海洋測繪——1常用聲學(xué)探測設(shè)備.doc

聲學(xué)探測設(shè)備：聲學(xué)方法是現(xiàn)代海底地形測量的基本方法，早在19世紀(jì)人類就已經(jīng)認(rèn)識到通過測定海底反射聲波的傳播時間可得到水深值，但直到20世紀(jì)20年代，在電子傳感器技術(shù)高速發(fā)展的基礎(chǔ)上，聲學(xué)測量才取代了傳統(tǒng)的鉛垂測深法。近年來，各種聲學(xué)探測設(shè)備發(fā)展迅速，為我們揭示了小到數(shù)米大到幾千米的海底形態(tài)。基本原理篇：古語有云“工欲善其事必先利其器”，在使用這些“器”之前，首先要了解原理和性能，但是讓所有技術(shù)人員都先學(xué)“水聲原理”顯然是不現(xiàn)實的，去聽從本科開始到碩士階段總計近150學(xué)時的“海底探測與數(shù)字化技術(shù)”的課程更是有些慘無人道了，所以在這部分，我們可以通過幾個經(jīng)典公式來系統(tǒng)了解一下聲學(xué)探測設(shè)備的基礎(chǔ)原理。1. 聲學(xué)方程：這是一個以能量平衡為基礎(chǔ)建立的公式，各參量以分貝為單位，以1微帕的聲強為參數(shù)基礎(chǔ)。下面讓我們認(rèn)識一下各個參量。儀器參量：SL發(fā)射器聲源級，發(fā)射能量大小，通?？烧{(diào)；NL1發(fā)射器自噪聲級，和換能器元件、電子電路有關(guān)，通常是一個定值，且隨著設(shè)備使用時間增長而增大；DI接收指向性指數(shù)，在聲軸上接收器靈敏度最大；DT檢測閥值，接收器所能識別的信號強度下限；介質(zhì)參量：TL信號傳播損失，聲波振動在介質(zhì)中傳遞的能量損失；RL混響級，介質(zhì)的共振所產(chǎn)生的假波；NL2環(huán)境噪聲級，介質(zhì)中存在的聲阻抗界面產(chǎn)生的反射等；目標(biāo)參量：TS目標(biāo)反射強度，與目標(biāo)物外表面的材料有關(guān)，主要涉及與外部介質(zhì)的聲阻抗差異；SL*目標(biāo)聲源級（被動聲納、水下定位系統(tǒng)）我們所使用的聲學(xué)探測設(shè)備都是在聲軸方向上主動發(fā)射聲信號的，聲源（換能器）即發(fā)射器，將聲軸上1m處的信號強度作為基準(zhǔn)，信號到達(dá)目標(biāo)時強度為：SL-TL，返回時為：SL-2TL+TS，在考慮環(huán)境背景的情況下，噪聲的聲強為：NL1+NL2-DI，為了表述簡便，將發(fā)射器自噪聲和環(huán)境噪聲合為NL。分析可知，如果想要使接受器檢測到回聲信號，則有：DTSL-2TL+TS-NL+DI所有聲學(xué)探測設(shè)備的指標(biāo)、參數(shù)都與上面這個等式有關(guān)，在接受器所能識別的信號強度下限固定時，不同的環(huán)境條件下通過調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)獲得最優(yōu)聲學(xué)圖像就是改變等式右側(cè)各個與儀器相關(guān)系數(shù)的過程。2. 儀器分辨率(目標(biāo)物的可識別尺寸)：從聲學(xué)方程中我們知道了聲信號在換能器目標(biāo)物之間傳遞的過程，但是對于目標(biāo)物的探測而言，僅僅有信號返回是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，那么，如何才能實現(xiàn)信號對物體的識別呢，或者說，信號的物理特性和目標(biāo)物之間應(yīng)滿足什么條件時，我們才能得到清晰、準(zhǔn)確的反射圖像呢？在理想狀態(tài)下，聲波在傳播過程中遇到遮蔽物時，如果聲波波長遠(yuǎn)大于遮蔽物特征尺寸，會發(fā)生透射，即直接穿過遮蔽物，當(dāng)波長接近遮蔽物特征尺寸時，會發(fā)生衍射或繞射，只有當(dāng)聲波波長小于遮蔽物特征尺寸時才會發(fā)生反射。但是，由于水體自身存在聲阻抗，信號在傳播過程中會不可避免地發(fā)生衰減，這一現(xiàn)象在深水條件下尤為突出，因此簡單地將聲信號波長當(dāng)做儀器分辨率是不合理的，通常我們會使用一個經(jīng)過簡化的計算參量第一菲涅爾帶半徑作為衡量儀器可識別尺寸的指標(biāo)：Rf1=24+h16式中，為聲信號波長，h為水深，只有當(dāng)Rf1遠(yuǎn)小于目標(biāo)物特征尺寸時，聲信號才能對其進行識別。3.時深轉(zhuǎn)換：發(fā)射器產(chǎn)生的聲信號，到達(dá)目標(biāo)物后發(fā)生反射回到接收器，從發(fā)射到接受的時間差與聲速相乘再除以2，即為發(fā)射器到目標(biāo)物的距離。D=Vt/23. 多普勒頻移：當(dāng)聲源和目標(biāo)物存在相對位移時，回波信號的頻率會發(fā)生改變，這就是著名的多普勒效應(yīng)，具體表現(xiàn)為反射信號的頻率在聲源接近目標(biāo)物時會升高，當(dāng)聲源遠(yuǎn)離時則會降低。f=VVf0這一現(xiàn)象對很多探測設(shè)備都會產(chǎn)生影響，尤其是需要記錄回波信號振幅、相位的設(shè)備，當(dāng)然，可以通過計算程序予以減弱，而有的設(shè)備則是利用這一物理現(xiàn)象來工作的，比如ADCP、電磁式海流計等，通過記錄信號頻率的變化，反算目標(biāo)物的移動速率。4. 聲波的折射偏移：由于溫度、鹽度的差異，海洋中存在一系列聲速界面，即上下層聲速不等的水體，當(dāng)聲信號通過這些界面時，傳播方向會發(fā)生改變。V1sin=V2sin式中V1，V2分別為上下兩層水體的聲速，為聲信號的入射角和折射角，可以看出，首先，垂直入射的信號是不會發(fā)生折射偏移的，其次，入射角越大，偏移量就越大，這一現(xiàn)象對條帶測深系統(tǒng)的影響非常明顯，在沒有水體聲速改正的情況下，條帶測深系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)反演出的海底是呈“V”形的，也就是說測線兩側(cè)越接近邊緣部分測得的水深越淺，海底圖像發(fā)生了極具規(guī)律的變形。常用設(shè)備：通過上文，我們了解了最基本的水聲學(xué)原理，下面就來看看利用這些原理結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)開發(fā)生產(chǎn)出來的各種聲學(xué)探測設(shè)備吧。需要明確幾點，首先，所有設(shè)備都是系統(tǒng)運作，也就是說需要若干輔助設(shè)備才能實現(xiàn)其功能；其次，設(shè)備沒有好壞之分，只有適用環(huán)境、任務(wù)目標(biāo)的差別，即沒有絕對好的設(shè)備，只有適用的設(shè)備；再次，所有的測量數(shù)據(jù)都有多解性，小到對信號的甄別，大到對目標(biāo)數(shù)據(jù)的提取，都需要技術(shù)人員在熟悉儀器原理和區(qū)域環(huán)境的基礎(chǔ)上付出大量的工作，不存在所謂的“完全自動化”。1. 測深儀（或稱單波束）系統(tǒng)配置：測深儀換能器、工控機，定位系統(tǒng)（GPS），需要實時驗潮作業(yè)方式：船體安裝，走航測量，岸上驗潮或RTK潮位修正著名廠商：加拿大KNUDSEN 公司關(guān)鍵詞：時深轉(zhuǎn)換 聲速改正 波束角 運動改正單波束可以說是所有聲學(xué)探測設(shè)備的鼻祖了，其原理非常簡單，就是前文中所提到的時深轉(zhuǎn)換。但是原理簡單并不代表著儀器操作簡單，為了獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)和清晰的反射圖像，現(xiàn)場控制依然有很高的要求，拿換能器吃水來說，太深的話不僅會受二次反射波影響，還可能威脅到行船安全，太淺的話水體噪聲又太大，信噪比降低也會使數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。對于單波束而言，聲速改正是比較簡單的，因為其聲軸是豎直方向的，不牽涉聲波的折射偏移，只需要對沿深度方向的水體聲速進行分層定值或平均再做計算就可以獲得精確水深；由于單波束是記錄最短的信號往返時間進行水深計算，所以目前的單波束都在努力減小波束角，使到達(dá)海地的信號覆蓋區(qū)域盡量縮小，以獲得更為精確的水深數(shù)據(jù)，但是在海床形態(tài)非常復(fù)雜的區(qū)域，即使減小波束角，單波束測得的水深仍然會存在較大誤差（圖1）；對于運動改正問題，目前在單波束測深系統(tǒng)中運用比較少，其原因在于單波束是記錄最短的信號往返時間進行水深計算的，因此在船體的橫搖（roll）、縱搖(pitch)小于波束角時儀器測得的水深是不受這兩種運動影響的，只有船體起伏(heave)會對水深值產(chǎn)生影響（圖2），但是一般在能夠接受的海況條件下測量艇作業(yè)時受浪的作用起伏多是低頻的，這種船體起伏對數(shù)據(jù)的影響可以在后期才處理過程中通過分段平均的方式減弱，從而達(dá)到測量精度要求，因此，只要選擇合適的測量艇，并將單波束固定安裝在其重心位置處，就可以滿一般測量的需要了。圖1 使用單波束測深儀探測形態(tài)變化較大的海床時產(chǎn)生的誤差圖2 波束照射面積范圍內(nèi)船體的晃動對測深數(shù)據(jù)沒有影響TIPS：雖然單波束目前市場逐步縮小，但其在一些特殊條件下仍有不可替代的作用。比如海洋工程領(lǐng)域，試用雙頻測深儀進行浮泥厚度探測就是一種經(jīng)濟、高效的手段，由前文可知，高頻信號分辨能力強，但穿透性弱，相反低頻信號分辨能力弱而穿透性強，通過記錄兩種特定頻率信號的反射圖像就可以很容易地識別浮泥層頂、底界面，例如，在黃河三角洲海域，試用24kHz和100kHz頻率組合的雙頻測深儀反射圖像，剔除不可理數(shù)值后取平均值即可獲得懸浮淤泥厚度。2. 側(cè)掃聲納系統(tǒng)系統(tǒng)配置：聲納拖體、工控機，定位系統(tǒng)（GPS），姿態(tài)傳感器，作業(yè)方式：拖曳式走航測量，著名廠商：美國Klein公司關(guān)鍵詞：半定量設(shè)備 探測面積大 動員時間短 目標(biāo)識別快自二戰(zhàn)以來，聲納就是各國海軍發(fā)展的重點，尤其是冷戰(zhàn)期間的反潛，反水下滲透破壞，側(cè)掃聲納的識別精度、勤務(wù)性、作業(yè)航速大幅度提高，以Klein 8000型側(cè)掃聲納為例，可在航速20節(jié)的條件下獲得高清晰度的海底圖像，當(dāng)然，這玩意兒目前依舊對華禁運。側(cè)掃聲納利用拖體兩側(cè)的換能器發(fā)射、并接受信號，然后根據(jù)信號強弱反演海床形態(tài)（圖3），因此也被商家冠以“地貌儀”的噱頭進行推廣。圖3 側(cè)掃聲納工作原理示意圖圖3 側(cè)掃聲納系統(tǒng)工作原理示意圖但是必須清楚，側(cè)掃聲納只能獲得海底的高低起伏，也就是說它記錄的是地形變化引起的反射信號相對強度的差異，而無法獲得海床上點的精確水深！因此它屬于“半定量探測設(shè)備”。由于側(cè)掃聲納探測面積大，動員時間短，且對于具有特殊外形的目標(biāo)物識別能力強，因此在海洋工程探測，搶險搜救，考古探寶等領(lǐng)域廣泛使用，尤其是搭載磁力儀之后，對于金屬物的探測顯示出了其他儀器、作業(yè)方式無法比擬的優(yōu)勢。目前的側(cè)掃聲納系統(tǒng)多采用雙頻換能器，在滿足大覆蓋寬度的前提下提高分辨率。但是在一些特殊條件下，側(cè)掃聲納的圖像也會具有欺騙性，例如當(dāng)海床上的沙紋小于側(cè)掃聲納的最小分辨尺寸時，聲納圖像上會顯示一片強反射，在沒有其他資料的條件下，作業(yè)人員很容易將這種區(qū)域識別為極硬底質(zhì)甚至是礁石露頭。這種現(xiàn)象是儀器原理決定的，如果拿不準(zhǔn)，可以通過變換測線方向，比對同一區(qū)域圖像的方式進行甄別，如果是極硬底質(zhì)，多次測得的圖像會表現(xiàn)出相似性和規(guī)律性，如果是由于超出儀器分辨能力產(chǎn)生的假波圖像，則一次一個樣，毫無規(guī)律。TIPS：側(cè)掃聲納也有淺水型和深水型之分，因此不能將水深作為側(cè)掃聲納的適用范圍區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)！重量輕、體積小，換能器頻率相對較高是淺水型側(cè)掃聲納的主要特點，通常一個成年男子就可以搬動聲納拖體，如Klein3900型，拖體長度為1.22m，干重僅有29kg,工控機就是一臺筆記本電腦，整體輕便，部署作業(yè)簡便，因此這類側(cè)掃聲納對作業(yè)平臺的要求也相對低一些（圖4）。圖4 便攜式側(cè)掃聲納3.多波束條帶測深系統(tǒng)（簡稱多波束）系統(tǒng)配置：多波束換能器、表層聲速計，工控機，定位系統(tǒng)（GPS），定向系統(tǒng)（羅經(jīng)），姿態(tài)傳感器（三軸MRU），聲速剖面儀（SVP），需要實時驗潮作業(yè)方式：船體安裝，走航測量，岸上驗潮或RTK潮位修正著名廠商：丹麥Reson公司 美國ELAC公司關(guān)鍵詞：時深轉(zhuǎn)換 全覆蓋 聲速改正 波束角 運動改正 將若干個單波束成排放置，就可以得到完全覆蓋其下方的水深值，但這樣顯然不夠經(jīng)濟，覆蓋寬度有限，且需要的換能器也太多。如果我們將一系列不同發(fā)射角的波束集中起來，使其向海底發(fā)射，然后記錄往返時間，這樣不但能探測更寬的區(qū)域，還能縮小換能器的體積，在這一思路的指導(dǎo)下，多波束條帶測深系統(tǒng)誕生了（圖5），當(dāng)然多波束也是目前最為復(fù)雜，作業(yè)控制要求最高的系統(tǒng)。圖5 多波束條帶測深系統(tǒng)原理示意圖由前文可知，入射角越大，在聲速界面處聲波的折射越明顯，所以在作業(yè)過程中需要經(jīng)常量測水體聲速來修正水深數(shù)據(jù)；同時，船體的晃動對波束的影響也不能忽略，需要實時記錄船體的橫搖（roll）、縱搖(pitch)、船體起伏(heave)，以及航向?？梢钥吹蕉嗖ㄊ鴹l帶測深系統(tǒng)所記錄的物理量是非常多的，包括：換能器安裝姿態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、定位導(dǎo)航信息、信號往返時間、聲源處水體聲速、水深剖面聲速、船體運動，把所有這些值全部正確輸入工控機，才能獲得水深數(shù)據(jù)（圖6）。圖6 多波束條帶測深系統(tǒng)主要設(shè)備TIPS：早期的多波束為了獲得較大的覆蓋面積，通常換能器的體積都很大，即使如此，在水深較小時儀器的覆蓋面積然會受到影響，因此多數(shù)情況下都是在深水、中深水環(huán)境使用的，但隨著傳感器原理和技術(shù)的進步，逐漸出現(xiàn)了一些“淺水多波束”，雖然名字接近，但以其原理已經(jīng)發(fā)生了變化，比如，將發(fā)射器和接收器分置，換能器不僅要記錄信號往返時間，還要記錄返回聲信號的振幅、相位，以獲得更寬范圍的精確水深，代表產(chǎn)品有Reson公司的7125，R2sonic公司的2024等，這類產(chǎn)品在繼承了前代產(chǎn)品優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，都實現(xiàn)了發(fā)射頻率的動態(tài)調(diào)節(jié)，以及在不損失數(shù)據(jù)密度前提下的指向性、覆蓋寬度調(diào)節(jié)，使用更為靈活。4.相干聲納條帶測深系統(tǒng)系統(tǒng)配置：換能器、表層聲速計，高度計（單波束），工控機，定位系統(tǒng)（GPS），定向系統(tǒng)（羅經(jīng)），姿態(tài)傳感器（三軸MRU），聲速剖面儀（SVP），需要實時驗潮作業(yè)方式：船體安裝，或拖曳式，岸上驗潮或RTK潮位修正著名廠商：英國GeoSwath，美國Benthos公司關(guān)鍵詞：淺水 信號干涉 全覆蓋 聲速改正 運動改正在多波束發(fā)展過程中，有人設(shè)想，能否結(jié)合側(cè)掃聲納和多波束條帶測深系統(tǒng)二者的優(yōu)點，制造一種小型輕便，既能測量確切水深，又在淺水中有較大覆蓋寬度的儀器，通過實驗，相干聲納系統(tǒng)應(yīng)運而生（圖7）。圖7 船側(cè)懸掛安裝的相干聲納條帶測深系統(tǒng)水下單元，可以看到其“V”形排布的左右舷換能器由于這種設(shè)備是基于側(cè)掃聲納原型的，聲軸無法垂直指向海底，在其正下方信號強度很弱，因此需要再水下單元安裝一個單波束測深儀來補充數(shù)據(jù)空白。實際上，相干聲納條帶測深系統(tǒng)是存在先天缺陷的，因為它是通過少數(shù)換能器（相對于傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)而言）發(fā)射信號，利用聲信號干涉原理獲得極大的波束角，然后記錄回波信號的相位差來測量水深的，也就是說相干聲納過的的水聲值都是經(jīng)過多重相干計算的，而非實測值，因此在海床非常平坦的水域，相干聲納測深系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量很容易出問題。TIPS：對于很多人而言，區(qū)分拖體式相干聲納條帶測深系統(tǒng)和側(cè)掃聲納系統(tǒng)是很難的，因此鬧出過不少笑話，其實只要清楚二者原理上的差異，可以很容易地區(qū)分它們，簡言之，從外觀上來說，側(cè)掃聲納的換能器是拖體兩側(cè)水平安裝的，就好像“H”的兩道豎線，而相干聲納的換能器則是呈“V”形分布的，而且旁邊會安裝聲速計或CTD以記錄換能器處的水體聲速。這類產(chǎn)品比較典型的當(dāng)數(shù)Benthos公司的C3D系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對算法的改進，降低了信號多解性，在目標(biāo)物識別方面明顯優(yōu)于同類產(chǎn)品，但原理上沒有實質(zhì)改進。5.淺地層剖面儀（簡稱淺剖）系統(tǒng)配置：換能器、工控機，定位系統(tǒng)（）作業(yè)方式：多為拖曳式走航測量，少數(shù)采用船體安裝著名廠商：美國Benthos公司關(guān)鍵詞：低頻穿透技術(shù)鉆孔修正當(dāng)我們需要獲知海床以下淺部地層、災(zāi)害地質(zhì)因素、埋設(shè)物等的分布情況時，需要使用一種工作頻率相對較低，對海底地層有一定穿透能力的設(shè)備來實現(xiàn)，這就是淺地層剖面系統(tǒng)（圖8）。這種系統(tǒng)的工作原理也是非常簡單的，和單波束相似，但為了獲得具有特征的回波信號，淺剖通常不會一味地減小波束角，換句話說，它發(fā)射的信號更接近于球面波，因此某些特殊埋藏物的反射圖像特征會很明顯，例如當(dāng)淺剖橫跨海底管道時形成的類似于拋物線的反射信號。圖8 淺地層剖面儀獲得的埋藏古河道圖像由前文介紹可知，如果換能器只輸出一種固定頻率的信號，在分辨能力和穿透性上就必須進行取舍，那么如何使儀器具有一定穿透性的基礎(chǔ)上使其盡可能滿足高分辨呢？這就要提到著名的CHIRP技術(shù)了，簡言之該技術(shù)就是在一次脈沖中加入多個頻率的聲信號，低頻部分具有良好的穿透性，可以達(dá)到較深部的地層，高頻部分則可以較好地反映聲阻抗界面的外形特征（圖9）。f1f2t1t2tf圖9 CHIRP技術(shù)（線性調(diào)頻技術(shù)）信號原理示意圖TIPS：前文說過，任何探測數(shù)據(jù)都有多解性，對于淺剖而言更是如此，在時深轉(zhuǎn)換中，聲速和時間的變化都可能引起深度值的變化，所以說淺剖圖像反映的永遠(yuǎn)是聲信號在淺層沉積物中的時程，而非沉積物厚度！這就好像一個二元一次方程，而這個方程的邊界條件就是測區(qū)鉆孔獲得的巖芯，通過分析不同巖層的聲速，才能還原淺剖圖像中的沉積物厚度。案例分析：前面簡單介紹了聲學(xué)探測儀器的原理和一些目前常用的設(shè)備，相信大家能夠?qū)α至挚偪偟母黝愒O(shè)備有一個大體的認(rèn)識。但是，擁有設(shè)備是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，正如前文所說的，這些儀器的運行絕不是扔水里拖著走，再做一下潮位改正就行的，不可否認(rèn)數(shù)字化技術(shù)使目前儀器設(shè)備的自動化程度、人機交互能力、勤務(wù)性等方面都有了諸多提高，但事情都需要辯證地看，“凡興一利必生一弊”的道理我想大家都懂吧！就拿這些探測設(shè)備來說，高精度，高度自動化、集成化的代價就是系統(tǒng)越來越龐大，添加進來各種精密復(fù)雜的外置設(shè)備，這無疑增大了現(xiàn)場質(zhì)量控制的難度，而后期處理的效果又依賴于高質(zhì)量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，加之海上作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，各種外部因素對儀器、人員的影響可以說五花八門，只有想不到?jīng)]有見不著，所以，想要獲得“看得清、看得準(zhǔn)、解釋得了”的數(shù)據(jù)并非易事！下面就給大家講幾個案例來說明一下。1.港口圍堤土方量測量江蘇北部某港計劃建設(shè)一條圍堤，把水深測量工作交由XXX單位實施，該單位使用海鷹13D雙頻測深儀于當(dāng)年11月施測，后來甲方在進行堆填的時候發(fā)現(xiàn)土方量比設(shè)計水深條件下多出一倍。原因分析：從工作簡報中來看，工作人員犯了