海洋技术▏浅地层剖面仪和侧扫声纳仪器校准与检测
【摘要】浅地层剖面仪和侧扫声纳是海洋领域最常用的声纳仪器，针对此类仪器出台相关校准和检测等计量化的标准和规范已是势在必行。先针对这两种仪器提出了“两步走”的校准和检测方法：①声学参数校准：提出了浅地层剖面仪和侧扫声纳仪器主要声学性能参数的校准方法；②海上实际效果检测：提出了浅地层剖面仪和侧扫声纳实际探测效果评价指标的检测方法；最后对建设具备高效消声性能的大型试验水池及海上标准地层检测场和海底标准目标物检测场进行了展望。
一、引言
单波束测深仪(SBE)、多波束测深系统(MBE)、浅地层剖面仪(SBP)和侧扫声纳(SSS)都是基于声学原理研发的连续探测海底地形地貌和浅部地层结构、构造的地球物理调查仪器。 近年来，随着我国近海油气资源的大规模开发、国土资源大调查的展开、各种海洋工程建设的不断增加以及各种海底灾害地质现象的频繁发生，浅地层剖面仪和侧扫声纳等声学仪器在国内诸多管理部门、科研院所、各大高校、海军、各级勘察测绘院及涉水涉海大中型企业等被大量引进，得到了广泛应用，发挥了巨大的作用。
但是，由于缺乏相关仪器校准与检测的方法体系，这些常用的声纳设备无法进行规范有效的检测和校准，只能采取自校和比测的方法，且无统一规范，甚至有些人拿来就用，缺少最基本的仪器运行质量评价程序，这样所获取的数据资料存在很大的质量隐患，严重影响到探测结果的准确性和可靠性。
因此，当务之急是要研究这些常用声纳仪器的校准与检测的关键技术和方法，建立科学的、权威的校准、检测和检定体系，保证仪器的有效性、稳定性和可靠性，确保探测数据的准确性和可信度，提升我国海底调查资料的质量和使用价值，也有利于推动海洋高新技术产业化发展，打破国外技术垄断和封锁，对保障海洋经济的持续、快速、健康发展具有深远的社会效益和经济效益。
本文依托海洋公益性行业科研专项《常用海底声纳测量仪器计量检测关键技术研究与示范应用》，在项目实践的基础上，提出了浅地层剖面仪和侧扫声纳两种声纳仪器校准与检测的基本方案和具体的方法体系，为以后开展声纳仪器校准与检测以及强制性检定的标准制定和实施提供技术性支撑和指导意义。
二、校准与检测的基本方案
首先，国内外海底声纳仪器的研发厂商很多，其核心技术也不尽相同，推出上市的产品各式各样，因此造成目前国内采购的和正在广泛使用的声纳仪器也是型号不一、各种各样；其次，目前声纳仪器常用的技术主要有4种：CW(波声源(连续波)、Chirp波声源(调频)、相干声源(参量阵) 和合成孔径声纳，它们的原理不同，其仪器的主要性能参数也不同。
基于以上两点，认为将所有的浅地层剖面仪或侧扫声纳一概而论制定统一的校准和检测标准是不切实际的，也是不可行的；但是，从仪器本身的性能和其功能来考虑，则可以制定一个统一的基本方法体系来指导具体的校准与检测工作的实施。图1为浅地层剖面仪和侧扫声纳仪器校准与检测的基本方案流程图，分为两步：室内声学参数测定和海上实际效果检测。
图1 校准与检测方法流程图
⒈ 声学参数测定与校准
无论什么原理、什么型号的浅地层剖面仪和侧扫声纳都有厂商标称的声学性能参数，这些参数是支撑仪器能最终达到其设计探测效果的最基本数据。因此，要评价一套声纳仪器是否达到厂商标称的性能和效果，首先就要对其主要的声学参数进行测定。浅地层剖面仪和侧扫声纳的主要声学参数及其对仪器的主要影响见表1(注：N/A表示该项不适用)。
表1 声学性能参数对仪器的影响
声学参数 | 浅地层剖面仪 | 侧扫声纳 |
声源级 | 穿透深度、垂直分辨率 | 有效扫宽 |
频率 | 穿透深度、垂直分辨率 | 有效扫宽、横向分辨率 |
脉冲长度 | 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 |
水平开角 | N/A | 横向分辨率 |
垂直开角 | N/A | 有效扫宽 |
⒉ 海上实际效果检测
浅地层剖面仪和侧扫声纳探测的最终成果都来自于对海上调查采集到的声学图像的处理，目前的技术已经实现了图像的数字化采集，允许用户可以将资料带回室内进行更为详细的处理和分析，但在海上采集时，选择合适的仪器参数组合和获取最佳声学图像是非常重要的。浅地层剖面仪和侧扫声纳海上作业时评价数据质量效果的主要指标见表2(注： N/A表示该项不适用)。
表2 海上检测实际效果评价指标
评价指标 | 浅地层剖面仪 | 侧扫声纳 |
信噪比 | 越高越好 | 越高越好 |
信混比 | 越高越好 | N/A |
检测力 | 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 |
横向分辨率 | 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/A | 越大越好 |
三、校准与检测的方法体系
在海洋公益性行业科研专项《常用海底声纳测量仪器计量检测关键技术研究与示范应用》的资助下，国家海洋局第一海洋研究所与山东科技大学联合进行了海底声纳仪器校准与检测关键技术的研究，主要涉及单波束测深仪、多波束测深系统、浅地层剖面仪和侧扫声纳４ 种类型的声纳仪器，本文主要介绍浅地层剖面仪和侧扫声纳校准与检测的在实践过程中建立的方法体系。
⒈ 声学参数校准
⑴检测平台设计
检测平台主要由五部分组成：消声水池、精密回旋装置、水听器升降装置、回旋控制设备和测量记录设备(图2)。检测平台建设是声学参数测量最基础和最关键的一步，必须满足相关的规范要求。消声水池的尺寸要足够大，保证被检换能器与检测水听器间的距离满足远场条件，同时水池壁的消声材料应满足吸声系数和吸声频段的要求，必要时池底和水面也铺设消声材料，最大限度地消除干扰波；精密回旋装置用于调整被检换能器的声波发射方向，要求旋转角度的精度控制要高，满足小角度等角旋转的要求，实现被检换能器水平方向波束角(开角)的测量；水声器升降装置用于调整水听器的垂直高度，实现被检换能器垂直方向波束角(开角)的测量；回旋控制和测量记录设备分别用于控制回旋装置的旋转和测量、记录检测结果。
图2 声学参数检测平台组成示意图
⑵浅地层剖面仪声学参数检测方法
浅地层剖面仪需检测的主要声学参数有：声源级、频率、脉冲长度和波束角(指向型声源)。检测声学参数前首先要确定换能器的有效声中心，在波束角测量过程中通过研究接收信号的声压辐值的变化规律就可以将有效声中心确定。实际检测时按照以下顺序和方法进行：
①波束角：将被检浅地层剖面仪的换能器安装在测量架上，换能器的几何中心与水听器的高度尽量一致，初始朝向与两者的连线呈45°，控制浅地层剖面仪发射声波，开始测量并记录，用回旋装置控制被检换能器顺时针或逆时针(向水听器方向)以等角0.1°旋转，每旋转1次，采集1次数据，旋转90°至另一方向，测量过程中可以找到声压辐值最大的角度区域，区域中心即可确定为水平方向声中心。将确定的水平方向声中心对准水听器方向，用升降装置以等距1cm向上和向下调整水听器的高度，直至接收不到明显的脉冲信号为止，测量结束，此过程也可以找到一个声压辐值最大的区域，区域中心即可确定为被检换能器的垂直方向声中心。采用上述测量获得的各个角度和方向的声压辐值数据绘制发射指向性图计算出被检换能器的波束角；
②声源级：被检换能器的声中心对准水听器后，将采集到的声压辐值数据代入到声纳方程中计算声源级；
③频率：根据采集到的脉冲信号的稳态部分数据，用数字示波器求取接收脉冲的实际频率，可近似作为发射信号的频率；
④脉冲长度：根据采集到的脉冲信号的稳态部分数据直接读取脉冲长度。以上为被检仪器1组发射参数组合的测量过程，调整发射参数，重复上述测量过程，进行其它仪器参数组合的检测。
⑶侧扫声纳声学参数检测方法
侧扫声纳需检测的主要声学参数有：声源级、频率、脉冲长度、水平开角和垂直开角。 与浅地层剖面仪的声学参数检测一样，首先也要确定侧扫声纳换能器的有效声中心，通过测量水平开角和垂直开角进行确定。 实际检测时按照以下顺序和方法进行：
①水平开角和垂直开角：将被检侧扫声纳拖鱼垂直固定在测量架上，换能器的几何中心与水听器的高度尽量一致，初始朝向与两者的连线呈45°，控制侧扫声纳发射声波，开始测量并记录，用回旋装置控制被检换能器顺时针或逆时针(向水听器方向)以等角0.1°旋转，每旋转1次，采集1次数据，旋转90°至另一方向，测量过程中可以找到声压辐值最大的角度区域，区域中心即可确定为水平方向声中心。将确定的水平方向声中心对准水听器方向，用升降装置以等距1cm向上和向下调整水听器的高度，直至接收不到明显的脉冲信号为止，测量结束，此过程也可以找到声压辐值最大的区域，区域中心即可确定为被检换能器的垂直方向声中心。采用上述测量获得的各个角度和方向的声压辐值数据绘制发射指向性图计算出被检侧扫声纳的水平开角和垂直开角；
②声源级、频率、脉冲长度的检测与浅地层剖面仪的检测方法一致，不再赘述。同样，调整被检侧扫声纳发射参数组合，重复上述过程进行其它参数组合的检测。
⑷声学参数符合性评价
将声学参数的测量值与仪器标称值进行比对，做出符合性评价：如果是新采购仪器，就要分析其测量值是否与标称值相符合，以此评判该仪器是否能够达到设计要求；如果是已有仪器，要关注的则是仪器经过长时间使用后是否由于元器件磨损、老化等原因导致声学性能参数发生变化，并评判仪器性能参数发生变化后能否继续使用，能否达到任务探测的要求。
⒉ 实际效果检测
进行海底声纳仪器校准与检测的目的是要保证仪器的有效性、稳定性和可靠性，确保探测数据的准确性和可信度，因此对被检仪器进行海上实际效果检测是一项必不可少的程序，检测效果评价需作为被检仪器能否满足条件继续使用的重要判据。
⑴浅地层剖面仪实际效果检测方法
浅地层剖面仪海上实际效果评价依赖于获取的声学剖面图像的质量，评价指标主要有：信噪比、信混比、垂直分辨率、水平分辨率和有效穿透深度。 浅地层剖面仪海上实际效果检测时选择的海底地层条件至关重要，地层条件对浅地层剖面仪的实际探测效果有重要的影响，实践中，可以在消声水池中建设标准地层检测场进行检测(图3)，也可以选择海底地层具有代表性的典型海域进行检测，但均应设置多种发射参数组合分别进行多次检测。
图3 浅地层剖面仪实际效果检测场模型示意图
①信噪比：回声信号有效功率与噪声有效功率的比率，是影响声学剖面图像可判读性的最重要的指标。信噪比的高低可采取两种评价方法：设定临界值，采用公式计算实际声图的信噪比进行评判；直接对声图进行判读，若地层界面清晰可见，背景“雪花”型噪音较弱可评判为信噪比高，反之，“雪花”型噪音掩盖了地层界面或严重影响地层界面的划分则评判为低；
②信混比：回声信号有效功率与海底混响有效功率的比率，球面波声源、浅水区和较“硬”的海底容易出现混响，特别是浅水区对浅地层剖面图像的影响较大，信混比的高低主要与选择的测试海域有关，不作为判定仪器性能的依据；
③垂直分辨率：能分辨的最薄地层的厚度，理论垂直分辨率主要由脉冲宽度决定，但影响实际垂直分辨率的因素很多。建立图3中B处的“楔形”地层进行垂直分辨率检测，浅地层剖面仪从左侧向右进行连续测量，在B处声学图谱上会形成从无到有并慢慢变厚的层序Ⅰ 的连续剖面，以此可判读出被检浅地层剖面仪的实际垂直分辨率△hmin。
④水平分辨率：能区分开两个目标物的最小间距，即声波在海底形成的“脚印”的尺寸，主要由指向型换能器的波束角和水深决定。通过在海底安放距离连续变化的一系列目标物(图3中A处)可以实现实际水平分辨率的检测。
⑤有效穿透深度：与浅地层剖面仪的性能和海底地质条件都有关系，因此建立标准地层检测场对浅地层剖面仪实际穿透深度的检测来说具有非常重要的意义。如图3，随着浅地层剖面仪向右连续性探测，层序Ⅰ的厚度逐渐增加，当厚度增加到大于△hmax时，不能接收到层序Ⅰ与层序Ⅱ间界面的有效反射信号了，那么△hmax就可判定为被检浅地层剖面仪在该种地质条件下的有效穿透深度。
⑵侧扫声纳实际效果检测方法
侧扫声纳实际效果评价也是依赖于获取的声学回波图像的质量，评价指标主要有：信噪比、检测力、横向分辨率、量程分辨率和有效量程。实践中，要想找到满足要求的天然海底来检测侧扫声纳的实际分辨率等参数并不容易，因此需人工制做典型的目标物安置于海底进行检测。
①信噪比：与浅地层剖面仪的检测和评价方法一致，不再赘述；
②检测力：能够检测到的目标物的最小尺寸，这个尺寸越小，侧扫声纳的检测力越高。 采用图4的方法(布设于海底的管状目标物直径均匀变化)测定被检侧扫声纳的实际检测力。 检测力的高低受侧扫声纳拖鱼距离海底的高度和测量船速度影响较大，实测时需调整这2个参数进行多次测定。
图4 侧扫声纳的检测力测定方法示意图
③横向分辨率：两个平行于测线方向上的物体之间的最小距离，能在记录图像上清晰地显现出两个影像，它是声波传播到海底某个点处的波束宽度。采用图5的方法(在海底测线方向上布设距离依次增加的一系列目标物)检测侧扫声纳的实际横向分辨率。 横向分辨率受侧扫声纳的水平波束开角、脉冲发射间隔和测量船速影响较大，实测时需调整这3个参数进行多次测定。
图5 侧扫声纳的横向分辨率检测方法示意图
④量程分辨率：垂直测线方向上的两个物体之间的最小距离，能在记录图像上清晰地显现出两个影像。采用图6的方法(在海底量程方向上布设距离依次增加的一系列目标物)检测侧扫声纳的实际量程分辨率。量程分辨率受侧扫声纳发射频率、脉冲长度、拖鱼距离海底的高度和测量船速影响较大，实测时需调整这4个参数进行多次测定。
图6 侧扫声纳的量程分辨率检测方法示意图
⑤有效量程：侧扫声纳实际工作时，当我们设定一个量程(单侧扫宽)L后，并不是量程范围内的回波信号都是有效的，很多时候在距离拖鱼水平距离Lmax (<L)以外的回波接收不到，这个Lmax即为其有效量程。 采用图7的方法(在海底布设与测线方向呈一定角度的柱状或管状目标物)检测侧扫声纳的有效量程。有效量程受侧扫声纳拖鱼距离海底的高度、发射间隔和测量船速影响较大，实测时需调整这3个参数进行多次测定。
图7 侧扫声纳的有效量程检测方法示意图
⑶实际效果评价
海上实际效果检测完后，根据获取的声学图像的信噪比高低、信混比高低、垂直分辨率大小、水平分辨率大小、有效穿透深度、检测力高低、横向分辨率大小、量程分辨率大小和有效量程等指标数据对被检仪器进行实际效果检测综合评价。
四、结论与展望
⒈ 结论
本文针对浅地层剖面仪和侧扫声纳两种海底声纳仪器提出“两步走”的校准和检测方案，即：声学参数测定校准和海上实际效果检测，并系统地阐述了具体的校准和检测方法：
①提出了浅地层剖面仪主要声学参数(声源级、频率、脉冲长度、波束角)和侧扫声纳主要声学参数(声源级、频率、脉冲长度、水平开角、垂直开角)的校准方法；
②提出了浅地层剖面仪实际效果评价指标(信噪比、信混比、垂直分辨率、水平分辨率、有效穿透深度)和侧扫声纳实际效果评价指标(信噪比、检测力、横向分辨率、量程分辨率、有效量程)的检测方法。
⒉ 展望
①建设具备高效消声性能的大型试验水池，并配备高精度的集精密回旋装置、水听器升降装置、控制设备和测量记录设备等一体的海底声纳仪器声学性能参数测定系统；
②选取合适的海域，建设海上标准地层检测场用于检测和评价浅地层剖面仪的实际探测效果，建设海底标准目标物检测场用于检测和评价侧扫声纳的实际探测效果；
③进行多次水池试验和海上试验，优化和完善浅地层剖面仪和侧扫声纳的校准与检测方法；
④推动出台相应的国家标准和规范，建立科学的、权威的海底声纳仪器校准、检测和检定体系，促进我国海洋产业的持续和健康发展。
【作者简介】文/王方旗 周兴华 丁继胜 林旭波 董立峰 陶常飞 梁冠辉 刘敦武 吕京福 崔力, 国家海洋局第一海洋研究所；第一作者王方旗，男，1981年出生，工程师，硕士，主要从事海洋地球物理调查技术的研究；本文来自《中国测绘地理信息学会海洋测绘专业委员会第二十八届海洋测绘综合性学术研讨会论文集》，参考文献略，用于学习与交流。
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