淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶儀器檢測與評價方法研究

王方旗,周興華,丁繼勝,林旭波,董立峰,陶常飛,梁冠輝,劉敦武,呂京福,崔 力

(國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061)

淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶儀器檢測與評價方法研究

王方旗,周興華,丁繼勝,林旭波,董立峰,陶常飛,梁冠輝,劉敦武,呂京福,崔 力

(國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061)

針對淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶這2種聲吶系統(tǒng)探討性地提出了“兩步法”的性能檢測和評價方法:1)聲學(xué)物理參數(shù)檢測:分析了與淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)性能相關(guān)的關(guān)鍵聲學(xué)物理參數(shù)(聲源級、頻率/頻譜、脈沖長度、波束角或開角),并提出了在消聲水池中測定這些參數(shù)的方法;2)實際探測性能評價:分析了與淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)性能相關(guān)的實際探測效果評價指標(biāo),并提出了通過海上試驗來檢測和評價這些指標(biāo)的方法。最后對建設(shè)具備高效消聲性能的大型試驗水池,建設(shè)海底標(biāo)準(zhǔn)地層檢測場和海底標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)物檢測場以真正實現(xiàn)設(shè)備性能的檢定應(yīng)做的后續(xù)工作進(jìn)行了討論。

淺地層剖面儀;側(cè)掃聲吶;聲學(xué)參數(shù);性能評價

單波束測深儀(Single-beam Echosounder,SBE)、多波束測深儀(Multi-beam Echosounder,MBE)、淺地層剖面儀(Sub-bottom Profiler,SBP)和側(cè)掃聲吶(Side-scan Sonar,SSS)都是基于聲學(xué)原理研發(fā)的用于探測海底地形地貌和淺部地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的地球物理儀器[1-2]。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)查的開展、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)事件的頻繁發(fā)生,淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶等聲學(xué)系統(tǒng)被國內(nèi)諸多單位大量引進(jìn),得到了廣泛應(yīng)用,發(fā)揮了巨大的作用[3-9]。

由于缺乏相關(guān)系統(tǒng)性能檢測的方法體系和相應(yīng)的測試設(shè)施,常用的聲吶設(shè)備無法進(jìn)行規(guī)范有效的檢測,只能采取自校和比測的方法,且無統(tǒng)一規(guī)范,缺少基本的系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量評價程序。這將導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)資料精度不高,影響探測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。因此,我們希望通過研究這些常用海底聲吶系統(tǒng)性能檢測的關(guān)鍵技術(shù)和方法,建立科學(xué)的檢測和檢定體系,保證系統(tǒng)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,以提升我國海底調(diào)查資料的質(zhì)量和使用價值。

我們提出了淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶兩種系統(tǒng)的聲學(xué)物理參數(shù)測定和探測性能評價的方法體系,為以后開展此類儀器設(shè)備的檢測及強(qiáng)制性檢定的標(biāo)準(zhǔn)制定和實施提供技術(shù)性指導(dǎo)和借鑒。

1 基本方案

國內(nèi)外海底聲吶系統(tǒng)產(chǎn)品多樣,其核心技術(shù)不同,因此目前國內(nèi)正在廣泛使用的聲吶系統(tǒng)型號不一。海底聲吶系統(tǒng)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,系統(tǒng)的聲波激發(fā)原理不同,其聲學(xué)物理參數(shù)也不同,信號采樣率也會有差異。

基于以上兩點,認(rèn)為將所有的淺地層剖面儀或側(cè)掃聲吶一概而論制定統(tǒng)一的檢測標(biāo)準(zhǔn)是不可行的;但是,從系統(tǒng)本身的性能和功能來考慮,則可以制定一套統(tǒng)一的基本方法體系來指導(dǎo)具體的檢測和評測工作。本文針對淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶提出了“兩步法”的系統(tǒng)性能檢測和評價方法體系(圖1),分為兩步:聲學(xué)物理參數(shù)測定和實際探測性能評價。

圖1 聲吶系統(tǒng)性能檢測流程圖Fig.1 The flow chart of performance test of sonar

2.1 聲學(xué)物理參數(shù)測定

廠商標(biāo)稱的聲學(xué)物理參數(shù)是支撐系統(tǒng)能達(dá)到其設(shè)計探測目標(biāo)的基本數(shù)據(jù)。因此,評價一套聲吶系統(tǒng)是否達(dá)到其標(biāo)稱的性能和效果,首先需對其主要的聲學(xué)物理參數(shù)進(jìn)行測定。淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶的主要聲學(xué)物理參數(shù)及其對系統(tǒng)的主要影響見表1。

表1 聲學(xué)物理參數(shù)對系統(tǒng)的影響Table 1 The influence of acoustic parameters on the instrument

2.2 實際探測性能評價

淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶探測的最終成果來自對海上調(diào)查所采集的聲學(xué)資料的處理。目前的技術(shù)已實現(xiàn)了圖像的數(shù)字化采集,允許用戶將探測資料帶回室內(nèi)進(jìn)行更為詳細(xì)的處理和分析,但在海上采集時,選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)組合和獲取最佳聲學(xué)圖像仍然是非常重要的[10-12]。評價淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶海上作業(yè)時數(shù)據(jù)質(zhì)量效果的主要指標(biāo):信噪比、信混比、檢測力、垂直分辨力、水平分辨力、橫向分辨力、量程分辨力、穿透深度和有效量程(表2)。由于聲吶系統(tǒng)設(shè)備廠商、規(guī)格型號及適用范圍的不同,表2中的評價指標(biāo)無法給出一個定量的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值(大于這個數(shù)值評價為合格,小于這個數(shù)值評價為不合格)。

表2 實際探測性能評價指標(biāo)Table 2 The actual detection performance evaluation indexes

3 方法體系

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)行了海底聲吶系統(tǒng)性能檢測關(guān)鍵技術(shù)的研究,本文主要介紹淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)性能檢測和評價的方法體系。

3.1 聲學(xué)物理參數(shù)測定

3.1.1 檢測平臺設(shè)計

檢測平臺主要由5部分組成: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)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[13-15]。消聲水池的大小主要決定于聲波頻段、聲基陣的最大線度和消聲材料的性能,需形成自由聲場環(huán)境,且保證被檢換能器與檢測水聽器間的距離滿足遠(yuǎn)場條件,所使用的消聲材料應(yīng)滿足吸聲系數(shù)和吸聲頻段的要求,必要時池底、水面和吊裝架等也應(yīng)鋪設(shè)消聲材料,最大限度地消除干擾源;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;水聽器升降裝置用于調(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)檢測平臺示意圖Fig.2 The schematic diagram of testing platform for acoustic parameters

3.1.2檢測設(shè)備的電噪聲測量和采樣率確定

電噪聲是由于電磁場交替變化而引起某些機(jī)械部件或空間容積振動而產(chǎn)生的噪聲,實際是一種幅度較小的交流電壓,從波形上可以分為3類:放大器產(chǎn)生的頻率和形狀均無規(guī)律的雜散波形、線性電源產(chǎn)生的頻率為50或100 Hz的正弦波和開關(guān)電源等產(chǎn)生的頻率幾十到幾百k Hz的方波。聲吶系統(tǒng)的聲學(xué)物理參數(shù)測定在消聲水池中進(jìn)行,已大大降低了環(huán)境噪聲的影響,影響測量的噪聲主要是檢測設(shè)備自身的電噪聲,因此在對各參數(shù)進(jìn)行測定之前需對設(shè)備的電噪聲進(jìn)行評測。實際測試時,可將電噪聲與背景噪聲同時進(jìn)行評測,即在待檢聲吶不發(fā)射的情況下直接接收信號,通過處理和分析接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲評價。

海底聲吶系統(tǒng)的頻率范圍很寬,淺地層剖面儀的頻率為幾百Hz至十幾k Hz,側(cè)掃聲吶的頻率為幾百k Hz甚至上千k Hz。根據(jù)采樣定理(奈奎斯特理論),只有采樣頻率高于原始信號最高頻率的兩倍時,才能把數(shù)字信號表示的信號還原成為原來信號。因此在進(jìn)行聲學(xué)參數(shù)測定時,聲波采集器的采樣率需依據(jù)待檢聲吶系統(tǒng)的頻帶范圍進(jìn)行確定,確保不失真;此外,為了獲取較高的測量精度,所使用的采集卡的位數(shù)應(yīng)至少16位。

3.1.3 淺地層剖面儀的聲學(xué)物理參數(shù)

淺地層剖面儀需檢測的主要聲學(xué)物理參數(shù):聲源級、頻率或頻譜、脈沖長度和波束角。測定聲學(xué)參數(shù)前首先需確定換能器的等效聲學(xué)中心。對于指向型聲源而言,在波束角測定過程中通過研究輻射聲場的聲壓輻值的變化規(guī)律就可以確定等效聲學(xué)中心。實際檢測時應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)組合,對每個聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行重復(fù)測量。

1)波束角:對于指向型聲源存在波束角的概念,波束角影響淺地層剖面儀的分辨力。波束角測定依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《聲學(xué)-水聲換能器測量》[15]進(jìn)行。

2)聲源級:是描述聲吶發(fā)射的聲信號強(qiáng)弱的物理量,其定義為在發(fā)射器輻射聲場中,聲軸方向上離聲源1 m處的聲強(qiáng)與參考聲強(qiáng)之比的分貝數(shù)[16]。將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)代入到聲吶方程中計算聲源級[17]。

3)頻率/頻譜:對采集到的脈沖信號的穩(wěn)態(tài)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,獲取發(fā)射信號的頻譜,并分析信號的各個頻率成分和頻率分布范圍,求取各個頻率成分的幅值分布和能量分布,從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。

4)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。

3.1.4 側(cè)掃聲吶的聲學(xué)物理參數(shù)

側(cè)掃聲吶需檢測的主要聲學(xué)參數(shù):聲源級、頻率或頻譜、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,首先也需確定側(cè)掃聲吶換能器的等效聲學(xué)中心,在測量水平開角和垂直開角過程中,可以將其等效聲學(xué)中心確定。由于側(cè)掃聲吶的換能器是對稱分布的,在檢測時應(yīng)對兩側(cè)換能器分別單獨進(jìn)行測量。

1)水平開角和垂直開角:側(cè)掃聲吶的水平開角影響其橫向分辨力,一般很小,而垂直開角影響量程,一般很大。水平開角和垂直開角的測定參照淺地層剖面儀波束角的測定方法進(jìn)行。

2)聲源級、頻率或頻譜、脈沖長度的檢測與淺地層剖面儀的檢測方法一致。

3.1.5 聲學(xué)物理參數(shù)符合性評價

聲學(xué)物理參數(shù)的測量在消聲水池中進(jìn)行,水的溫度和密度影響聲速,從而會對各聲學(xué)參數(shù)的測量產(chǎn)生影響,因此,應(yīng)根據(jù)實測的水的溫度和密度對各聲學(xué)參數(shù)的測量值進(jìn)行修正。

將修正后的聲學(xué)物理參數(shù)測量值與系統(tǒng)廠商標(biāo)稱值進(jìn)行比對,做出符合性評價:如果是新采購系統(tǒng),則分析其測量值是否與標(biāo)稱值相符合,以此評判該系統(tǒng)是否能夠達(dá)到設(shè)計要求;如果是已有系統(tǒng),關(guān)注的則是系統(tǒng)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)參數(shù)發(fā)生變化,并評判系統(tǒng)聲學(xué)參數(shù)發(fā)生變化后能否繼續(xù)使用以及能否達(dá)到探測的相關(guān)技術(shù)要求。

3.2 實際探測性能評價

進(jìn)行海底聲吶系統(tǒng)性能檢測的目的是保證系統(tǒng)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,因此對測試設(shè)備再實施海上探測試驗是一項必需的程序,評測結(jié)果應(yīng)當(dāng)作為被檢系統(tǒng)能否滿足繼續(xù)使用條件的重要判據(jù)。考慮到海洋環(huán)境的不可重復(fù)性,在檢測時可采用同類型的合格儀器進(jìn)行同步探測,作為參考。

3.2.1 淺地層剖面儀探測性能

淺地層剖面儀海上探測性能評價依賴于獲取的聲學(xué)剖面圖像的質(zhì)量,主要評價指標(biāo)有:信噪比、信混比、垂直分辨力、水平分辨力和有效穿透深度。測試時選擇的地層條件對系統(tǒng)的實際探測效果有重要影響。對于中、高頻指向型聲源的淺地層剖面儀而言,可在消聲水池中建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)地層檢測場進(jìn)行檢測(圖3),但對于低頻聲源和球面波聲源來說,則必須選擇具有代表性地層的典型開闊水域進(jìn)行檢測。試驗時應(yīng)設(shè)置多組系統(tǒng)參數(shù)組合分別進(jìn)行檢測。

1)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)剖面圖像可讀性的重要指標(biāo)。信噪比的高低可采取2種評價方法:(1)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[11];(2)直接對聲圖進(jìn)行判讀,若地層界面清晰可見,背景“雪花”型雜波較弱可評判為信噪比高,反之,“雪花”型雜波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。

2)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,特別是水深較淺時海底混響對剖面圖像的影響較大。信混比的高低主要與選擇的測試水域有關(guān),不作為判定系統(tǒng)性能的依據(jù)。

3)垂直分辨力:能夠分辨的最薄地層的厚度,淺地層剖面儀的理論垂直分辨力主要由脈沖長度決定[18-19],但影響實際垂直分辨力的因素很多。如圖3,建立B處示意的“楔形”地層進(jìn)行垂直分辨力的檢測:被檢系統(tǒng)從左向右進(jìn)行連續(xù)探測,記錄剖面上會形成從無到有并逐漸變厚的層序I的連續(xù)剖面,由此可得到被檢淺地層剖面儀的實際垂直分辨力Δhmin。實際檢測時,首先根據(jù)實測的系統(tǒng)聲學(xué)參數(shù)和測試環(huán)境參數(shù),用正演的方法計算垂直分辨力標(biāo)準(zhǔn)值σhmin,然后將垂直分辨力測量值Δhmin與標(biāo)準(zhǔn)值σhmin相比較,評判被檢系統(tǒng)垂直分辨力的偏差。

圖3 淺地層剖面儀實際效果檢測場模型Fig.3 Actual effect detection field model for sub-bottom profiler

4)水平分辨力:能區(qū)分開2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。如圖3中A處所示,通過在海底安放距離連續(xù)變化的一系列目標(biāo)物可以實現(xiàn)實際水平分辨力Δlmin的檢測。實際檢測時,首先根據(jù)實測的系統(tǒng)聲學(xué)參數(shù)和測試環(huán)境參數(shù),用正演的方法計算水平分辨力標(biāo)準(zhǔn)值σlmin;將水平分辨力測量值Δlmin與標(biāo)準(zhǔn)值σlmin相比較,評判被檢系統(tǒng)水平分辨力的偏差。

5)有效穿透深度:與系統(tǒng)性能和海底地質(zhì)條件有關(guān),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重要的意義。如圖3中C處,采用地層厚度逐漸變厚的方法進(jìn)行系統(tǒng)的有效穿透深度檢測:隨著系統(tǒng)從左向右連續(xù)探測,層序I的厚度逐漸增加,如果當(dāng)厚度增加到大于Δhmax時,恰好接收不到層序I與層序II間界面的有效反射信號,那么Δhmax就可判定為被檢系統(tǒng)在此地質(zhì)條件下的有效穿透深度。實際檢測時,首先根據(jù)實測的系統(tǒng)聲學(xué)參數(shù)和測試環(huán)境參數(shù),用正演的方法計算穿透深度標(biāo)準(zhǔn)值σhmax;然后將有效穿透深度測量值Δhmax與標(biāo)準(zhǔn)值σhmax相比較,評判被檢系統(tǒng)有效穿透深度的偏差。

3.2.2 側(cè)掃聲吶探測性能

側(cè)掃聲吶實際探測性能的評價依據(jù)是聲學(xué)回波圖像質(zhì)量,主要評價指標(biāo):信噪比、檢測力、橫向分辨力、量程分辨力和有效量程。實踐中很難找到滿足要求的天然海底來檢測側(cè)掃聲吶的實際分辨力等參數(shù),因此需人工制做典型的目標(biāo)物安置于海底進(jìn)行檢測。

1)信噪比:與淺地層剖面儀的評測方法一致,不再贅述。

2)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)掃聲吶的檢測力越高。采用圖4所示的方法(布設(shè)于海底的直徑均勻變化的管狀目標(biāo)物)測定被檢側(cè)掃聲吶的實際檢測力。檢測力的高低受側(cè)掃聲吶拖魚距海底高度和測量船速度的影響較大,實測時需調(diào)整這2個參數(shù)分別進(jìn)行測定。

3)橫向分辨力:能在記錄圖像上清晰地顯現(xiàn)出兩個影像的兩個平行于測線方向上的物體之間的最小距離,它是聲波傳播到海底某個點處的波束寬度。采用圖5所示的方法(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)掃聲吶的實際橫向分辨力。橫向分辨力受側(cè)掃聲吶的水平波束開角、脈沖發(fā)射間隔和測量船速度的影響較大,需調(diào)整這3個參數(shù)分別進(jìn)行測定。實際檢測中,首先根據(jù)實測的系統(tǒng)聲學(xué)參數(shù)和測試環(huán)境參數(shù)等,用正演的方法計算每種參數(shù)組合時的橫向分辨力標(biāo)準(zhǔn)值,然后與對應(yīng)的測量值進(jìn)行比較,分別評判被檢系統(tǒng)在各種配置參數(shù)時的橫向分辨力的偏差。

4)量程分辨力:能在記錄圖像上清晰地顯現(xiàn)出兩個影像的量程方向上的兩個物體之間的最小距離。采用圖6所示的方法(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)掃聲吶的實際量程分辨力。量程分辨力受側(cè)掃聲吶頻率、脈沖長度、拖魚距海底高度和測量船速度的影響較大,實測時需調(diào)整這4個參數(shù)分別進(jìn)行測定;實際檢測中,首先根據(jù)實測的系統(tǒng)聲學(xué)參數(shù)和測試環(huán)境參數(shù)等,用正演的方法計算每種參數(shù)組合時的量程分辨力標(biāo)準(zhǔn)值,然后與對應(yīng)的測量值進(jìn)行比較,分別評判被檢系統(tǒng)在各種配置參數(shù)時的量程分辨力的偏差。

5)有效量程:側(cè)掃聲吶實際工作時,當(dāng)我們設(shè)定一個量程(單側(cè)掃寬)L后,有時并不是量程范圍內(nèi)的回波信號都是有效的,很多時候在水平方向上距離拖魚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所示的方法(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)可以檢測側(cè)掃聲吶的有效量程。有效量程受側(cè)掃聲吶拖魚距海底高度、發(fā)射間隔和測量船速度的影響較大,實測時需調(diào)整這3個參數(shù)分別進(jìn)行測定。實際檢測中,首先根據(jù)實測的系統(tǒng)聲學(xué)參數(shù)和測試環(huán)境參數(shù)等,用正演的方法計算每種參數(shù)組合時的有效量程標(biāo)準(zhǔn)值,然后與對應(yīng)的測量值進(jìn)行比較,分別評判被檢系統(tǒng)在各種配置參數(shù)時的有效量程的偏差。

圖4 側(cè)掃聲吶的檢測力測定方法Fig.4 The measurement method for detection capability of side-scan sonar

圖5 側(cè)掃聲吶的橫向分辨力檢測方法Fig.5 The measurement method for lateral resolution of side-scan sonar

圖6 側(cè)掃聲吶的量程分辨力檢測方法Fig.6 The measurement method for range resolution of side-scan sonar

圖7 側(cè)掃聲吶的有效量程檢測方法Fig.7 The measurement method for effective range of side-scan sonar

3.2.3 實際探測性能評價

實際探測性能測試完成后,根據(jù)獲取的聲學(xué)圖像的信噪比、信混比、垂直分辨力、水平分辨力、有效穿透深度、檢測力、橫向分辨力、量程分辨力和有效量程等指標(biāo)數(shù)據(jù)及相關(guān)指標(biāo)測量值與正演計算標(biāo)準(zhǔn)值的比較結(jié)果對被檢系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價。

4 結(jié) 語

4.1 討 論

針對淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶兩種海底聲吶系統(tǒng)探討性地提出了“兩步法”的儀器設(shè)備檢測和評價方法,即:聲學(xué)物理參數(shù)測定和實際探測性能評價,并進(jìn)行了系統(tǒng)地闡述,但還存在一些問題:

1)準(zhǔn)確地測定聲吶系統(tǒng)的聲學(xué)物理參數(shù),需要建設(shè)具備高效消聲性能的大型試驗水池,并配備高精度的集精密回旋裝置、水聽器升降裝置、控制設(shè)備和測量記錄設(shè)備等一體的海底聲吶設(shè)備聲學(xué)物理參數(shù)測定平臺;

2)在消聲水池中測定低頻、非指向型聲源(如電火花)的聲學(xué)物理參數(shù)難度很大,可能無法實現(xiàn),需尋求其他補(bǔ)充方法;

3)在海上進(jìn)行聲吶系統(tǒng)的實際探測性能評測時,影響因素很多,由于海洋環(huán)境變化、測量船不同、操作人員不同等導(dǎo)致的檢測結(jié)果可能會不一致,因此需預(yù)先編制標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的海上檢測操作流程,最大限度地排除外界干擾,確保得到可信的結(jié)果。

4.2 展 望

海底聲吶系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)檢測和探測性能評價是一項涉及多種學(xué)科的工作,意義重大。在后續(xù)工作中主要針對以下幾個方面進(jìn)行:首先,選取某一典型的水域,建設(shè)海上標(biāo)準(zhǔn)地層檢測場用于檢測和評價淺地層剖面儀的實際探測性能,建設(shè)海底標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)物檢測場用于檢測和評價側(cè)掃聲吶的實際探測性能;其次,進(jìn)行多次消聲水池試驗和海上試驗,進(jìn)一步優(yōu)化和完善淺地層剖面儀和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的室內(nèi)聲學(xué)物理參數(shù)檢測和實際探測性能評價方法;再次,積極推動相關(guān)部門出臺相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,建立科學(xué)的、權(quán)威的海底聲吶系統(tǒng)校準(zhǔn)、檢測和檢定體系,促進(jìn)我國海洋產(chǎn)業(yè)的持續(xù)和健康發(fā)展。

致謝:山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院陽凡林教授在消聲水池聲吶試驗中提供了支持和幫助;中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院曹立華教授對本文提出了寶貴的修改意見。

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Acoustic Parameter Test and Detection Performance Evaluation Methods of Sub-bottom Profiler and Side-scan Sonar

WANG Fang-qi,ZHOU Xing-hua,DING Ji-sheng,LIN Xu-bo,DONG Li-feng,TAO Chang-fei,LIANG Guan-hui,LIU Dun-wu,LüJing-fu,CUI Li
(The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China)

The sub-bottom profiler and side-scan sonar are the most commonly used sonar systems in oceanography field.With the wide application of them,it is vital to promulgate standards and specifications for calibration and testing of such acoustic detecting systems.Based on our practice,the"two-step"detection performance test and evaluation methods are presented for these two kinds of sonar systems.The first step is the APT(acoustic parameter test)which is for the test of acoustic performance parameters of sonar,such as source level,frequency spectrum,pulse length,beam angle,etc.The second step is the DPE(detection performance evaluation)which is for the evaluation of the actual detection performance at sea,such as resolution,penetration depth,effective range,etc.The APT methods and DPE methods for the subbottom profiler and side-scan sonar are detailed and respectively discussed.However,in order to test and evaluate the sonar systems accurately,it is necessary to build a large-scale testing pool with highly efficient muffler performance,a test field with standard seabed layers and an underwater detecting field with standard targets.

sub-bottom profiler;side-scan sonar;acoustic parameter;performance evaluation

September 1,2016

P715

A

1671-6647(2017)04-0559-09

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.04.012

2016-09-01

海洋公益性行業(yè)科研專項——常用海底聲吶測量儀器計量檢測關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用(201305034);國家自然科學(xué)青年基金項目——基于高分辨率聲學(xué)剖面與鉆孔巖心對比的金州灣海底地層聲速研究(41606056)

王方旗(1981-),男,山東諸城人,工程師,碩士,主要從事海洋地球物理調(diào)查技術(shù)方面研究.E-mail:sdhdwfq0317@fio.org.cn

(陳 靖 編輯)