基于高分辨率多波束声成像的核电站冷源海域水母探测研究

张剑飞

（水下测控技术重点实验室，辽宁 大连 116013）

0 引言

自2011年以来，国内外众多核电机组发生因水母、棕囊藻、泥沙、小鱼虾等影响循环水系统安全可靠运行的事件，堵塞了电站涡轮引入冷却水管道，导致电站不得不关闭反应堆，严重影响机组安全[1-2]。2014 年7 月，红沿河基地大量海月水母堵塞CFI 取水口，造成1、2 号机组短时降功率运行堆；2015年7 月，红沿河基地大量海月水母堵塞CFI 取水口，2 号机组停堆；2016年8月7日，宁德核电厂，由于大量海地瓜涌入取水口，导致反应堆停堆。这些事件对基地电厂运行的安全性和经济性造成了严重影响，使得大多数濒海核电厂已经认识到取水口堵塞事件的严重性[3-7]。本文针对核电站取水区域对水母、鱼群等海生物侵袭的预警需求，利用水下声学高分辨率多波束探测手段[8]，对水母群在海水中的回声特性进行了试验研究；利用特征分析与统计模块对获得的海生物图像信息进行分析处理和特征识别，获取了监测海域水母群的密度分布情况，为核电站冷源水域海生物的预警与处置提供了实测分析依据。

1 原理

高频多波束声成像技术基于声学平面阵，通过平面阵波束形成将探测结果以声图像的形式进行输出，利用其高的信噪比增益实现对弱目标的探测。波束形成技术来自于基阵具有方向性的原理[9-10]。假设平面阵是在水平面水平放置的矩形阵，由m×n个阵元组成，几何关系如图1所示。以阵列的左上角的阵元为参考点，x轴上有n个间距为d的均匀直线阵，另假设信号入射方位角为θ，俯仰角为φ，其中方位角表示与x轴的夹角，则信号入射到第k个阵元上引起的与参考阵元间的时延为

式中，c为声波传播速度。

图1 平面阵示意图Fig. 1 Schematic diagram of plane array

因此平面阵的归一化阵输出幅度为

高频多波束声成像技术基于声学平面阵，通过平面阵波束形成将探测结果以声图像的形式进行输出，利用其高的信噪比增益实现对弱目标的探测。

2 试验装置

基于高分辨率多波束声学法探测海生物技术，构建海生物预警系统，试验装置如图2。在距离电站冷源取水口一定距离，建立监测线，监测声呐与通信浮标建立数据链，利用通信浮标将监测声呐的数据回传到岸上监控室。采用取水口两侧及中心点位布置固定监测站，解决急流水区域覆盖监测能力。在试验水池、大连某海域分别开展了水母等海生物探测试验，获取了水母的回声特性数据。冷源取水口监测点布置如图3所示。

图2 试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of test device

图3 冷源取水口监测点布置示意图Fig. 3 Layout of monitoring points of cold source water intake

3 数据处理方法

3.1 水母个体数据处理

为描述水母反射声波能力，本文给出了水母的相对回声强度RES，RES相对回声强度RES的大小与声源级SL、目标强度TS等参数有关系[11]。

水母相对回声强度RES计算：

式中：n为水母个体回声图像中组成水母回声图像的像素点总数；Ei是第i个像素点的声能量；SS,V表示体积散射体或界面散射面的散射强度；Iinc是入射平面波声强；Iscat是单位体积或单位面积所散射的声强度（折算到单位距离处后）。

为有效检测水母，还研究了另外2个参数：声图像中水母的直径De（简称直径）和声图像中水母的高度He（简称高度）。图4是真实水母的直径与高度，水母伞状体呈扁平状，其高度约为伞状体直径的一半。图5是探测试验中获取的水母图像，图中左下角是获取的水母声图像，右上角是对应的水母姿态示意图，该水母的伞面法向指向右上角。与生物学上的高度和直径定义稍有不同，由于水母不同部位反射声波的能力不同，水母的直径De会小于真实的水母直径；水母的高度He，在某种程度上反映了水母的姿态，姿态不同，获取的高度也会有变化。

图4 真实水母的直径与高度Fig. 4 Diameter and height of real jellyfish

图5 试验中获取的水母声图像Fig. 5 Acoustic image of jellyfish obtained in the experiment

3.2 水母群数据处理

基于获取的水母个体声特征，对声呐探测范围内水母群的个体数量，分布密度等进行估计。

1）水母分布密度估计。

高分辨率多波束声呐的探测波束如图6所示，声呐发射探测波束，回声数据按照距离分辨率形成等间距的球形弧面切片，以下简称切片，每个切片都覆盖50°×50°的空间角。

假设海水中的水母在同一切片上是均匀分布的，水母的运动状态是随机的，在该条件下进行水母的分布密度估计。

在对海水中目标个数进行统计时，首先统计每个切片上的目标的个数，然后得到探测范围内目标的总数，如下：

图6 声呐探测结果切片示意图Fig. 6 Slice diagram of sonar detection results

式中：num为目标总数；i为切片序号；i0为切片总数；mi为第i个切片上目标的个数。水母的分布密度ρ为

式中，V为试验中声呐探测范围内水体的体积。

2）水母群散射强度计算。

在水母探测过程中，将水中所有水母目标的作为一个群体，计算该群体的散射强度。散射强度SS,V定义如下：

距离散射体（面）1 m处，被单位面积或单位体积所散射的声强度与入射声波强度的比，并将此比值用分贝数表示，即

3.3 水母分布密度计算

水母分布密度计算方法：利用水母个体的声学参数，相对回声强度RES、直径De和高度He设定检测阈值，统计海水中的水母个数和分布密度。具体步骤如下：

第一步：对回声数据进行传播损失补偿；

第二步：水母回声数据做切片处理；

第三步：设置检测阈值进行水母个体检测，阈值包括水母尺度阈值和相对回声强度阈值；

第四步：计算水母分布密度；

第五步：统计结果分析。

4 试验结果

水母的体壁结构由2层上皮细胞夹有中胶层构成，中胶层厚度较厚，体壁围绕的胃循环腔是一个简单的囊，或是被膜分割成4个胃囊（图7(a)）。水母个体的回声图像由2部分组成：1个面积较大的背景亮点和4个面积较小的回声亮点，如图7(b)所示，为某次探测中处理后的回声图像（已经归一化）。通过对比分析，发现图中面积较大的背景亮点是由水母的伞状体（中胶层）反射声波产生，而4个亮度较高的亮点对应水母的4个胃囊。

图7 水母图像Fig. 7 Image of Jellyfish Real image Acoustic image

图8、图9给出了水母分布密度随时间变化特性和水母群体散射强度随时间变化特性，从图中可以看出，两者的变化趋势比较一致，呈现出波动性，体现了海水中水母分布密度时间和空间上的分布不均匀性。水母分布密度随时间进行起伏，变化范围为100～400个/m3，在该时间段内有4个峰值，分布密度分别为310、320、400、260个/m3，如图10所示。在距离切片上的水母统计个数结果图中，相同时刻在距离切片上水母个数分布呈现条带状，并且与其他时刻相比，该时刻内水母个数明显增多。这也说明了水母在海水中分布的不均匀性，具有随时间变化的特点。该时间段内水母平均密度为254个/m3。

图8 水母分布密度随时间变化特性Fig. 8 Variation characteristics of jellyfish distribution density with time

图9 水母群体散射强度随时间变化特性Fig. 9 Variation characteristics of jellyfish population scattering intensity with time

图10 水母分布密度随距离变化Fig. 10 Distribution density of jellyfish varies with distance

图11、图12为另一单程水母分布密度随时间变化及水母群体散射强度随时间变化特性。由图可知水母分布密度随时间进行起伏，变化范围为100～350个/m3，在该时间段内有4个峰值，分布密度分别为370、350、320、350个/m3。在距离切片上的水母统计个数结果如图13所示，相同时刻在距离切片上水母个数分布呈现条带状，并且与其他时刻相比，该时刻内水母个数明显增多。这也说明了水母在海水中分布的不均匀性，具有随时间变化的特点。该时间段内水母平均密度为274个/m3。

图11 水母分布密度随时间变化特性Fig. 11 Variation characteristics of jellyfish distribution density with time

图12 水母群体散射强度随时间变化特性Fig. 12 Variation characteristics of jellyfish population scattering intensity with time

图13 水母分布密度随距离变化Fig. 13 Distribution density of jellyfish varies with distance

本文从水母个体和水母群2个角度出发，分别提取了表征水母个体特征的参数和表征水母群体特征的参数。针对水母群体，提取了水母分布密度和散射强度2个参数来表征其特征，在此次水母探测试验中，散射强度关于水母分布密度近似成正比。

5 结束语

本文采用水下声学高分辨率多波束探测方法对水母等海生物进行了探测，并获取其回声特性，在水母个体的探测结果中，提取了水母的相对回声强度等特征参数；利用水母个体的特征参数，检测和计数了水母群中的个体数量，为评估水体中水母等海生物的分布密度以及威胁程度提供基础。针对水母群体的探测问题，提出了表征参数水母分布密度和声散射强度，研究结果表明声散射强度与水母分布密度近似成正比；同时表明，利用该高分辨多波束声学法探测核电站出水口海生物是可行的。水母与其他弱散射体目标的辨识有待进一步研究，后续将继续开展水母与鱼、虾、海藻等海洋生物的声射特性差异研究。