海洋技术 浅地层剖面仪和侧扫声纳仪器校准与检测

1、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：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；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。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

2、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

3、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

4、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

5、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。校崔与检澜结果图1校准与检测方法流程图海I独耍检测巾学会数测定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

6、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2.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

7、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。声学参数校准检测平台设计检测平台主要由五部分组成

8、：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

9、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：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

10、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；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；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

11、作为发射信号的频率；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。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：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

12、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；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。

13、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。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。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

14、需作为被检仪器能否满 足条件继续使用的重要判据。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

15、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；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；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

16、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Ah min。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。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

17、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Ah max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。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。信噪比：与浅地层剖面仪的检测和评价方法一致，不再赘述；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

18、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

19、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