無論是測(cè)深儀還是側(cè)掃聲吶或是淺地層剖面儀，這三種水聲設(shè)備作為海洋勘察和測(cè)繪的“三劍客”,，在設(shè)備技術(shù)參數(shù)中經(jīng)常能看到脈寬和帶寬這兩概念,，很多學(xué)測(cè)繪的筒子們對(duì)這二位兄弟傻傻分不清楚。今天我們就來盤一盤“脈寬”和“帶寬”這兩個(gè)參數(shù)究竟是個(gè)啥玩意兒,！

脈寬和帶寬是來自通信與信號(hào)處理領(lǐng)域的概念,，都是用來描述信號(hào)的。所以說全稱,，這二位兄弟是叫“信號(hào)脈寬”和“信號(hào)帶寬”,，知道了他們的祖籍和大名是不是依然一頭霧水？那就對(duì)了,，好戲還在后面,，咱們接著刨根問底，奔著祖墳刨起來,！

先說說“脈寬”這大兄弟,，他學(xué)名叫“脈沖寬度”，英文名叫“ impulse width”,。他的定義是指脈沖信號(hào)的脈沖寬度,，看定義說了跟沒說一樣，還不如他的別名讓人看著好理解一些,。他有個(gè)別名叫“工作周期（Duty Cycle）”,，說到周期大家應(yīng)該有點(diǎn)兒概念了，畢竟想當(dāng)年都是學(xué)過三角函數(shù)的數(shù)學(xué)大神,，所謂的周期不就是一段時(shí)間么,。那就對(duì)了，把脈寬和時(shí)間聯(lián)系起來，說明咱們的路子就沒跑偏,。其實(shí)在不同的領(lǐng)域,，脈沖寬度的的確有著不同的含義，但是在電子和咱水聲設(shè)備相關(guān)領(lǐng)域,，脈沖寬度就是信號(hào)脈沖能量所能達(dá)到最大值持續(xù)的周期,。

知道了脈寬就是聲學(xué)信號(hào)持續(xù)的時(shí)間周期，那在水聲設(shè)備中這個(gè)技術(shù)指標(biāo)究竟有啥具體的影響和作用呢,？某廠家標(biāo)稱自己的多波束脈沖寬度老寬了,，那寬度能寬到宇宙的盡頭，他又能怎么樣呢,？先忘記那些復(fù)雜的水聲設(shè)備,，把自己想象成一臺(tái)測(cè)深儀，你的嘴就是發(fā)射換能器,。有一天,，你帶著你岳父去爬山，岳父對(duì)著遠(yuǎn)處的山谷嗷嘮一嗓子足足喊了1秒鐘,，然后若干秒之后就聽到了回聲,。你也不甘示弱，同樣嗷嗷的喊了一嗓子,，發(fā)聲持續(xù)了5秒鐘,，不一會(huì)兒,，回聲從更遙遠(yuǎn)的山脈傳回來了,。在上面的場(chǎng)景中，岳父脈寬可以看做是等于1秒,，你的發(fā)聲脈寬等于5秒,。你的脈寬比你岳父脈寬在數(shù)值上寬了很多，從你的脈寬可以從更遠(yuǎn)的山脈彈回來可以說明脈寬越寬,，探測(cè)距離越長(zhǎng),，威力越大！你的聲音不但有從遠(yuǎn)處山峰回來的回聲還有從近處山峰回來的,，但是近處的回聲往往被你遠(yuǎn)處的回聲所掩蓋了,。因此，你岳父的脈寬更容易把近處山峰的目標(biāo)回聲區(qū)別開來,。我們可以這樣理解一下脈寬,，在水聲設(shè)備中脈沖寬度越寬，探測(cè)距離越遠(yuǎn),，但是距離分辨率越差,，脈沖寬度越窄，距離分辨率越高，但探測(cè)距離越近,。

上面這個(gè)矛盾廣泛存在于水聲設(shè)備中,，就好比淺地層剖面儀，但凡穿透深度大的,，分辨率都不高,，而分辨率高的，穿透地層深度就淺了很多,。側(cè)掃聲吶中也有類似的矛盾,，那就是側(cè)掃聲吶掃測(cè)范圍越大，圖像分辨率就會(huì)越低,，而高分辨率圖像的側(cè)掃聲吶,，掃測(cè)范圍往往就很小。既然如此,，大家不妨設(shè)想一下,，有沒有啥好辦法，既可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)距離遠(yuǎn),，又可以實(shí)現(xiàn)距離分辨率高呢,？別說還真有，但那方面內(nèi)容涉及到信號(hào)波形的脈沖壓縮與占空比,，還會(huì)引出來Chirp和CW等水聲設(shè)備的技術(shù)參數(shù),，咱們以后再專門講講那些年把你們搞的神魂顛倒的波形。

接下來咱們?cè)僦v講另外一個(gè)叫“帶寬”的大兄弟,。就算你沒聽說過“帶寬”但也一定聽說過“寬帶”,。沒錯(cuò)，就是你家里上網(wǎng)要用到的“寬帶”,。沒經(jīng)歷過撥號(hào)上網(wǎng)的青年們,，不知道裝“寬帶”之前的上網(wǎng)是有多慢和多卡。因此,，大家應(yīng)該對(duì)帶寬有個(gè)感覺,，那就是帶寬跟信息傳輸速度和容量有關(guān)，帶寬越寬,，網(wǎng)速就越快,。

雖然在生活中我們就聽說過“帶寬”這個(gè)概念，但它確實(shí)是一個(gè)很容易讓人混淆的概念,，尤其是跟他有關(guān)系的“頻寬”,，“頻帶”等概念也是經(jīng)常被提及，叫人傻傻分不清楚,。但區(qū)別“帶寬”與“脈寬”最容易的辦法是看“單位”,。上面已經(jīng)了解了“脈寬”是個(gè)描述時(shí)間的量,，它的單位是秒（s）。而“帶寬”的單位是赫茲（Hz）,因此它是一個(gè)描述頻率的量,。但從類別上講,，在電子學(xué)和通信學(xué)中，“帶寬”這個(gè)概念還是有很大區(qū)別的,，也有人用數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)中的“帶寬”來描述不同領(lǐng)域這個(gè)概念的差異,。就像我們家里上網(wǎng)“寬帶”的“帶寬”，經(jīng)常被描述成一個(gè)傳輸速率的概念,，單位往往是GB/s,而不是頻率的單位Hz ,。這里面大家也不用太深度追究“帶寬”的基本概念，只要記住它在通信學(xué)里是有速率這個(gè)概念的就行,。而我們關(guān)注的水聲設(shè)備里“帶寬”的概念,，跟家里復(fù)雜數(shù)字通信的“帶寬”還真不是一個(gè)概念。咱們這里常用的帶寬,，英文名Bandwidth,在概念是就是指設(shè)備可以保持正常工作的一個(gè)穩(wěn)定頻率范圍,。

“帶寬”和“脈寬”的數(shù)學(xué)關(guān)系就是時(shí)間T和頻率Hz的反比例關(guān)系，針對(duì)同一個(gè)信號(hào)系統(tǒng),，信號(hào)脈寬越大,，帶寬就會(huì)越小。值得一提的是了解信號(hào)帶寬的老鐵們可能常常聽到過-3dB帶寬這個(gè)概念,。簡(jiǎn)單說來,，-3dB帶寬指幅值等于信號(hào)頻譜中最大值的二分之根號(hào)二倍時(shí)對(duì)應(yīng)的頻帶寬度，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中-3dB的位置,，也就是半功率點(diǎn)了,，對(duì)應(yīng)的帶寬就是功率在減少到其一半以前的頻帶寬度，表示在該帶寬內(nèi)集中了一半的功率,。

下面我們進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)環(huán)節(jié),，就拿最簡(jiǎn)單的單波束測(cè)深儀為例，看看“脈寬”和“帶寬”在水聲設(shè)備中的物理意義,。

下圖是美國經(jīng)典的單波束測(cè)深儀制造商Teledyne ODOM的最新產(chǎn)品ECHOTRAC E20 Singlebeam Echosounder

這款E20測(cè)深儀主要由水聲換能器（濕端），甲板處理單元（干端）和數(shù)字顯示單元（電腦）三部分組成,。甲板單元采用和RESON 多波束甲板單元一樣的“三防”設(shè)計(jì)方案 ,，分為單通道和雙通道以及加強(qiáng)雙通道三個(gè)版本，分別可以配置成為單頻測(cè)深儀,，雙頻測(cè)深儀和深水雙頻三種類型,，適用于不同水深的作業(yè)環(huán)境。

從產(chǎn)品手冊(cè)中可以看出來E20測(cè)深儀可以接收10-250KHz這么寬頻的聲學(xué)信號(hào),，這意味著從10KHz的低頻聲學(xué)換能器到250KHz的高頻換能器,，都可以接入E20的甲板單元工作,，這也正是為了達(dá)到同一甲板單元接不同頻率換能器對(duì)不同水深環(huán)境進(jìn)行測(cè)量的目的作出的全新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。言歸正傳,，下面還是仔細(xì)研究一下這款測(cè)深儀關(guān)于“脈寬”和“帶寬”的參數(shù),。很顯然跟脈沖有關(guān)的參數(shù)有2個(gè)：Pulse type和Pulse length，分別是脈沖類型和脈沖長(zhǎng)度,，這個(gè)脈沖長(zhǎng)度就是“脈寬”,。而“帶寬”這個(gè)參數(shù)英文參數(shù)寫的更直接，就是Bandwidth,，表格中對(duì)應(yīng)參數(shù)的值寫成了Max. 45kHz,，意思就是發(fā)射信號(hào)的最大帶寬是45kHz?？赡苡械男』锇檫@時(shí)候就會(huì)有一個(gè)疑問,，明明最開始Operating frequency寫的10-250KHz這樣一個(gè)寬帶的聲學(xué)頻率，但凡有小學(xué)畢業(yè)證的人都能算出來這個(gè)最大帶寬應(yīng)該有240KHz才對(duì),。這不是跟Max. 45kHz差了好幾倍么,，到底是怎么回事？其實(shí)這里涉及到兩個(gè)不同的概念,，簡(jiǎn)而言之就是水聲換能器固有的聲學(xué)頻率和測(cè)量時(shí)測(cè)深儀發(fā)射的“脈沖頻率”完全是獨(dú)立的兩碼事,，今天我們談到“帶寬”和“脈寬”都是信號(hào)脈沖的概念，與換能器聲學(xué)頻率是沒有關(guān)系的,。

咱們?cè)購?/span>Bandwidth向上看看Pulse length這個(gè)參數(shù),，表格里描述的是Fully variable from 1 cycle upwards (e.g. 1ms, 5000W, 20-50kHz, 50 Ohm)，脈寬沒有給一個(gè)具體的數(shù)值,，而是“從1個(gè)周期向上完全可變”,，直接翻譯出來可能不大好理解，但是抓一下重點(diǎn)就會(huì)明白,，這個(gè)描述無非就是說E20測(cè)深儀的脈寬是可變的,，雖然沒具體說可以怎么變，最大能變多大,，最小能變多小,，但那些在使用測(cè)深儀時(shí)都不是特別重要。后面括號(hào)里給了一個(gè)具體的例子(e.g. 1ms, 5000W, 20-50kHz, 50 Ohm) ,，翻譯過來就是脈寬1ms時(shí),，功率5000W，頻率范圍是20-50KHz,，阻抗50歐姆 ,。 這里的20-50KHz其實(shí)就是脈沖帶寬30KHz的意思，所以跟Max. 45kHz是不矛盾的,。那么為啥E20測(cè)深儀的脈寬和帶寬都是可變的呢,，這就跟上面講過的脈沖壓縮技術(shù)有關(guān)了,，Pulse type正說明了這一點(diǎn)，E20的脈沖信號(hào)可以有CW,FM,Chirp幾種類型,，通過不同的信號(hào)調(diào)制和脈沖壓縮技術(shù),，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量時(shí)參數(shù)的最優(yōu)化。

最后引用一下測(cè)深儀說明書原文：

The pulse length can be adjusted according to the current depth and what kind of targets.

you are looking for. The deeper you wish to see, the longer pulse length should be used. Remember that , the pulse duration and the bandwidth are mutually dependant.

· Long pulse => lots of acoustic energy => narrow bandwidth => less sensitive for noise from own vessel and environment

· Short pulse => less acoustic energy => wide bandwidth => more sensitive for noise from own vessel and environment

重復(fù)一下重點(diǎn)：

· 脈寬越長(zhǎng) => 能量越大 => 帶寬越小 => 對(duì)噪聲越不敏感

· 脈寬越短 => 能量越小 => 帶寬越大 => 對(duì)噪聲越敏感

Pulse length還有個(gè)名字叫Pulse Duration ,，也是脈沖寬度的意思,，在其他測(cè)深儀的軟件設(shè)置會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)，大家知道Pulse Duration就是脈寬,，那就可以了,。下圖是測(cè)深儀工作時(shí)的設(shè)置參數(shù)，脈寬顯示是0.256ms ,。

從上圖可以看出來換能器的頻率越低,，可以測(cè)量的水深就越深,，因此在選用低頻換能器時(shí)，測(cè)深儀對(duì)應(yīng)的脈沖寬度也會(huì)越寬,，這一點(diǎn)跟前面提到內(nèi)容的完全相輔相成,。下面列幾個(gè)常用測(cè)深頻率對(duì)應(yīng)的脈寬，給大家一個(gè)直觀的感受,。

Pulse lengths and maximum accuracy

· 200 kHz: CW 64 - 1024 μs, accuracy: 0.6 cm

· 38 kHz: CW 256 - 4096 μs, accuracy: 2.4 cm

· 18 kHz: CW 512 - 8192 μs, accuracy: 4.9 cm

· 12 kHz: CW: 1 - 16 ms, accuracy: 9.8 cm

細(xì)心的老鐵們有沒有發(fā)現(xiàn)隨著換能器頻率由高到低,，測(cè)深的脈寬是由小到大的，但是對(duì)應(yīng)的測(cè)量精度accuracy也是由高到低的,。放到側(cè)掃聲吶上,，大家會(huì)有一個(gè)共識(shí)就是高頻側(cè)掃聲吶分辨率高，隨著頻率降低,，低頻側(cè)掃聲吶雖然測(cè)量范圍遠(yuǎn)但分辨率卻越來越低,。這里又會(huì)讓人產(chǎn)生一種誤解，那就是測(cè)量精度和分辨率是聲學(xué)頻率決定的,，而實(shí)際上并非如此。和側(cè)掃聲吶分辨率直接相關(guān)的是信號(hào)帶寬,，因?yàn)樯奢^寬帶寬的窄帶脈沖對(duì)探測(cè)目標(biāo)可以達(dá)到高分辨的效果,，而高頻聲吶往往發(fā)射窄帶脈沖,，也就是脈寬比較短的信號(hào)，所以我們才看到了高分辨的效果,。

最后的最后,，關(guān)于“脈寬”和“帶寬”的雜談就講這么多。如果還要繼續(xù)深度追究時(shí)間信號(hào)和頻率信號(hào)的數(shù)學(xué)關(guān)系,，那就要講到讓你們頭疼的“傅里葉同學(xué)”了,，傅里葉級(jí)數(shù)，傅里葉變換這些要人親命的東西也不是一兩句話能說明白的,，有機(jī)會(huì)單獨(dú)開篇再說吧,。值得一提的還有，水聲設(shè)備里跟頻率相關(guān)的參數(shù)也是會(huì)讓大家混淆的,，尤其是聲源的頻率,，和聲學(xué)信號(hào)脈沖的頻率，絕大多數(shù)人都會(huì)把這些頻率當(dāng)成同一個(gè)概念去理解,，結(jié)果越想就越想不明白,。我們將在下一次，再來盤點(diǎn)一下水聲設(shè)備容易搞混的參數(shù)之“頻率”,。