海洋论坛▏侧扫声呐测量水体气泡反射强度方法研究

舰船在航行过程中，由于螺旋桨空化，舰船壳体侧壁与水体摩擦，不可避免的在其尾部产生一个包含大量而尺寸不一的气泡区域，称为舰船气泡尾流^[1-3]。通过探测舰船气泡尾流，可对舰船进行探测和跟踪，如何对舰船气泡尾流进行准确测量，是抑制舰船气泡尾流的关键问题之一。目前，对尾流的探测主要有声学探测和光学探测两种方法^[4]。由于光波在海水中的强衰减，长期以来对尾流的探测主要以声波为载体，但声波的灵敏度、准确度一直是困扰人们的难题。近年来，随着换能器技术的发展，侧扫声呐系统的性能得到较大提高^[5]。鉴于此，本文提出侧扫声呐测量气泡尾流回波强度的方法，为尾流气泡的理论研究提供声学数据。

一、侧扫声呐测量气泡回波强度原理

侧扫声纳系统的工作原理是向换能器航行方向一侧或两侧发射一个水平开角很小（约1度左右），垂直开角很大的短声波脉冲，声脉冲穿过水体到达海底后，被不断反射，反向散射回波按回波点距换能器的远近，依次返回至换能器被接收、记录，并按信号的强弱程度画出灰度变化不均的声纳图像，从声纳图像中可以观察出水体中是否有物体或海底底质类型等信息^[6]。当侧扫声纳发射脉冲在水体中传播遇到目标(如气泡尾流等)时，目标对声能向各个方向散射，其中换能器接收反向散射回波，如图1所示。

图1 换能器指向性示意图现代侧扫系统大多采用Chirp信号，该信号是一种频率随时间线性增加（线性调频）的余弦波，其回波经匹配滤波后，信号分辨率△R可用式(1)表示。△R＝c/2B                ⑴式中，c为海水中声速，B为线性调频信号带宽。例如，对于带宽40kHz的线性调频脉冲，匹配滤波后信号的分辨率为1.8cm。

二、实验设计

⒈ 侧扫声纳参数的选择根据实验室内水池试验条件，侧扫声呐测量气泡回波强度的几何结构见图2。

(a)空间结构

b) 剖面结构图2侧扫声纳测量气泡群回波强度示意图

在图2(a)中，假设目标船在某时刻产生的尾流气泡群用立方体ABCD-EFGH表示，拖鱼平行于AE方向，此时，侧扫声纳拖鱼照射到气泡群的剖面用矩形MNPQ表示。气泡群在声图上出现的最短距离为平距KO，最大距离为min（MO，NO），由于气泡群的尺寸无法测量得到，此时可用距离范围（KO，SO）代替。侧扫声纳频率越高，其声图质量越高，试验中可选侧扫声呐频率为410kHz。410kHz对应的声线最大作用距离越为100米（单侧），美国NOAA对侧扫声呐规定，拖鱼距离海底高度应在系统量程的8%～20%之间，试验中拖鱼距离池底高度为4米，此时量程数值应在20～50米之间。现场测量时需对声图进行增益调整，使声图上远端气泡的灰度影响清晰可见。在现场测量的同时，应记录好相关数据，如侧扫声纳拖鱼与待测区域的水平距离、气泡产生时刻侧扫声纳软件中显示的Ping号、气泡完全消失后侧扫声纳软件中显示的Ping号的大致范围、拖鱼距离水面高度和拖鱼距离海底高度等，方便后期数据读取及处理。⒉ 回波数据处理方法得到气泡群在声图上出现区域范围（KO，SO）后，可通过式(2)确定原始文件中的回波声幅序列范围：i＝（range×2)/(sampleint erval×c)     ⑵式中，i为回波声幅序号；range为距离，可用最小距离和最大距离分别代入；sampleint erval为回波声幅的采样时间间隔，在jsf文件中读取^[7]。至此，可得各Ping回波声幅数据的读取范围。原始文件中的声幅数据没有经过回波声幅改正，呈现近强远弱的现象。在回波强度改正量计算时，为简化计算而不失一般性，可对声纳方程进行相应简化^[8-10]，如式⑶所示：20log10 |V_r |≈EL－2TL(r)＋BS(r)          ⑶式中，V_r为声幅记录值；EL为发射声源级，410kHz对应210dB；TL(r)为传播损失；BS(r)为目标强度。而传播损失TL(r)的计算可用文献中模型计算。目标强度BS(r)中仍包含两部分因素影响，分别为海底照射面积影响和掠射角影响。需说明的是，以上计算过程因为简化而存在一定误差，但包含了主要声幅改正，且改正后超限点少。另外，是否需要加入上述项改正可视试验结果要求而定，本文试验分析中未加入该项改正。若气泡距离侧扫声纳拖鱼过远，造成声能损失过大，可对其进行相应改正。这三项改正中，传播损失TL(r)的量值较其他因素的改正量值大，在要求不高的情况下也可仅加入传播损失TL(r)的改正。在确定了各Ping的声幅读取范围（示意图见图3）后，可对读取的各Ping声幅进行相应计算，设声幅值为P_i,j，i,j分别为Ping序号和各Ping的回波声幅序号，则含气泡第i个Ping的第j回波点声幅与无气泡对应回波点声幅（均值）的差值，用分贝表示为BS_i,j，可用式(4)表示。BS_i,j＝20×log10（P_i,j/P_background_j)         ⑷式中，P_background_j，表示无气泡每个回波点序号对应的平均声幅（背景声幅）。第i个Ping测得的气泡平均反向散射强度BS_i可通过式⑸计算得到：

至此，可得含气泡各Ping分别对应一个反向散射强度，可作气泡反向散射强度随Ping号变化曲线。在侧扫声呐记录文件中，每Ping的头结构中均包含时间变量year、month、day、hour、miniute和second，表示该Ping发生时的时间。然而Ping的采样率（本试验中每秒采样14-15次）明显高于时间的采样率（每秒采样一次），即相邻多Ping对应同一时间。在本文试验数据处理中，将含气泡的各Ping时间进行对比，具有相同时间的Ping气泡反向散射强度取均值，作为这一秒对应得气泡反向散射强度。

图3 读取的各Ping的声幅序列示意图以上在计算回波强度时在多处采用均值，主要是因为侧扫声纳回波声幅采样率高，且回波声幅值的大小变化不一（由照射区域内回波信号相位叠加造成），采用均值使得气泡的目标反向散射强度区域平稳，能够从气泡对声波的反向散射强度的角度，有效说明气泡从产生到消失这一物理过程。

三、实验结果分析

⒈ 声图解释在室内水池进行本文试验，水池长宽高分别为120米、40米和5米，将拖鱼沿宽度方向置于水面下1米处，并沿水池长度方向池底放置气泡产生装置，该装置距离拖鱼水平距离为15米，对应图2(b)中，d₁＝1m，d₂＝4m，d₃＝15m。用拖鱼左舷换能器照射气泡幕，采用频率410KHz，量程取50米。气泡产生前后声图如图4所示：

图4 气泡产生前后声图对比图4中，声图之所以未出现水面线，是因为水面反射线(1m)位于换能器谐振时间(本次试验谐振时间约为1.61s)内，故在水面反射回波到达换能器时，换能器尚未记录回波幅值。试验中，由于试验水池深度为4米，拖鱼距水面1米，距池底3米，而换能器的波束角较大(-3db对应50度)，故换能器发射声波在发射与接收过程中产生多路径效应，某时刻所测回波幅值为各路径上返回声波幅值的叠加，如图5所示。理论上，气泡产生区域对应声图上15m～15.30m。但是由于试验水池深度较浅，且是水泥底，声波在水面和池底间产生多次反射，并在空间叠加，气泡影响区域大于上述区域。试验场所引起的多路径效应，在数据中无法去除。因此，在利用式(2)-(5)进行回波幅值提取及平均反向散射强度计算时，可只考虑15～15.3m，以消除多路径效应影响。

图5 多路径效应⒉ 气泡的声反射强度试验中发现，气泡产生后声呐图像中呈现强弱分布不均的几个区域，如图4所示，其大致可分为：0～1.2米，为换能器谐振区，1.2～3米为水体区，3～50米为海底区。由于气泡及多路径效应影响，15～20米、25～30米间回波强度较强。图6为气泡产生前某Ping左舷15～15.3m范围内接收回波声幅曲线，其中红色曲线为气泡产生前回波声幅曲线，蓝色为气泡产生后回波声幅曲线。从图6中可以看出，气泡产生前后回波强度变化较大，能反映出气泡的声反射特性。 

图6 气泡产生前后回波声幅曲线(红色为气泡产生后，左舷)

图7 目标区域内气泡的反射强度曲线

试验中气泡产生时，声呐ping数对应28000，水池中气泡视觉上完全消失时，声呐ping数对应30630，提取该部分目标区域回波幅值，对其按式(3)进行声能传播损失补偿后，通过式(4)计算某ping在目标区域气泡产生前后的反向散射差值，用分贝表示。结果如图7所示。根据式(5)，计算某ping目标区域气泡的平均反射强度，并作气泡从产生到消失期间气泡平均反射强度曲线，如图8所示。

图8 各时刻对应的目标区域平均反射强度从图8中可以看出，气泡产生后，气泡的反向散射强度先随着气泡数的增加而出现小量值的增强，在装置不再产生气泡后，水体中的气泡逐渐消失，回波强度慢慢减弱。图中可看出，本次试验中气泡持续时间大约为2秒，与视觉上气泡持续时间相近。

四、结论

本文在分析侧扫声呐原理的基础上，设计了侧扫声呐测量水体气泡回波强度的试验，并提出了气泡回波强度的计算方法，试验结果能有效量化气泡从产生到消失这一物理过程，验证了方法的可行性。本文计算方法中，声呐图像中气泡出现的区域是提取气泡声反射强度的关键。另外，本文试验在室内水池中进行，未考虑海洋以及测量平台的动态环境影响。因此在外业测量时应对声呐图像作准确的解释，便于后期气泡回波强度提取。

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【作者简介】孙新轩，男，1976出生，工程师，博士，主要研究方向为海洋测绘研究。

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