1、海洋技術(shù)|淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納儀器校準(zhǔn)與檢測【摘要】淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納是海洋領(lǐng)域最常用的聲納儀器，針對此類儀器 出臺相關(guān)校準(zhǔn)和檢測等計量化的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已是勢在必行。先針對這兩種儀器提 出了 “兩步走”的校準(zhǔn)和檢測方法：聲學(xué)參數(shù)校準(zhǔn)：提出了淺地層剖面儀和側(cè) 掃聲納儀器主要聲學(xué)性能參數(shù)的校準(zhǔn)方法；海上實際效果檢測：提出了淺地層 剖面儀和側(cè)掃聲納實際探測效果評價指標(biāo)的檢測方法；最后對建設(shè)具備高效消聲 性能的大型試驗水池及海上標(biāo)準(zhǔn)地層檢測場和海底標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)物檢測場進(jìn)行了展 望。引言單波束測深儀(SBE)、多波束測深系統(tǒng)(MBE)、淺地層剖面儀(SBP)和 側(cè)掃聲納(SSS)都是基于聲學(xué)原理研發(fā)的連

2、續(xù)探測海底地形地貌和淺部地 層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的地球物理調(diào)查儀器。近年來，隨著我國近海油氣資源的大規(guī)模開發(fā)、國土資源大調(diào)查的展開、各種海洋工程建設(shè)的不斷增加以及 各種海底災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納等聲學(xué)儀器 在國內(nèi)諸多管理部門、科研院所、各大高校、海軍、各級勘察測繪院及涉 水涉海大中型企業(yè)等被大量引進(jìn)，得到了廣泛應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用。但是，由于缺乏相關(guān)儀器校準(zhǔn)與檢測的方法體系，這些常用的聲納設(shè) 備無法進(jìn)行規(guī)范有效的檢測和校準(zhǔn)，只能采取自校和比測的方法，且無統(tǒng) 一規(guī)范，甚至有些人拿來就用，缺少最基本的儀器運行質(zhì)量評價程序，這 樣所獲取的數(shù)據(jù)資料存在很大的質(zhì)量隱患，嚴(yán)重影響到探測結(jié)

3、果的準(zhǔn)確性 和可靠性。因此，當(dāng)務(wù)之急是要研究這些常用聲納儀器的校準(zhǔn)與檢測的關(guān)鍵技術(shù) 和方法，建立科學(xué)的、權(quán)威的校準(zhǔn)、檢測和檢定體系，保證儀器的有效 性、穩(wěn)定性和可靠性，確保探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度，提升我國海底調(diào) 查資料的質(zhì)量和使用價值，也有利于推動海洋高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，打破 國外技術(shù)壟斷和封鎖，對保障海洋經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、快速、健康發(fā)展具有深遠(yuǎn) 的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文依托海洋公益性行業(yè)科研專項常用海底聲納測量儀器計量檢測 關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用，在項目實踐的基礎(chǔ)上，提出了淺地層剖面儀 和側(cè)掃聲納兩種聲納儀器校準(zhǔn)與檢測的基本方案和具體的方法體系，為以后開展聲納儀器校準(zhǔn)與檢測以及強(qiáng)制性檢定的標(biāo)準(zhǔn)

4、制定和實施提供技術(shù)性支撐和指導(dǎo)意義。二、校準(zhǔn)與檢測的基本方案首先，國內(nèi)外海底聲納儀器的研發(fā)廠商很多，其核心技術(shù)也不盡相 同，推出上市的產(chǎn)品各式各樣，因此造成目前國內(nèi)采購的和正在廣泛使用 的聲納儀器也是型號不一、各種各樣；其次，目前聲納儀器常用的技術(shù)主 要有4種：CW（波聲源（連續(xù)波）、Chirp波聲源（調(diào)頻）、相干聲源（參量陣） 和合成孔徑聲納，它們的原理不同，其儀器的主要性能參數(shù)也不同?；谝陨蟽牲c，認(rèn)為將所有的淺地層剖面儀或側(cè)掃聲納一概而論制定 統(tǒng)一的校準(zhǔn)和檢測標(biāo)準(zhǔn)是不切實際的，也是不可行的；但是，從儀器本身 的性能和其功能來考慮，則可以制定一個統(tǒng)一的基本方法體系來指導(dǎo)具體 的校準(zhǔn)與檢測工

5、作的實施。圖1為淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納儀器校準(zhǔn)與檢 測的基本方案流程圖，分為兩步：室內(nèi)聲學(xué)參數(shù)測定和海上實際效果檢 測。校崔與檢瀾結(jié)果圖1校準(zhǔn)與檢測方法流程圖海I獨耍檢測巾學(xué)會數(shù)測定聲學(xué)參數(shù)測定與校準(zhǔn)無論什么原理、什么型號的淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納都有廠商標(biāo)稱的 聲學(xué)性能參數(shù)，這些參數(shù)是支撐儀器能最終達(dá)到其設(shè)計探測效果的最基本 數(shù)據(jù)。因此，要評價一套聲納儀器是否達(dá)到廠商標(biāo)稱的性能和效果，首先 就要對其主要的聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定。淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納的主要聲學(xué) 參數(shù)及其對儀器的主要影響見表1（注：N/A表示該項不適用）。表1聲學(xué)性能參數(shù)對儀器的影響聲學(xué)參數(shù)淺地層剖面儀側(cè)掃聲納聲源級穿透深度、垂直分辨

6、率有效掃寬頻率穿透深度、垂直分辨率有效掃寬、橫向分辨率脈沖長度穿透深度、垂直分辨率量程分辨率波束角垂直分辨率、水平分辨率N/A水平開角N/A橫向分辨率垂直開角N/A有效掃寬2.海上實際效果檢測淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納探測的最終成果都來自于對海上調(diào)查采集到 的聲學(xué)圖像的處理，目前的技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了圖像的數(shù)字化采集，允許用戶 可以將資料帶回室內(nèi)進(jìn)行更為詳細(xì)的處理和分析，但在海上采集時，選擇 合適的儀器參數(shù)組合和獲取最佳聲學(xué)圖像是非常重要的。淺地層剖面儀和 側(cè)掃聲納海上作業(yè)時評價數(shù)據(jù)質(zhì)量效果的主要指標(biāo)見表2（注：N/A表示 該項不適用）。表2海上檢測實際效果評價指標(biāo)評價指標(biāo)淺地層剖面儀側(cè)掃聲納信噪比越高

7、越好越高越好信混比越高越好N/A檢測力N/A越高越好垂直分辨率越高越好N/A水平分辨率越高越好N/A橫向分辨率N/A越高越好量程分辨率N/A越高越好穿透深度越深越好N/A有效量程N(yùn)/A越大越好三、校準(zhǔn)與檢測的方法體系在海洋公益性行業(yè)科研專項常用海底聲納測量儀器計量檢測關(guān)鍵技 術(shù)研究與示范應(yīng)用的資助下，國家海洋局第一海洋研究所與山東科技大 學(xué)聯(lián)合進(jìn)行了海底聲納儀器校準(zhǔn)與檢測關(guān)鍵技術(shù)的研究，主要涉及單波束 測深儀、多波束測深系統(tǒng)、淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納4 種類型的聲納儀 器，本文主要介紹淺地層剖面儀和側(cè)掃聲納校準(zhǔn)與檢測的在實踐過程中建 立的方法體系。聲學(xué)參數(shù)校準(zhǔn)檢測平臺設(shè)計檢測平臺主要由五部分組成

8、：消聲水池、精密回旋裝置、水聽器升降 裝置、回旋控制設(shè)備和測量記錄設(shè)備（圖2）。檢測平臺建設(shè)是聲學(xué)參數(shù)測 量最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的一步，必須滿足相關(guān)的規(guī)范要求。消聲水池的尺寸要 足夠大，保證被檢換能器與檢測水聽器間的距離滿足遠(yuǎn)場條件，同時水池 壁的消聲材料應(yīng)滿足吸聲系數(shù)和吸聲頻段的要求，必要時池底和水面也鋪 設(shè)消聲材料，最大限度地消除干擾波；精密回旋裝置用于調(diào)整被檢換能器 的聲波發(fā)射方向，要求旋轉(zhuǎn)角度的精度控制要高，滿足小角度等角旋轉(zhuǎn)的 要求，實現(xiàn)被檢換能器水平方向波束角（開角）的測量；水聲器升降裝置用 于調(diào)整水聽器的垂直高度，實現(xiàn)被檢換能器垂直方向波束角（開角）的測 量；回旋控制和測量記錄設(shè)備分別

9、用于控制回旋裝置的旋轉(zhuǎn)和測量、記錄 檢測結(jié)果。圖2聲學(xué)參數(shù)檢測平臺組成示意圖淺地層剖面儀聲學(xué)參數(shù)檢測方法淺地層剖面儀需檢測的主要聲學(xué)參數(shù)有：聲源級、頻率、脈沖長度和波束角（指向型聲源）。檢測聲學(xué)參數(shù)前首先要確定換能器的有效聲中心， 在波束角測量過程中通過研究接收信號的聲壓輻值的變化規(guī)律就可以將有 效聲中心確定。實際檢測時按照以下順序和方法進(jìn)行：波束角：將被檢淺地層剖面儀的換能器安裝在測量架上，換能器的幾何中心與水聽器的高度盡量一致，初始朝向與兩者的連線呈45，控制 淺地層剖面儀發(fā)射聲波，開始測量并記錄，用回旋裝置控制被檢換能器順 時針或逆時針（向水聽器方向）以等角0.1旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)1次，采集1

10、次 數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)90至另一方向，測量過程中可以找到聲壓輻值最大的角度區(qū) 域，區(qū)域中心即可確定為水平方向聲中心。將確定的水平方向聲中心對準(zhǔn) 水聽器方向，用升降裝置以等距1cm向上和向下調(diào)整水聽器的高度，直至 接收不到明顯的脈沖信號為止，測量結(jié)束，此過程也可以找到一個聲壓輻 值最大的區(qū)域，區(qū)域中心即可確定為被檢換能器的垂直方向聲中心。采用 上述測量獲得的各個角度和方向的聲壓輻值數(shù)據(jù)繪制發(fā)射指向性圖計算出 被檢換能器的波束角；聲源級：被檢換能器的聲中心對準(zhǔn)水聽器后，將采集到的聲壓輻值 數(shù)據(jù)代入到聲納方程中計算聲源級；頻率：根據(jù)采集到的脈沖信號的穩(wěn)態(tài)部分?jǐn)?shù)據(jù)，用數(shù)字示波器求取 接收脈沖的實際頻率，可近似

11、作為發(fā)射信號的頻率；脈沖長度：根據(jù)采集到的脈沖信號的穩(wěn)態(tài)部分?jǐn)?shù)據(jù)直接讀取脈沖長 度。以上為被檢儀器1組發(fā)射參數(shù)組合的測量過程，調(diào)整發(fā)射參數(shù)，重復(fù) 上述測量過程，進(jìn)行其它儀器參數(shù)組合的檢測。側(cè)掃聲納聲學(xué)參數(shù)檢測方法側(cè)掃聲納需檢測的主要聲學(xué)參數(shù)有：聲源級、頻率、脈沖長度、水平 開角和垂直開角。與淺地層剖面儀的聲學(xué)參數(shù)檢測一樣，首先也要確定 側(cè)掃聲納換能器的有效聲中心，通過測量水平開角和垂直開角進(jìn)行確定。 實際檢測時按照以下順序和方法進(jìn)行：水平開角和垂直開角：將被檢側(cè)掃聲納拖魚垂直固定在測量架上， 換能器的幾何中心與水聽器的高度盡量一致，初始朝向與兩者的連線呈 45，控制側(cè)掃聲納發(fā)射聲波，開始測量并

12、記錄，用回旋裝置控制被檢換 能器順時針或逆時針（向水聽器方向）以等角0.1旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)1次，采 集1次數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)90至另一方向，測量過程中可以找到聲壓輻值最大的 角度區(qū)域，區(qū)域中心即可確定為水平方向聲中心。將確定的水平方向聲中 心對準(zhǔn)水聽器方向，用升降裝置以等距1cm向上和向下調(diào)整水聽器的高 度，直至接收不到明顯的脈沖信號為止，測量結(jié)束，此過程也可以找到聲 壓輻值最大的區(qū)域，區(qū)域中心即可確定為被檢換能器的垂直方向聲中心。 采用上述測量獲得的各個角度和方向的聲壓輻值數(shù)據(jù)繪制發(fā)射指向性圖計 算出被檢側(cè)掃聲納的水平開角和垂直開角；聲源級、頻率、脈沖長度的檢測與淺地層剖面儀的檢測方法一致， 不再贅述。

13、同樣，調(diào)整被檢側(cè)掃聲納發(fā)射參數(shù)組合，重復(fù)上述過程進(jìn)行其 它參數(shù)組合的檢測。聲學(xué)參數(shù)符合性評價將聲學(xué)參數(shù)的測量值與儀器標(biāo)稱值進(jìn)行比對，做出符合性評價：如果 是新采購儀器，就要分析其測量值是否與標(biāo)稱值相符合，以此評判該儀器 是否能夠達(dá)到設(shè)計要求；如果是已有儀器，要關(guān)注的則是儀器經(jīng)過長時間 使用后是否由于元器件磨損、老化等原因?qū)е侣晫W(xué)性能參數(shù)發(fā)生變化，并 評判儀器性能參數(shù)發(fā)生變化后能否繼續(xù)使用，能否達(dá)到任務(wù)探測的要求。實際效果檢測進(jìn)行海底聲納儀器校準(zhǔn)與檢測的目的是要保證儀器的有效性、穩(wěn)定性 和可靠性，確保探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信度，因此對被檢儀器進(jìn)行海上實 際效果檢測是一項必不可少的程序，檢測效果評價

14、需作為被檢儀器能否滿 足條件繼續(xù)使用的重要判據(jù)。淺地層剖面儀實際效果檢測方法淺地層剖面儀海上實際效果評價依賴于獲取的聲學(xué)剖面圖像的質(zhì)量， 評價指標(biāo)主要有：信噪比、信混比、垂直分辨率、水平分辨率和有效穿透 深度。淺地層剖面儀海上實際效果檢測時選擇的海底地層條件至關(guān)重 要，地層條件對淺地層剖面儀的實際探測效果有重要的影響，實踐中，可 以在消聲水池中建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)地層檢測場進(jìn)行檢測（圖3），也可以選擇海底地 層具有代表性的典型海域進(jìn)行檢測，但均應(yīng)設(shè)置多種發(fā)射參數(shù)組合分別進(jìn) 行多次檢測。圖3淺地層剖面儀實際效果檢測場模型示意圖信噪比：回聲信號有效功率與噪聲有效功率的比率，是影響聲學(xué)剖 面圖像可判讀性的最重要

15、的指標(biāo)。信噪比的高低可采取兩種評價方法：設(shè) 定臨界值，采用公式計算實際聲圖的信噪比進(jìn)行評判；直接對聲圖進(jìn)行判 讀，若地層界面清晰可見，背景“雪花”型噪音較弱可評判為信噪比高， 反之，“雪花”型噪音掩蓋了地層界面或嚴(yán)重影響地層界面的劃分則評判 為低；信混比：回聲信號有效功率與海底混響有效功率的比率，球面波聲 源、淺水區(qū)和較“硬”的海底容易出現(xiàn)混響，特別是淺水區(qū)對淺地層剖面 圖像的影響較大，信混比的高低主要與選擇的測試海域有關(guān)，不作為判定 儀器性能的依據(jù)；垂直分辨率：能分辨的最薄地層的厚度，理論垂直分辨率主要由脈 沖寬度決定，但影響實際垂直分辨率的因素很多。建立圖3中B處的“楔 形”地層進(jìn)行垂直分

16、辨率檢測，淺地層剖面儀從左側(cè)向右進(jìn)行連續(xù)測量，在B處聲學(xué)圖譜上會形成從無到有并慢慢變厚的層序I的連續(xù)剖面，以 此可判讀出被檢淺地層剖面儀的實際垂直分辨率Ah min。水平分辨率：能區(qū)分開兩個目標(biāo)物的最小間距，即聲波在海底形成 的“腳印”的尺寸，主要由指向型換能器的波束角和水深決定。通過在海 底安放距離連續(xù)變化的一系列目標(biāo)物（圖3中A處）可以實現(xiàn)實際水平分辨 率的檢測。有效穿透深度：與淺地層剖面儀的性能和海底地質(zhì)條件都有關(guān)系， 因此建立標(biāo)準(zhǔn)地層檢測場對淺地層剖面儀實際穿透深度的檢測來說具有非 常重要的意義。如圖3,隨著淺地層剖面儀向右連續(xù)性探測，層序I的厚 度逐漸增加，當(dāng)厚度增加到大于 hmax

17、時，不能接收到層序I與層序II間 界面的有效反射信號了，那么Ah max就可判定為被檢淺地層剖面儀在該種 地質(zhì)條件下的有效穿透深度。側(cè)掃聲納實際效果檢測方法側(cè)掃聲納實際效果評價也是依賴于獲取的聲學(xué)回波圖像的質(zhì)量，評價 指標(biāo)主要有：信噪比、檢測力、橫向分辨率、量程分辨率和有效量程。實 踐中，要想找到滿足要求的天然海底來檢測側(cè)掃聲納的實際分辨率等參數(shù) 并不容易，因此需人工制做典型的目標(biāo)物安置于海底進(jìn)行檢測。信噪比：與淺地層剖面儀的檢測和評價方法一致，不再贅述；檢測力：能夠檢測到的目標(biāo)物的最小尺寸，這個尺寸越小，側(cè)掃聲 納的檢測力越高。采用圖4的方法（布設(shè)于海底的管狀目標(biāo)物直徑均勻變 化）測定被檢側(cè)

18、掃聲納的實際檢測力。 檢測力的高低受側(cè)掃聲納拖魚距離 海底的高度和測量船速度影響較大，實測時需調(diào)整這2個參數(shù)進(jìn)行多次測 定。圖4側(cè)掃聲納的檢測力測定方法示意圖橫向分辨率：兩個平行于測線方向上的物體之間的最小距離，能在 記錄圖像上清晰地顯現(xiàn)出兩個影像，它是聲波傳播到海底某個點處的波束 寬度。采用圖5的方法（在海底測線方向上布設(shè)距離依次增加的一系列目 標(biāo)物）檢測側(cè)掃聲納的實際橫向分辨率。 橫向分辨率受側(cè)掃聲納的水平波 束開角、脈沖發(fā)射間隔和測量船速影響較大，實測時需調(diào)整這3個參數(shù)進(jìn) 行多次測定。圖5側(cè)掃聲納的橫向分辨率檢測方法示意圖量程分辨率：垂直測線方向上的兩個物體之間的最小距離，能在記 錄圖像

19、上清晰地顯現(xiàn)出兩個影像。采用圖6的方法（在海底量程方向上布 設(shè)距離依次增加的一系列目標(biāo)物）檢測側(cè)掃聲納的實際量程分辨率。量程 分辨率受側(cè)掃聲納發(fā)射頻率、脈沖長度、拖魚距離海底的高度和測量船速 影響較大，實測時需調(diào)整這4個參數(shù)進(jìn)行多次測定。圖6側(cè)掃聲納的量程分辨率檢測方法示意圖有效量程：側(cè)掃聲納實際工作時，當(dāng)我們設(shè)定一個量程（單側(cè)掃寬）L后，并不是量程范圍內(nèi)的回波信號都是有效的，很多時候在距離拖魚 水平距離Lmax （L）以外的回波接收不到，這個Lmax即為其有效量程。采 用圖7的方法（在海底布設(shè)與測線方向呈一定角度的柱狀或管狀目標(biāo)物）檢 測側(cè)掃聲納的有效量程。有效量程受側(cè)掃聲納拖魚距離海底的高度、發(fā)射 間隔和測量船速影響較大，實測時需調(diào)整這3個參數(shù)進(jìn)行多次測定