需考虑球面扩散和海水吸收[21]。海水吸收系数α，与信号频率f有关，表示形式为：

α=0.1f2/(1+f2)+40f2/(4 100+f2)+2.75×10-4×f2+0.003

(7)

式中：α—海水吸收系数，dB/km；f—信号频率，kHz。

2.3 混响级

声波在水下传播时，由于海面和海底的反射会产生界面混响，同时海洋生物、分布在海洋中的无生命物质、海洋自身不均匀性均会产生体积混响。宽带分裂波束探鱼仪因换能器垂直向下发射脉冲，所以混响级主要是体积混响。体积混响级(RLv)为[22]：

RLV=SL-2TLR+Sv+10lgV

(8)

式中：Sv—散射强度，dB；φ—等效束宽，(°);TLR—混响背景下的传播损失，dB;V=cφTR2/2、10lgφ=20lg (λ/πD)+7.7,为形成混响的总体积。

2.4 目标强度

单体鱼的目标强度是衡量鱼类对声波反射能力的一个物理量，其主要取决于鱼鳔的大小、形状、声波入射角、频率[23]。单体鱼目标强度的确定主要有实验法和模型法，实验法的测量对实验条件要求较高。模型法是将单体鱼近似作为规则的几何形状，根据水声学理论对其目标强度进行测量，具有高精度、低成本的优点[24-26]。单体鱼的目标强度(TS)定义为：

TS=20lg (σbs/4π)

(9)

式中：σbs是鱼体的声学截面，m2。

3 宽带分裂波束探鱼仪探测性能仿真分析

3.1 探测性能仿真主要参数

结合我国远洋渔船的特点及典型宽带分裂波束探鱼仪，仿真使用参数如表1所示。

表1 宽带分裂波束探鱼仪探测性能仿真主要参数

目标强度选取-20 dB，-30 dB，-50 dB；声速选取1 500 m/s；脉冲宽度为4 ms；检测指数5 lgd为10 dB。

3.2 噪声背景下作用距离分析

将式(4)展开：

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)可知工作距离与采用信号的带宽无关，与声源级、脉冲宽度和目标强度有关。通过对目标回波信号级EL=SL-2TL+TS与噪声掩蔽级NL+DT关系的分析，对不同海况下，不同目标强度的单体目标鱼的工作距离仿真结果如图4所示。

图4 主要噪声干扰区宽带分裂波束探鱼仪探测性能

由仿真结果可得，噪声背景下不同频率对不同目标强度的作用距离如图5所示。

由图5可知相同频率时不同海况下，噪声对宽带分裂波束探鱼仪作用距离有较大的影响。如频率为38 KHz时，六级海况与一级海况下对目标强度为-20 dB、-30 dB、-50 dB鱼的有效作用距离分别为915 m、687 m、332 m和1 335 m、1 058 m、583 m，可知六级海况下相较于一级海况下探测性能下降了30%左右。

3.3 混响背景下作用距离分析

由宽带分裂波束探鱼仪的探测方式可知影响探测距离的混响主要是体积混响。在体积混响下的声呐方程为:

20lgR=TS-Sv+10lg2Bπ2D2/(Cλ2)-5lgd-7.7

(12)

由式(12)可知宽带分裂波束探鱼仪有效工作距离与散射强度、换能器直径、信号带宽直接相关。信号带宽越宽，波束越窄，抗混响能力越强。通过对目标回波信号级EL=SL-2TL+TS与混响掩蔽级RLv+DT关系的分析，在不同海况、不同目标强度鱼的有效工作距离仿真结果如图6。

由图6可知体积混响对目标鱼的有效作用距离有较大的影响，宽带系统具有较强的抗混响能力。如频率为70 kHz时，在发射窄带信号系统下，对目标强度为-20 dB、-30 dB和-50 dB鱼的有效作用距离分别为539 m、191 m和30 m；在发射带宽为7 kHz的信号系统下，对目标强度为-20 dB、-30 dB和-50 dB鱼的有效作用距离分别为1 177 m、423 m和36 m；在发射带宽为14 kHz的信号系统下，对目标强度为-20 dB、-30 dB和-50 dB鱼的有效作用距离分别为1 560 m、549 m和54 m；在发射带宽为30 kHz的信号系统下，对目标强度为-20 dB、-30 dB和-50 dB鱼的有效作用距离分别为大于1 600 m、672 m和82 m。可见当带宽由载频的10%增加到40%时，探测距离也随之增大。

图5 主要噪声干扰区不同频率下作用距离

图6 主要混响干扰区不同带宽下探测性能

综上，体积混响对宽带分裂波束探鱼仪探测性能有较大影响。由仿真分析可知，可以采取降低体积混响回波级和提高信号带宽的方式来提升系统抗体积混响能力，降低混响回波可采用加大信号的发射脉宽和波束开角尽量小的办法，其中波束开角的减小是以增加换能器基阵大小为条件，信号的带宽增加也由于换能器基阵能力以及整个宽带分裂波束探鱼仪系统的设计所限，对软硬件实现难度明显增加。

3.4 工作在混响与噪声混叠区域

噪声与混响的干扰级为：

IL=RLV+10lg (a+1)

(13)

由图7可知在发射窄带信号系统下，对目标强度为-20 dB、-30 dB和-50 dB鱼的有效作用距离分别为410 m、151 m和52 m。可知对于小目标强度鱼有效作用距离的影响主要是体积混响，而对大目标强度鱼有效作用距离的影响主要是噪声；在发射宽带信号系统下，对目标强度为-20 dB、-30 dB和-50 dB鱼的有效作用距离分别为910 m、532 m和196 m。可知此时对于目标鱼有效作用距离的影响主要是噪声。

图7 主要噪声和混响混叠干扰区宽带分裂波束探鱼仪探测性能

综上，宽带分裂波束探鱼仪探测性能受噪声和体积混响综合影响，在深海区域主要是噪声影响。采用窄带信号时，对不同目标强度鱼有较大影响；采用宽带信号时，可以大幅度抑制混响的影响。

4 结论

在主动声呐方程基础上，结合宽带分裂波束探鱼仪的关键技术，讨论了不同背景下影响探测性能的因素。通过仿真明确了频率、带宽和不同海况对宽带分裂波束探鱼仪探测性能的影响。其中噪声对探测性能有较大影响，在噪声干扰区、相同频率下，六级海况相较于一级海况时探测性能下降约30%；对宽带系统与窄带系统下建模仿真分析，得出宽带系统具有良好的抗混响能力且探测距离随带宽的增加而增大；对目标鱼的回波信号在宽带系统下处理，得出宽带系统可以提高探测目标鱼的距离分辨率。这对宽带分裂波束探鱼仪的设计和性能优化提供了参考。

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