基于目标探测的侧扫声呐测线布设优化方法研究∗

成 芳张 梦

（1.中国人民解放军91550部队 大连 116023）（2.海军大连舰艇学院 大连 116018）

1 引言

海底目标探测时，通常采用快速扫描与细节查验技术相结合的方式，来提升关注目标的探测效率和识别准确度。即先由测量船搭载的侧扫声呐按照预定航路对任务海区进行海底扫描探测，在较大范围扫描发现目标后，测量船抵近到海底目标所在位置附近，由三维实时成像声呐或潜水员对海底目标进行状态勘察或探摸，获取多角度实况观测图像（具体探测流程见图1）。在这个过程中，如何利用侧扫声呐快速发现疑似目标是海底目标探测的关键问题。而测线布设和测船船速控制作为侧扫声呐扫描过程中的核心内容之一，是实现海区全覆盖测量的主要因素，在兼顾整个海区的扫测效果和扫测效率等方面起着极其重要甚至决定性作用。限于篇幅，本文仅探讨侧扫声呐测线布设的优化方法，测船船速控制问题将另文撰写。

图1 海底目标探测流程图

对于测线布设，侧扫声呐通常情况下需要完成测量的全覆盖，特别地，在进行精细海底地形测量或探测小目标时甚至需要进行200%覆盖测量。另外，由于海流、定位系统误差等影响，在进行测线布设时，为保证至少100%覆盖，相邻两条测线需有一定的重叠宽度［1］。美国提出100%覆盖时，测线间距应不超过1.6倍所选量程，200%覆盖时，不超过0.8倍所选量程。经计算，IHO、美国、英国计算出的测线间距大体一致［2］。相比英美国家的标准，我国的相关测量规范仅给出指导性建议［3～4］，并未根据不同覆盖度进行划分，实际测量时也只是根据测量经验给出相应的设计意见，并没有一套完备的设计方案，一定程度上给探测带来盲目性。随着海底目标探测各环节数字化的日趋成熟，很多学者已开始关注如何实现测线布设的优化问题［5～11］，但大多针对单波束和多波束测量提出，且多是围绕测线布设方式概略性地提出经验式建议，对于侧扫声呐的测线布设问题关注较少。为此，本文基于侧扫声呐系统分辨率分布规律，提出侧扫声呐测线布设优化方法，为海底目标探测的具体实施提供有益参考。

2 侧扫声呐系统分辨率研究

基于侧扫声呐的海底目标探测，必须满足全覆盖的探测要求。全覆盖探测包括横向的全覆盖探测和纵向的全覆盖探测。纵向的全覆盖探测，即沿测线上的连续两ping之间的衔接，主要由波束采样率和测船速度决定。而事实上，波束采样率一经确定，通常不会改变，此时，船速成为影响纵向全覆盖探测的主要因素。但相对困难的是横向的全覆盖探测，其包含两层意义：单ping内实现横向的无遗漏；测船航行的正横方向上相邻两ping的衔接（见图2、图3）。由于侧扫声呐单ping内各个波束是无间隔排列，那么在船的正横方向，单ping内是无空隙全覆盖。因此，横向的全覆盖转化为两条测线之间的全覆盖。通常认为，图2即为横向的全覆盖测量，但事实上，这种工况下有时也会产生漏测现象。这是因为侧扫声呐的系统分辨率在单ping中并不是均匀分布的，波束边缘的系统分辨率较低，无法分辨较小尺寸的海底目标。若要避免漏测现象的发生，相邻两ping必须有适当的重叠（如图2）。但重叠过大，测线间距选择过窄，虽保证了预定的限差要求，却严重影响测量效率，增加工作量，造成不必要的资源浪费；重叠过小或无重叠，测线间距选择过宽，可能无法探测到目标，产生漏测。那么，如何确定相邻两ping的重叠率（即测线间距）是提高测量质量和测量效率的关键。而在对其进行技术设计时，必须充分考虑侧扫声呐条带边缘的分辨率水平，因此，本文在构建侧扫声呐系统分辨率模型的基础上，深入分析其分布规律，为测线布设优化方法的提出提供基础。

图2 100%全覆盖测量示意图

图3 200%全覆盖测量示意图

侧扫声呐系统发射Chirp信号，其压缩脉冲宽度决定了系统距离分辨率，即压缩脉冲宽度越小，系统距离分辨率越高，对回波中噪声信息越敏感。换能器发射脉冲到达海底，在海底形成一定作用区域，称此时声波照射海底的区域为波束脚印［12］（如图4）。波束脚印到声纳换能器间的斜距决定了波束脚印的形成及大小，声线入射角越小，其波束脚印越大。而波束脚印决定了声纳系统分辨率。根据波束的几何关系，可求得侧扫声呐的系统分辨率［13］。

图4 侧扫声呐声照射区示意图

如图4，横向（Across-track）分辨率δy是侧扫声呐系统的发射脉冲宽度、水中声速和掠射角的函数：

其中，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。

当β→90°时，上式无效，可用式（2）代替：

式中，h为拖鱼距离海底高度。

纵向（Along-track）分辨率是波束脚印的纵向宽度，是斜距和水平波束宽度的函数：

其中，R为斜距，θh为侧扫声呐水平波束宽度。

那么，侧扫声呐系统分辨率模型为

从侧扫声呐系统分辨率模型可以看出，侧扫声呐横向和纵向分辨率均非固定值，随传播距离增大而变化。斜距较小时，纵向分辨率较好，斜距较大时，横向分辨率较好。

数值计算表明：换能器正下方纵向分辨率最高（即波束脚印的纵向宽度在整个条带中最短），而横向分辨率最低。另外，综合考虑横向分辨率和纵向分辨率，一般情况下在15°～60°范围内，系统分辨率相对较高，换句话说，声呐图像（瀑布图）中间区域分辨率较高，边缘分辨率明显降低。若海底小目标刚好处于侧扫声呐换能器的条带边缘，可能无法识别，产生漏测。这也进一步印证了仅通过垂直波束开角和水深得到的测线间距进行测量，即便是100%全覆盖（如图2），也可能会产生漏测的情况。

3 测线布设方法

通过上一节对侧扫声呐系统分辨率的分析，本节进一步研究如何科学确定测线的布设方法。具体研究步骤为：提出测线布设的基本原则，进而确定测线布设具体方法，并通过流程图形式总结侧扫声呐测线布设的具体步骤。

3.1 测线布设基本原则

海底目标探测的成功与否主要取决于侧扫声呐的系统分辨率和全覆盖探测的程度。通过上一节对侧扫声呐系统分辨率的分析可知，换能器整个条带的系统分辨率分布并不均匀，条带边缘的系统分辨率明显降低，而通过测线布设间距的控制恰恰可以有选择性地选取满足探测分辨率要求的条带宽度。此时，对探测分辨率的要求可转化为对测线布设的要求，探测分辨率的要求不同，测线布设的方式也将不同。因此，侧扫声呐测线布设的基本原则是：根据侧扫声呐的系统分辨率和试验海区的先验地形信息、水团分布状况，通过调整测线布设方式，来控制所选取的换能器条带宽度，以此保证测量成果满足预定测量要求。

从上述基本原则可以看出，测线布设首先应满足条带与条带间的全覆盖。进一步地，根据侧扫声呐的系统分辨率进一步缩小测线布设间距，来保证预定探测分辨率的要求。实际测量时，还需充分考虑测量的便利性和高效性等因素的影响，统筹确定最终的测量方案。

3.2 测线布设方法

对于测线布设方向，考虑的主要内容是如何在声呐图像中最大限度地反映海底目标。其基本原则：1）测线方向应尽可能与测量海区潮流流向平行。在测量海区潮流影响不大的区域，选择海区的等深线方向为测线方向，进一步地，对于已知先验目标信息的海底目标探测，也可根据实际情况，选择平行于目标走向的方向作为测线方向；2）大面积海底扫描时，测线方向应相互平行；3）系统在海底目标处的分辨率应小于目标尺寸。另外地，当采用粗扫+精扫的探测方式时，粗扫可先初步确定探测目标位置、形状、高度和走向等信息，对于有先验地形图的海区，结合测区坡度走向，选择与坡度走向垂直的方向作为粗扫测线方向。再根据粗扫发现海底目标的位置、形状、高度和走向等信息，选择平行于目标走向的方向作为精扫测线方向。一般来讲，应对目标进行三个方向上扫测。此时，可根据粗扫成果，保持三条测线方向与目标走向相近，测线方向与目标走向夹角绝对值应小于30°，根据不同方向声纳图像，交会出目标或然位置。

对于测线布设间距的选择方法，可按下列的流程图来确定测线间距（如图5）。即根据历史海底地形信息，初步提出适当的施测方案，再根据测量所得的实际海底地形数据，对测线布设间距和方向进行进一步优化，最终得到预定的测量效果。本文提出的测线布设方法体现的是一种逐步优化的设计思想，而为了解决这种逐步优化方法所带来的设计复杂性和难度，在研究过程中编制了侧扫声呐测线布设方法软件，该软件系统直接提高了目标探测前期技术设计的信息化、自动化程度，可为海底目标探测前的测线布设优化设计提供技术支持。

图5 侧扫声呐测线布设优化方法流程图

4 结语

鉴于侧扫声呐在海底目标探测的重要作用，本文在深入分析侧扫声呐系统分辨率变化规律的基础上，对影响海底目标探测效率和探测质量的重要环节进行了研究，提出侧扫声呐测线布设优化方法。研究表明：测线布设方法采用了系统的、优化的理念，可有效平衡间距与探测分辨率的关系，方法合理可行，可为高质高效完成海底目标探测任务提供有力的技术支持。