聲學(xué)方法是現(xiàn)代海底地形測(cè)量的基本方法,，早在19世紀(jì)人類就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到通過(guò)測(cè)定海底反射聲波的傳播時(shí)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(cè)量才取代了傳統(tǒng)的鉛垂測(cè)深法。近年來(lái)，各種聲學(xué)探測(cè)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)。

一,、聲學(xué)探測(cè)設(shè)備

⒈ 基本原理

古語(yǔ)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)人員都現(xiàn)學(xué)“水聲原理”顯然是不現(xiàn)實(shí)的,，去聽從本科開始到碩士階段總計(jì)近150學(xué)時(shí)的“海底探測(cè)與數(shù)字化技術(shù)”的課程更是有些慘無(wú)人道了，所以在這部分,，我們可以通過(guò)幾個(gè)經(jīng)典公式來(lái)系統(tǒng)了解一下聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)原理,。

⑴聲學(xué)方程

這是一個(gè)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(qiáng)為參數(shù)基礎(chǔ),。下面讓我們認(rèn)識(shí)一下各個(gè)參量。

儀器參量：SL——發(fā)射器聲源級(jí),，發(fā)射能量大小,，通常可調(diào),；NL1——發(fā)射器自噪聲級(jí),，和換能器元件、電子電路有關(guān),，通常是一個(gè)定值,，且隨著設(shè)備使用時(shí)間增長(zhǎng)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(cè)閥值，接收器所能識(shí)別的信號(hào)強(qiáng)度下限,。

介質(zhì)參量：TL——信號(hào)傳播損失,，聲波振動(dòng)在介質(zhì)中傳遞的能量損失；RL——混響級(jí),，介質(zhì)的共振所產(chǎn)生的假波,；NL2——環(huán)境噪聲級(jí)，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(qiáng)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(jí)（與被動(dòng)聲納,、水下定位系統(tǒng)有關(guān)）我們所使用的聲學(xué)探測(cè)設(shè)備都是在聲軸方向上主動(dòng)發(fā)射聲信號(hào)的，聲源（換能器）即發(fā)射器，將聲軸上1m處的信號(hào)強(qiáng)度作為基準(zhǔn),，信號(hào)到達(dá)目標(biāo)時(shí)強(qiáng)度為：SL-TL,，返回時(shí)為：SL-2TL+TS，在考慮環(huán)境背景的情況下,，噪聲的聲強(qiáng)為：NL1+NL2-DI,，為了表述簡(jiǎn)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(cè)到回聲信號(hào)，則有：DT≦SL-2TL+TS-NL+DI,，所有聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的指標(biāo),、參數(shù)都與上面這個(gè)等式有關(guān)，之所以使用“陣（Array）”而非單個(gè)換能器,，也是為了通過(guò)發(fā)射或接收時(shí)的信號(hào)疊加,，來(lái)優(yōu)化各個(gè)儀器參數(shù)。在接收器所能識(shí)別的信號(hào)強(qiáng)度下限固定時(shí),，不同的環(huán)境條件下通過(guò)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(gè)儀器參量的過(guò)程,。

⑵儀器分辨力

從聲學(xué)方程中我們知道了聲信號(hào)在換能器——目標(biāo)物之間的傳遞過(guò)程，但是對(duì)于目標(biāo)物的探測(cè)而言,，僅僅有信號(hào)返回是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,，那么，如何才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)對(duì)物體的識(shí)別呢,，或者說(shuō),，信號(hào)的物理特性和目標(biāo)物之間應(yīng)滿足什么條件時(shí)，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(guò)程中遇到遮蔽物時(shí),，如果聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于遮蔽物特征尺寸,，會(huì)發(fā)生透射，即直接穿過(guò)遮蔽物,，當(dāng)波長(zhǎng)接近遮蔽物特征尺寸時(shí),，會(huì)發(fā)生衍射或繞射，只有當(dāng)聲波波長(zhǎng)小于遮蔽物特征尺寸時(shí)才會(huì)發(fā)生反射,。但是,，由于水體自身存在聲阻抗，信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)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(jiǎn)單地將聲信號(hào)波長(zhǎng)當(dāng)做儀器分辨率是不合理的,，通常我們會(huì)使用一個(gè)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的計(jì)算參量——第一菲涅爾帶半徑作為衡量?jī)x器可識(shí)別尺寸的指標(biāo)：

式中，入為聲信號(hào)波長(zhǎng),，h為水深,，只有當(dāng)R_f1遠(yuǎn)小于目標(biāo)物特征尺寸時(shí)，聲信號(hào)才能對(duì)其進(jìn)行識(shí)別,。

⑶時(shí)深轉(zhuǎn)換

發(fā)射器產(chǎn)生的聲信號(hào),，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(shí)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。

具體表達(dá)式為：D=Vt/2

⑷多普勒頻移

當(dāng)聲源和目標(biāo)物存在相對(duì)位移時(shí),，回波信號(hào)的頻率會(huì)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(hào)的頻率在聲源接近目標(biāo)物時(shí)會(huì)升高,，當(dāng)聲源遠(yuǎn)離時(shí)則會(huì)降低,。具體表達(dá)式如下：

這一現(xiàn)象對(duì)很多高頻探測(cè)設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生影響，尤其是需要記錄回波信號(hào)振幅,、相位的設(shè)備,，當(dāng)然，可以通過(guò)計(jì)算程序予以減弱,，但僅僅是減弱而已,。有的設(shè)備則是利用這一物理現(xiàn)象來(lái)工作的，比如ADCP,、安德拉海流計(jì)等,，通過(guò)記錄信號(hào)頻率的變化，反算目標(biāo)物的移動(dòng)速率,。

⑸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(hào)通過(guò)這些界面時(shí)，傳播方向會(huì)發(fā)生改變,。具體表達(dá)式如下：

式中V1,，V2分別為上下兩層水體的聲速，α,，β為聲信號(hào)的入射角和折射角,，可以看出：首先，垂直入射的信號(hào)是不會(huì)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(duì)條帶測(cè)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(cè)深系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)反演出的海底是呈“V”形或倒“V”的，也就是說(shuō)測(cè)線兩側(cè)越接近邊緣部分測(cè)得的水深越淺或越深,，海底圖像發(fā)生了極具規(guī)律的變形,。

⒉ 常用聲學(xué)設(shè)備簡(jiǎn)介

通過(guò)上文，我們了解了最基本的水聲學(xué)原理,，下面就來(lái)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(lái)的各種聲學(xué)探測(cè)設(shè)備吧,。需要明確幾點(diǎn)，首先,，所有設(shè)備都是系統(tǒng)運(yùn)作,，也就是說(shuō)需要若干輔助設(shè)備才能實(shí)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(duì)好的設(shè)備,，只有適用的設(shè)備；再次,，所有的探測(cè)數(shù)據(jù)都有多解性,，小到對(duì)信號(hào)的甄別，大到對(duì)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)上付出大量的工作才能獲得準(zhǔn)確可靠的成果,，不存在所謂的“完全自動(dòng)化”。

⑴測(cè)深儀（或稱單波束）

測(cè)深儀換能器,、工控機(jī),，定位系統(tǒng)（GPS），需要配合實(shí)時(shí)驗(yàn)潮,；作業(yè)方式為船體安裝,，走航測(cè)量，岸上驗(yàn)潮或RTK潮位修正,。其中的關(guān)鍵詞是：時(shí)深轉(zhuǎn)換,、聲速改正、波束角,、運(yùn)動(dòng)改正,。

單波束可以說(shuō)是所有聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的鼻祖了，其原理非常簡(jiǎn)單,，就是前文中所提到的時(shí)深轉(zhuǎn)換,。但是原理簡(jiǎn)單并不代表著儀器操作簡(jiǎn)單,，為了獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)和清晰的反射圖像，現(xiàn)場(chǎng)控制依然有很高的要求,，拿換能器吃水來(lái)說(shuō),，太深的話不僅會(huì)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(huì)使數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。

對(duì)于單波束而言,，聲速改正是比較簡(jiǎn)單的,，因?yàn)槠渎曒S是豎直方向的，不牽涉聲波的折射偏移,，只需要對(duì)沿深度方向的水體聲速進(jìn)行分層定值或平均再做計(jì)算就可以獲得精確水深,；由于單波束是記錄最短的信號(hào)往返時(shí)間進(jìn)行水深計(jì)算，所以目前的單波束都在努力減小波束角,，使到達(dá)海底的信號(hào)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(cè)得的水深仍然會(huì)存在較大誤差（圖1）,。

對(duì)于運(yùn)動(dòng)改正問題,，目前在單波束測(cè)深系統(tǒng)中運(yùn)用比較少，其原因在于單波束是記錄最短的信號(hào)往返時(shí)間進(jìn)行水深計(jì)算的,，因此在船體的橫搖（roll）,、縱搖(pitch)小于波束角時(shí)儀器測(cè)得的水深是不受這兩種運(yùn)動(dòng)影響的，只有船體起伏(heave)會(huì)對(duì)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(cè)量艇作業(yè)時(shí)受浪的作用起伏多是低頻的,，這種船體起伏對(duì)數(shù)據(jù)的影響可以在后期處理過(guò)程中通過(guò)分段平均的方式減弱，從而達(dá)到測(cè)量精度要求,，因此,，只要選擇合適的測(cè)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(cè)量的需要了,。需要注意的是，當(dāng)船體晃動(dòng)嚴(yán)重時(shí),，波束發(fā)射會(huì)變成斜向,，由此產(chǎn)生的誤差會(huì)是相當(dāng)可觀的，且水深越大這種誤差越大,。

雖然單波束目前市場(chǎng)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(cè)深儀進(jìn)行浮泥厚度探測(cè)就是一種經(jīng)濟(jì),、高效的手段,，由前文可知，高頻信號(hào)分辨能力強(qiáng),，但穿透性弱,，相反低頻信號(hào)分辨能力弱而穿透性強(qiáng)，通過(guò)記錄兩種特定頻率信號(hào)的反射圖像就可以很容易地識(shí)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(cè)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。

⑵側(cè)掃聲納系統(tǒng)

聲納拖體,、工控機(jī),，定位系統(tǒng)（GPS），姿態(tài)傳感器（可選配）,。作業(yè)方式為拖曳式走航測(cè)量,，其中的關(guān)鍵詞為：半定量設(shè)備、探測(cè)面積大,、動(dòng)員時(shí)間短,、目標(biāo)識(shí)別快。

自二戰(zhàn)以來(lái),，聲納就是各國(guó)海軍發(fā)展的重點(diǎn),，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(shí)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。側(cè)掃聲納利用拖體兩側(cè)的換能器發(fā)射,、并接收信號(hào),，然后根據(jù)信號(hào)強(qiáng)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(jìn)行推廣,。

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(shuō)它記錄的是地形變化引起的反射信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度的差異,，而無(wú)法獲得海床上點(diǎn)的精確水深,，因此它屬于“半定量探測(cè)設(shè)備”,。由于側(cè)掃聲納探測(cè)面積大，動(dòng)員時(shí)間短,，且對(duì)于具有特殊外形的目標(biāo)物識(shí)別能力強(qiáng),，因此在海洋工程探測(cè)，搶險(xiǎn)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(duì)于金屬物的探測(cè)顯示出了其他儀器,、作業(yè)方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),。

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(huì)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(shí),，聲納圖像上會(huì)顯示一片強(qiáng)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(shí)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(guò)變換測(cè)線方向,，比對(duì)同一區(qū)域圖像的方式進(jìn)行甄別，如果是極硬底質(zhì),，多次測(cè)得的圖像會(huì)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(gè)樣,，毫無(wú)規(guī)律,。

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(duì)較高是淺水型側(cè)掃聲納的主要特點(diǎn),，通常一個(gè)成年男子就可以搬動(dòng)聲納拖體,，如Klein 3900型，拖體長(zhǎng)度為1.22m,，干重僅有29kg,，工控機(jī)就是一臺(tái)筆記本電腦，整體輕便,，部署作業(yè)簡(jiǎn)便,，因此這類側(cè)掃聲納對(duì)作業(yè)平臺(tái)的要求也相對(duì)低一些（圖4）,。

⑶條帶測(cè)深系統(tǒng)

上世紀(jì)70～80年代，國(guó)外廠商開發(fā)出了“條帶測(cè)深系統(tǒng)”,，此類系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航跡線兩側(cè)一定寬度海底水深值的高密度采集,，從而大大提高了水深地形測(cè)量的效率。對(duì)于此類系統(tǒng),，解算水深時(shí)最關(guān)鍵的物理量莫過(guò)于斜距和波束發(fā)射角,。斜距相對(duì)而言比較容易獲得，就是最基本的時(shí)深轉(zhuǎn)換,，而波束發(fā)射角的獲得方式在基于不同原理開發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品中就存在一定差異了,，下面就來(lái)說(shuō)說(shuō)目前比較流行的兩種條帶測(cè)深系統(tǒng)。

①多波束條帶測(cè)深系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱多波束）

多波束換能器,、表層聲速計(jì),，工控機(jī)，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(shí)時(shí)驗(yàn)潮,；作業(yè)方式為船體安裝，走航測(cè)量,，岸上驗(yàn)潮或RTK潮位修正,。其中的關(guān)鍵詞為：束控、時(shí)深轉(zhuǎn)換,、全覆蓋,、聲速改正、波束角,、運(yùn)動(dòng)改正,。

將若干個(gè)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(jì),，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(lái),，使其向海底發(fā)射，然后記錄往返時(shí)間,，這樣不但能探測(cè)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，第一代模擬多波束條帶測(cè)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)。

多波束系統(tǒng)出廠時(shí)只能算是“半成品”,，其換能器,、定位、定姿裝置,、操控單元只有和載具完成安裝后,，才能算是一個(gè)完整的系統(tǒng)。波束（Beam）是通過(guò)多震源以不同位置和時(shí)間序列發(fā)射聲波（Sounding）,，利用相位疊加原理形成的,，為了精確控制波束指向性，多波束系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)測(cè)量換能器附近的水體聲速,；同時(shí)為了使波束穩(wěn)定低指向海底,，減弱船體的晃動(dòng)對(duì)波束的影響，形成均勻整齊的腳?。‵ootpoint）,，實(shí)現(xiàn)“船動(dòng)我不動(dòng)”，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄船體的橫搖（roll）,、縱搖(pitch),、船體起伏(heave)，以及航向,，并調(diào)整不同位置震源的發(fā)射時(shí)間,；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(guò)程中需要經(jīng)常量測(cè)水體聲速來(lái)修正水深數(shù)據(jù)。

由此可見多波束條帶測(cè)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),、系統(tǒng)延時(shí),、定位導(dǎo)航信息,、聲源處水體聲速、水深剖面聲速,、信號(hào)往返時(shí)間,、回波信號(hào)相位，以及船體的三向運(yùn)動(dòng)等,，把所有這些值全部輸入工控機(jī),，才能獲得正確的水深數(shù)據(jù)（圖6）。

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(shí)儀器的覆蓋面積也會(huì)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(jìn)步，逐漸出現(xiàn)了一些“淺水多波束”,，雖然名字接近,，但其原理和硬件構(gòu)架更接近深水設(shè)備，比如,，將發(fā)射器和接收器分置,，換能器不僅要記錄信號(hào)往返時(shí)間，還要記錄返回聲信號(hào)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,，Konsberg公司的2040A,，R2sonic公司的2024等，這類產(chǎn)品在繼承了前代產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,，都實(shí)現(xiàn)了波束分布的動(dòng)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,。

②相干聲納條帶測(cè)深系統(tǒng)

換能器、表層聲速計(jì),，高度計(jì)（單波束）,，工控機(jī)，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(shí)時(shí)驗(yàn)潮,；作業(yè)方式為船體安裝，或拖曳式,，岸上驗(yàn)潮或RTK潮位修正,。其中的關(guān)鍵詞為：輕量化淺水、相干計(jì)算,、寬覆蓋,、聲速改正、運(yùn)動(dòng)改正。

在多波束發(fā)展過(guò)程中,，有人設(shè)想,，能否結(jié)合側(cè)掃聲納和多波束條帶測(cè)深系統(tǒng)二者的優(yōu)點(diǎn)，制造一種小型輕便,，既能測(cè)量確切水深,，又在淺水中有較大覆蓋寬度的儀器，通過(guò)實(shí)驗(yàn),，相干聲納系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生（圖7）,。

由于這種設(shè)備是基于側(cè)掃聲納原型的，聲軸無(wú)法垂直指向海底,，在其正下方信號(hào)強(qiáng)度很弱,，因此需要在水下單元安裝一個(gè)單波束測(cè)深儀來(lái)補(bǔ)充數(shù)據(jù)空白。相干聲納條帶測(cè)深系統(tǒng)在淺水環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)極大的覆蓋寬度,，但其硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)是存在先天不足的,，因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)很少的換能器（相對(duì)于束控多波束系統(tǒng)而言）發(fā)射接近球面的開角極大的繩波信號(hào)，然后利用多個(gè)接收器記錄回波信號(hào)的相位差來(lái)計(jì)算回波指向角,，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)水深測(cè)量的,，也就是說(shuō)相干聲納獲得的水深值都是經(jīng)過(guò)多重相干計(jì)算的，雖然可以獲得極大的覆蓋寬度的水深地形數(shù)據(jù),，但非實(shí)測(cè)值,，因此在海床起伏劇烈的水域，相干聲納測(cè)深系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量很容易出問題,，比如換能器正下方海床異常突起等,，因此，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中可采用“非等距”的方式布設(shè)測(cè)線,，即每?jī)蓷l測(cè)線間距較小,，保證測(cè)艇上線施測(cè)時(shí)兩舷換能器聲軸方向正好可以覆蓋另一條測(cè)線正下方的海底，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,。

對(duì)于很多人而言,，區(qū)分拖體式相干聲納條帶測(cè)深系統(tǒng)和側(cè)掃聲納系統(tǒng)是很難的，因此鬧出過(guò)不少笑話,，其實(shí)只要清楚二者原理上的差異,，可以很容易地區(qū)分它們。簡(jiǎn)言之,，從外觀上來(lái)說(shuō),，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(huì)安裝聲速計(jì)或CTD以記錄或計(jì)算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)和Klein公司的3500系統(tǒng),，此類系統(tǒng)通過(guò)對(duì)算法的改進(jìn),，降低了信號(hào)多解性，在目標(biāo)物識(shí)別方面明顯優(yōu)于同類產(chǎn)品,，但原理上沒有實(shí)質(zhì)性改進(jìn),。

⑷淺地層剖面儀（簡(jiǎn)稱淺剖）

換能器、工控機(jī),，定位系統(tǒng)（GPS）,；作業(yè)方式為拖曳式走航測(cè)量或采用船體安裝。其中的關(guān)鍵詞為：低頻,、穿透,、參量陣技術(shù)CHIRP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(shí),，需要使用一種工作頻率相對(duì)較低,，對(duì)海底地層有一定穿透能力的設(shè)備來(lái)實(shí)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(jiǎn)單的,，只是信號(hào)頻率更低，能量更強(qiáng),，信號(hào)在各個(gè)聲速界面上形成反射,，水聽器接收回波信號(hào)后即可形成聲學(xué)地層圖像。按信號(hào)頻率從高到低排列,，震源類型主要包括：壓電陶瓷（晶體振動(dòng)）,、Boomer（金屬撞擊）、電火花（等離子體）等,，當(dāng)然這不是絕對(duì)的,，比如參量陣技術(shù)，就是通過(guò)兩個(gè)相對(duì)高頻的信號(hào)通過(guò)相位疊加最終形成若干個(gè)不同頻率的信號(hào),，其中就包含了頻率極低的信號(hào),。

在波束控制方面，目前有兩個(gè)方向：在海洋地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域,，科學(xué)家往往關(guān)注地層的產(chǎn)狀,，以及淺部的特殊地質(zhì)現(xiàn)象，因此需要在波束角盡可能小的情況下,，實(shí)現(xiàn)波束穩(wěn)定,，使其始終垂直指向海床,，壓制繞射，減小地層產(chǎn)狀變化對(duì)聲學(xué)圖像的影響（圖8）,；

在海洋工程調(diào)查領(lǐng)域,，淺剖為了獲得具有特征的目標(biāo)物回波信號(hào)，通常不會(huì)一味地減小波束角,，換句話說(shuō),，它發(fā)射的信號(hào)更接近于扇面波或球面波，例如“管線儀”,，橫跨海底管道時(shí)形成的類似于拋物線的聲學(xué)圖像（圖9）,。

二、案例分析

前面簡(jiǎn)單介紹了聲學(xué)探測(cè)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(gè)大體的認(rèn)識(shí),。但是，擁有設(shè)備是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,，正如前文所說(shuō)的,，這些儀器的運(yùn)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(dòng)化程度,、人機(jī)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(cè)設(shè)備來(lái)說(shuō),，高精度,，高度自動(dòng)化、集成化的代價(jià)就是系統(tǒng)越來(lái)越龐大,，添加進(jìn)來(lái)各種精密復(fù)雜的外置設(shè)備,，這無(wú)疑增大了現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(duì)儀器、人員的影響可以說(shuō)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(gè)案例來(lái)說(shuō)明一下,。

⒈ 港口圍堤土方量測(cè)量

江蘇北部某港計(jì)劃建設(shè)一條圍堤,，把水深測(cè)量工作交由XXX單位實(shí)施,，該單位使用海鷹13D雙頻測(cè)深儀于當(dāng)年8月施測(cè)，后來(lái)甲方在進(jìn)行堆填的時(shí)候發(fā)現(xiàn)土方量比設(shè)計(jì)水深條件下多出一倍,。

原因分析：從工作簡(jiǎn)報(bào)中來(lái)看，工作人員犯了兩個(gè)常識(shí)性錯(cuò)誤,。首先,，水體聲速有誤。時(shí)值夏末,，水溫較高,，但施測(cè)過(guò)程中工作人員仍設(shè)定聲速為1500m/s，導(dǎo)致測(cè)得的水深偏??；其次，任務(wù)目的不明確,。蘇北地區(qū)存在大量黃河改道前遺留的細(xì)粒沉積物,，這種條件下產(chǎn)生的浮泥對(duì)工程設(shè)施的影響不言而喻——因?yàn)楦∧嗍菦]有承載力的，所以對(duì)于圍堤建設(shè)必須探測(cè)承重層的深度,。而測(cè)量工作人員在設(shè)定儀器參數(shù)過(guò)程中將高頻調(diào)為高輸出（能量）,，使浮泥表面的反射圖像灰度較大，完全遮蓋了低頻信號(hào)的圖像,，導(dǎo)致處理數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確讀取承重層深度,。在這兩個(gè)錯(cuò)誤的作用下，甲方承受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,。

2.相干聲納條帶測(cè)深系統(tǒng)換能器振動(dòng)導(dǎo)致探測(cè)精度降低

某單位在使用相干聲納條帶測(cè)深系統(tǒng)作業(yè)時(shí),，由于受船型限制，將掛接水下單元的鋼管施放過(guò)長(zhǎng),，在鋼管發(fā)生渦激振動(dòng)時(shí),，系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)誤差增大，反演的海床形態(tài)變形嚴(yán)重,。

原因分析：由于在外流作用下鋼管會(huì)受到擾動(dòng)力,，當(dāng)這種力誘發(fā)鋼管共振時(shí)，安裝在管底部的換能器也會(huì)隨之振動(dòng),，由于相干聲納測(cè)深系統(tǒng)需要精確記錄回聲信號(hào)的相位,，這種振動(dòng)必然影響測(cè)量精度，具體表現(xiàn)為姿態(tài)傳感器MRU的roll校準(zhǔn)對(duì)船體運(yùn)動(dòng)的追蹤出現(xiàn)誤差,，此時(shí)海底聲反射信號(hào)出現(xiàn)短時(shí)間的左右晃動(dòng),，后期成圖海底地形圖像出現(xiàn)不規(guī)則的左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)的褶皺，由于振動(dòng)的自限作用,，這種情況呈間斷性發(fā)生,。

3.遼東灣某錨地淺地層調(diào)查

某單位承攬了位于遼東灣XX港外的錨地調(diào)查項(xiàng)目,，具現(xiàn)場(chǎng)工作人員記錄的班報(bào)來(lái)看儀器運(yùn)行正常，但是在后處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)大量沒有數(shù)據(jù)的空白區(qū),。

原因分析：從簡(jiǎn)報(bào)和事后現(xiàn)場(chǎng)人員口述分析,，首先，儀器接口處的防水處理沒有做到“一次一檢”,，導(dǎo)致?lián)Q能器和工控機(jī)接線出現(xiàn)問題,，其次由于錨地海床較平坦，現(xiàn)場(chǎng)圖像差異小,，在拖體入水后作業(yè)人員沒有實(shí)時(shí)監(jiān)控探測(cè)圖像,，在屏幕上看到的所謂“反射圖像”其實(shí)是由于線路接觸不良產(chǎn)生的電路噪音。由于測(cè)量人員的疏忽大意,，導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目面臨返工的窘境,。

通過(guò)以上的講述，估計(jì)大家已經(jīng)能夠?qū)Ｑ鬁y(cè)繪常用的聲學(xué)探測(cè)設(shè)備形成一定的認(rèn)識(shí),，但是希望大家記住,，大多數(shù)技術(shù)方案的失敗源自對(duì)技術(shù)手段的過(guò)分自信。