低频宽带多波束声呐系统设计及试验研究

2020-03-06姜春华王心怡纳杰斯刘宝军何其煜丁明惠

水下无人系统学报 2020年1期

岳雷, 姜春华, 罗松, 王心怡, 纳杰斯, 马雪, 刘宝军, 何其煜, 丁明惠

低频宽带多波束声呐系统设计及试验研究

岳雷, 姜春华, 罗松, 王心怡, 纳杰斯, 马雪, 刘宝军, 何其煜, 丁明惠

(昆明船舶设备研究试验中心, 云南昆明, 650051)

声学方法探测沉底及掩埋小目标在沉埋雷探测、海洋油气田管线定位等军民技术应用领域有着迫切需求及重要意义。文中概述了浅地层剖面仪、合成孔径声呐及海底三维成像系统等几种主流声学探测沉底及掩埋目标技术装备的现状及特点, 分析了各自优势及存在的不足。并针对沉底及掩埋有限长管线目标探测需求, 分析了低频宽带多波束声呐探测沉底及掩埋有限长管线目标的混响抑制及空间分辨能力, 设计了系统的技术指标、使用方式、声探测基阵技术方案、硬件技术方案、信号处理流程、软件界面及软件处理流程, 归纳总结了文中设计的低频宽带多波束声呐系统特点, 在湖上完成了沉底有限长管线目标的试验验证。结果表明, 低频宽带多波束声呐能可靠并有效地探测沉底管线目标。

声学探测; 沉底及掩埋小目标; 管线; 低频宽带多波束声呐

0 引言

水下沉底及掩埋小目标的探测在军事及民用领域有着重要意义, 如海战中探测到敌方布放的水雷后扫雷以减小我方损失; 定位海洋油气田沉埋管线的路由, 估计其悬跨或埋设深度, 掌握海底管线情况, 及时发现隐患并予以排除, 保障海底管线的安全运行等[1]。

探测沉底小目标需要有足够高的空间分辨率, 因此, 探测信号需要有较高的距离分辨率, 检测波束需要有较高的空间角度分辨率; 探测掩埋目标还需要考虑声波对海底有一定深度的穿透能力, 探测信号的频率通常在40 kHz以内[2]。因此, 要同时具备以上探测能力, 宜采用低频宽带声学探测系统。声学方法探测掩埋小目标面临的技术难点主要包括目标的有效“照射”和有效接收问题、海底界面的强混响干扰、小目标散射特性的空间不均匀性问题等[3]。

目前, 探测沉底及掩埋小目标采用的声学探测技术和装备包括浅地层剖面仪、合成孔径声呐及海底三维成像系统[4]。

从20世纪70年代起, 国外学者就开始了浅剖探测技术的研究, 目前其浅地层剖面探测技术比较成熟, 已实现浅地层剖面探测系统的产品化、产业化及系列化。国际从事深海浅地层剖面探测系统的生产厂商主要有: 美国的EdgeTech、Teledyne和SyQwest, 挪威的Kongsberg和德国的Innomar等公司[4]。其中: Innomar公司生产了可以船载的SES-96、SES2000参量阵剖面仪、Chirp III浅地层剖面仪等[5-7]; Kongsberg公司研制的TOPAS PS 180可以在全海深(11 000 m)实现高分辨率的浅地层剖面测量, 差频发射声源级达204 dB, 可穿透200 m的黏土底质, 获得0.15 m的垂直分辨率。图1为TOPAS PS 180浅地层剖面仪的系统组成图, 图2为典型浅地层剖面仪探测到的掩埋管线图。Deimling等[8]研究了参量阵技术在不同掠射角下探测掩埋电缆的性能, 理论分析及试验结果表明, 40°掠射角时, 在泥质沉积层中, 掩埋电缆的回波信混比最大, 探测效果最好。Tesei等[9]研究了有限长圆柱体目标的低频声散射特性, 并采用参量发射阵发射1~15 kHz的差频宽带探测信号, 128阵元的接收阵(孔径11.41 m)接收回波经多波束信号处理, 完成了掩埋目标的探测。

低频合成孔径声呐技术是一种穿透性好、分辨率高的成像声呐系统, 可搭载在无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)、水面船等多种平台上, 用以完成掩埋小目标成像、地貌成像、海底管道探测, 以及海底光缆探测等多种复杂任务[10]。

图1 TOPAS PS 180浅地层剖面仪系统组成图

图2 浅地层剖面仪探测到的沉埋管线图

近几年, 国内苏州桑泰海洋仪器公司成功研制了高低频组合应用的双频合成孔径声呐, 其低频采用8~16 kHz、高频采用100~120 kHz的宽带探测信号, 低频合成孔径声呐方位向(航向)的分辨率为0.20 m、距离向(横向)的分辨率为0.10 m, 最大探测埋深为2 m; 高频合成孔径声呐方位向(航向)的分辨率为0.08 m, 距离向(横向)的分辨率为0.05 m。图3所示为双频合成孔径声呐外形图, 图4为双频合成孔径声呐探测的掩埋线缆。此外, Xiang等[11]研究了浅水低频合成孔径声呐抑制多径的信号处理方法, 研制了适用于自主式水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)搭载的合成孔径声呐样机并通过试验验证; Williams[12]研究了合成孔径声呐的一种快速成像方法, 已完成多次海试, 取得了较好的探测效果。

海底三维成像系统基于高效率的软硬件数据处理技术, 并采用高低频声学探测组合方式, 可对一定范围和尺度下的海底底质进行三维成像。2016年, 英国南安普顿国家海洋学中心研发了Chirp型海底三维成像系统。该系统重203 kg, 尺寸为4.35 m× 3.10 m×1.95 m, 工作频率1.5~13 kHz, 接收阵列共有240个水听器, 水平面的分辨率为0.25 m×0.25 m, 可以对海底掩埋物进行成像, 其外形如图5所示, 其探测的目标成像如图6所示。图中, 纵坐标twt表示双程传播时间[13]。

图3 双频合成孔径声呐外形图

图4 双频合成孔径声呐探测的掩埋线缆图

图5 Chirp型海底三维成像系统外形图

图6 Chirp型海底三维成像系统探测的掩埋目标成像图

Hamschin等[14]根据目标的散射函数(或频率响应)设计了最优声呐探测波形, 对于沉底目标的探测性能较好, 但对于全掩埋目标来说, 宽带线性调频信号比最优声呐探测波形有着更好的探测性能。

此外, 将时反(time reversal, TR)和多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)结合的声学探测沉底或掩埋目标技术[15-16]以及仿生探测技术方法[17-18]也有相关研究, 但都停留在理论分析和实验室研究阶段。

浅地层剖面技术具有较强的沉积层穿透能力, 但其目前只能采用的单波束工作方式决定了其较低的探测效率; 低频合成孔径声呐技术兼具一定穿透沉积层的能力和较高的航向分辨率(该分辨率和其物理孔径大小无关), 但也存在只能后处理而不能实时处理的不足; 海底三维成像系统对掩埋物具有较高的成像分辨能力, 但较高的分辨能力也表明其物理孔径不会太小, 该工作方式限制了其应用环境。

针对当前几种主流声学探测沉埋目标技术装备的不足, 根据沉底及掩埋有限长管线目标探测需求, 文中设计了低频宽带多波束声呐(如非特别说明, 后文简称多波束声呐)系统,并完成了探测沉底管线目标的湖上试验验证。

1 低频宽带多波束声呐探测能力分析

探测沉底及掩埋有限长管线目标过程中, 海底混响是多波束声呐的主要干扰, 通过分析多波束声呐探测目标回波信混比及探测目标分辨能力, 可为多波束声呐提供设计依据。

1.1 多波束声呐探测目标回波信混比分析

沉底及掩埋有限长管线目标回波信混比为[19-21]

对于沉底有限长管线目标来说, 其目标强度为[19-21]

对于沉埋有限长管线目标来说, 还需考虑声波穿透沉积层2次透射及传播衰减引起的目标强度变化量, 其目标强度为[21-22]

其中

根据式(1)~式(4)及文献[12]分析, 沉底及掩埋有限长管线目标的探测宜采用小掠射角方式探测(即侧扫声呐工作方式), 该探测方式可在提高目标回波信混比的同时扩大探测范围(即提高探测效率)。

根据式(1)~式(4)可知, 掩埋有限长管线目标的探测, 其目标回波信混比受沉积层特性影响大, 而大部分浅海大陆架属于高声速海底, 因此取Hamilton对沉积层分类中的泥类分析目标回波信混比; 受遥控水下航行器(remotely operated vehicle, ROV)安装限制, 多波束声呐声探测基阵尺寸不能太大; 为保证声波对沉积层有一定的穿透能力, 宜采用低频探测信号。仿真多波束声呐探测沉底及掩埋有限长管线目标回波信混比如图7和图8所示, 相关参数如表1所示。

图7 探测信号频率不同时目标回波信混比随掩埋深度变化曲线

图8 掠射角不同时目标回波信混比随掩埋深度变化曲线

表1 掩埋目标及沉积层参数列表

图7仿真结果表明, 探测信号的频率越低,可探测管线目标的掩埋深度越大; 图8仿真结果表明, 掠射角越小, 可探测管线的掩埋深度越大。

1.2 多波束声呐探测目标分辨能力分析

为提高混响抑制能力及横向分辨能力, 宜采用宽带探测信号。宽带线性调频信号具有良好的混响抑制能力及脉冲压缩特性, 采用5~15 kHz的线性调频信号作为探测信号。

图9 多波束声呐探测范围及分辨率示意图

2 低频宽带多波束声呐系统设计

2.1 多波束声呐系统总体设计

根据多波束声呐探测能力分析, 满足泥类沉积层下沉底和一定掩埋深度(如1 m)有限长管线目标的探测需求, 并适用于ROV搭载, 设计的多波束声呐技术指标为:

1) 探测范围不小于50 m×20 m;

2) 可探测沉底及掩埋深度不大于2 m的海底管线目标;

3) 多波束声呐的横向分辨率优于0.10 m, 航向分辨率优于0.30 m。

图10为海底管线探测及定位原理图。ROV搭载多波束声呐在海床上定高航行, 通过多波束声呐探测海底管线相对于ROV的方位及距离, ROV相对于水面支持船的位置由船上安装的超短基线声呐(ultra-short baseline, USBL)测量, 水面支持船的位置由船用全球定位系统(global positioning system, GPS)定位设备测量, 通过数据融合处理估计海底管线路由、沉埋、悬跨参数和大地坐标位置。图11所示为设计的多波束声呐及安装效果图。

图10 海底管线探测及定位原理图

图11 多波束声呐安装效果图

图12为多波束声呐和各测量设备的供电及数据传输协议图。多波束声呐获取的回波数据量大, ROV到水面支持船的脐带缆长将多波束声呐获取的回波在水下转换成光信号, 并传输到水面的计算机进行处理。船用GPS、USBL和高度计获取的数据量小, 可采用RS485串口传输。

图12 多波束声呐和各测量设备供电及数据传输协议图

2.2 多波束声呐声探测基阵方案设计

目标的有效“照射”是探测沉底及掩埋目标的关键技术, 解决这一关键技术需同时兼顾探测效率及空间抑制混响能力, 从传感器角度考虑, 宜采用面尺度发射基阵和检测基阵。图13为设计的声探测基阵及安装结构, 安装倾角可调(具有30°、45°、60°共3个角度), 图14为声探测基阵阵元尺寸及间距。

图13 声探测基阵及安装结构图

图14 声探测基阵阵元尺寸及间距图(单位: mm)

发射基阵采取2×2组阵方式, 换能器为喇叭型, 阵元间距0.14 m; 检测基阵为2个12×4面阵形式, 安装在发射基阵的两侧, 阵元间距0.05 m。为进一步提高探测目标的空间混响抑制能力, 约束检测基阵的长度方向每阵元指向性50°~60°、宽度方向每阵元指向性30°~40°; 为避免水面后向反射回波对检测的影响, 设计检测基阵后辐射抑制不小于10 dB。

图15 实测换能器发射响应曲线

图16 实测换能器检测灵敏度曲线

2.3 多波束声呐硬件方案设计

多波束声呐硬件用于实现声发射信号的功率放大, 声检测信号的采集、传输及模拟预处理。多波束声呐硬件组成见图17, 包括声发射功放、电源管理模块、前置放大电路及信号采集电路。其中, 前置放大电路包括放大电路和滤波电路。为了增加信号动态范围, 前端加入了程控放大器, 其组成框图和信号处理流程见图18。

图17 多波束声呐硬件设计组成框图

图18 声信号处理电路组成框图

带通滤波器的带通滤波电路设计为8阶Bu- tterworth、滤波频带为1~30 kHz。AD采集器基于FPGA设计, 具备同时24通道200 kS/s速率与16 bit精度的信号采集能力, 基于用户数据报(user datagram protocol,), 采用千兆以太网传输采集数据。

2.4 多波束声呐软件设计

1) 多波束声呐信号处理设计

多波束声呐信号处理流程见图19, 其步骤如下。

图19 多波束声呐信号处理流程图

a. 数字带通滤波

采用数字有限冲激响应(finite impulse respo- nse, FIR)带通滤波器滤除回波信号频带外的噪声, 滤波器阶数根据实际情况设定, 文中设计的滤波器阶数为64、滤波频带为3~20 kHz。

b. 无畸变高分辨多波束形成

沿检测基阵长度方向形成多个无畸变高分辨空间检测波束, 将经过数字带通滤波的信号进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)处理, 同多个空间检测波束相乘, 获取每个波束域的回波信号, 即

其中

式中,表示阵元间距。

c.回波包迹获取

将获取的多个高分辨波束域数据同发射信号在频域进行脉冲压缩处理, 再进行抗混响滤波, 获取回波包迹。

d.像素融合

由不同波束域的回波包迹生成像素网格, 并对像素网格进行归位、校准及融合, 最终实现对沉埋管线的探测。

2) 基于LabVIEW平台的多波束声呐软件设计

根据多波束声呐使用需求, 设计的多波束声呐软件如图20所示, 软件界面包括用户配置区、图形界面显示区、数据通信监控区及结果显示区。其中: 用户配置区用于发射信号参数设置、接收信号的程控放大倍数设置等功能实现; 图形界面显示区用于探测信号及回波的时域显示、估计的目标角度及距离波形显示、目标声图显示; 数据通信监控区用于监测网络数据传输状态; 结果显示区用于目标角度、距离及回波强度的显示。

多波束声呐软件流程如图21所示, 软件具备实时探测和数据回放2种工作方式。

图20 多波束声呐图形用户界面

图21 多波束声呐软件流程图

2.5 多波束声呐系统特点

1) 多波束声呐分别有30°、45°和60°共3个可调的安装倾角, 适应ROV搭载, 使用方式灵活便捷;

2) 多波束声呐采用低频宽带探测信号, 可同时兼顾沉底及掩埋有限长管线目标的探测需求, 探测效率高;

3) 多波束声呐声探测基阵及硬件平台具有良好的信号发射、采集、传输及预处理性能;

4) 多波束声呐信号处理方法基于FFT算法, 采用Labview软件实现, 具有实时性好、开发效率高的特点;

5) 多波束声呐系统采用TCP/IP数据传输协议, 方便后续目标融合定位及显控处理。

3 多波束声呐探测沉底管线试验

在湖试水域完成多波束声呐探测沉底管线试验, 该水域水深大于25 m, 试验方案见图22。

图22 多波束声呐探测沉底管线试验方案图

试验船停靠在码头外侧, 将管线布放在距离试验船30 m处并沉底, ROV入水定高航行, 航行高度约20 m, 匀速近似平行管线(不大于±10°, 距管线水平距离在10~30 m之间)航行, 多波束声呐实时探测并返回探测结果。图23为管线布放及ROV入水航行现场照片。

图23 管线布放及遥控水下航行器入水航行试验

图24为低频宽带多波束声呐软件界面及沉底管线探测结果图。试验探测到的目标回波显著, 背景均匀。图25为海底管线探测信息综合处理软件界面及沉底管线定位结果图, 图中坐标(0, 0)为试验船上USBL位置, 黄色区域为ROV航迹, 红色区域为定位的管线位置。

图24 多波束声呐软件界面及沉底管线探测结果图

图25 海底管线探测信息综合处理软件界面及沉底管线定位结果图

图24和图25表明设计的多波束声呐能够可靠并稳定地探测到有限长沉底管线, 结合船用GPS、USBL、高度计结果数据, 能可靠并稳定计算出管线路由。

4 结束语

文中基于声呐方程、海底沉积层声传播特性及待探测管线目标声反射特性, 设计并研制了适用于浅水环境下的低频宽带多波束声呐, 该声呐具有使用方式灵活、探测效率高、实时性好等特点;在湖上完成了沉底管线的探测试验。

试验结果表明, 低频宽带多波束声呐能可靠并有效地探测沉底管线目标。文中设计的低频宽带多波束声呐系统具有良好的工程应用前景。下一步将继续开展低频宽带多波束声呐探测掩埋管线目标的试验研究及其在深水区域探测沉底及掩埋目标的适应性研究。

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Design and Experimental Research of Low-Frequency Broadband Multi-Beam Sonar System

YUE Lei, JIANG Chun-hua, LUO Song, WANG Xin-yi, NA Jie-si, MA Xue, LIU Bao-jun, HE Qi-yu, DING Ming-hui

(Kunming Shipbuilding Equipment Research and Test Center, Kunming 650051, China)

The present situation and characteristics of the acoustic detection technology and equipment for submerged and buried targets, including sub-bottom profiler, synthetic aperture sonar, and three-dimensional imaging systems, are summarized, and their problems and shortcomings are analyzed. In view of the detection requirements for length-finite submerged and buried pipeline targets, the reverberation suppression and spatial discrimination ability of the low-frequency broadband multi-beam sonar for detecting submerged and buried pipeline targets are analyzed. The technical specification, usage mode, technical scheme of acoustic detection array, signal processing flow, software interface and software processing flow are designed. The characteristics of the designed low-frequency broadband multi-beam sonar are summarized. The lake trial of submerged and length-finite pipeline targets detection verifies that the low-frequency broadband multi-beam sonar can detect the submerged pipeline targets reliably and effectively.

acoustic detection; submerged and buried small target; pipeline; low-frequency broadband multi-beam sonar