典型分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)及其應(yīng)用

張同偉，秦升杰，唐嘉陵，王向鑫

(1. 國家深?；毓芾碇行?，山東 青島 266237；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋觀測與探測聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及電子儀器性能的提高，水聲學(xué)探測目前已成為海洋生物資源研究的重要手段之一。分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)是海洋生物研究不可或缺的儀器設(shè)備，將它安裝在現(xiàn)代大型綜合科考船的船底[1]，在航行中可以不受海況影響對水體中的反射物進(jìn)行探測，不僅可以對反射物進(jìn)行定位，而且可以分析其反射強(qiáng)度。分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)通常具有很寬的工作頻帶，有足夠的分辨率以處理小到浮游動(dòng)物大到鯨類的聲音信號[2]。目前，它主要用于探測魚類的數(shù)量、分布、大小、行為和生物量，以及分析沉水植物的分布、密布和冠蓋高度，為海洋漁業(yè)學(xué)科發(fā)展和海洋漁業(yè)科學(xué)管理提供幫助。除此之外，分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)也可用于海底可燃冰、冷泉、熱液等形成的羽狀流、氣泡團(tuán)等的探測[3–5]。

本文首先介紹了分裂波束聲學(xué)探測的基本原理和系統(tǒng)組成，然后系統(tǒng)介紹了Simrad[6]和BioSonics[7]等公司的2款典型分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)，并分析了它們在海洋漁業(yè)、羽狀流檢測等方面的應(yīng)用。

1 分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)

1.1 基本原理

分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)運(yùn)用4個(gè)象限的換能器[8]，將電信號轉(zhuǎn)換成聲脈沖并發(fā)射到水中，聲波在水中傳播過程中遇到障礙物時(shí)，部分反向散射至換能器。每個(gè)象限換能器可獨(dú)立接收聲波，如果信號水平超過用戶選擇的閥值，將被換能器接收并生成回波圖。根據(jù)聲波發(fā)射與收到回波的時(shí)間間隔和聲波在水中的傳播速度，利用分裂波束技術(shù)可測得目標(biāo)所處的位置；運(yùn)用目標(biāo)跟蹤技術(shù)可對魚類在測聲束內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡、游動(dòng)速率及方向等參數(shù)進(jìn)行測算；對回聲信號強(qiáng)弱和結(jié)構(gòu)加以分析，可估算出目標(biāo)強(qiáng)度、目標(biāo)數(shù)量及分布狀況等?，F(xiàn)代分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)已經(jīng)由過去單一的探魚發(fā)展到全面水體探測，如圖1所示。

圖 1 分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Sketch of split-beam echosounder

1.2 系統(tǒng)組成

分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)主要包括：對應(yīng)不同頻率的換能器、收發(fā)單元、操控臺和外圍輔助傳感器（姿態(tài)傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)等）。

2 典型分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)

目前國外分裂波束聲學(xué)探測技術(shù)比較成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)的產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化。主要的分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)生產(chǎn)廠商主要有Simrad和BioSonics。表1給出了2款典型分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)的對比。

2.1 Simrad公司的EK60

EK60是Simrad公司推出的一款分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)，具有內(nèi)置校準(zhǔn)模塊。它可以同時(shí)運(yùn)行7個(gè)探測頻率，頻率范圍從18～710 kHz。EK60特別適合固定安裝在科考船的船底，EY60是相應(yīng)的便攜式版本，具有小巧而堅(jiān)固的特點(diǎn)。Simrad EK60不僅支持回波實(shí)時(shí)處理和目標(biāo)強(qiáng)度實(shí)時(shí)分析，而且可以存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)用于回放或后處理。得益于Simrad出色的換能器和信號處理技術(shù)，EK60擁有很高的探測能力。18 kHz工作頻率下可觀察到1 100 m深度上的單個(gè)魚類，對地反射可以偵測到7 000 m深度。它采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)研究需要對收發(fā)單元和換能器進(jìn)行自由組合。圖2為Simrad EK60的系統(tǒng)組成框圖。

表 1 幾款典型分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)對比Tab. 1 Comparison of several split-beam echosounders

圖 2 Simrad EK60系統(tǒng)框圖Fig. 2 System of Simrad EK60

EK 60是一款適應(yīng)海上長期工作的海洋生物資源聲學(xué)探測儀器，其發(fā)射功率可調(diào)，數(shù)據(jù)采集范圍大，接收瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍達(dá)150 dB，且具有強(qiáng)大的特殊功能。國際上大型科考船大部分都安裝EK500或EK60（EK500升級產(chǎn)品）。

2.2 BioSonics公司的DT-X

DT-X是BioSonics公司推出的一款便攜式分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)，如圖3所示。它具有非常寬的頻帶范圍，支持38，70，120，200，420和1 000 kHz等6個(gè)工作頻率，其中分裂波束模式可選其中4個(gè)頻率。高頻（如420 kHz）更適合于小的目標(biāo)和近距離探測，低頻（如38 kHz和70 kHz）更適合于大的目標(biāo)和遠(yuǎn)距離探測。分裂波束的換能器用于計(jì)數(shù)和追蹤個(gè)體目標(biāo)，并且確定精確的目標(biāo)聲學(xué)強(qiáng)度用于測量目標(biāo)大??；單波束和分裂波束換能器都適合水深測量、底質(zhì)分類，以及魚類和浮游動(dòng)物聚類、沉水植物數(shù)據(jù)的采集。DT-X具有極低的旁瓣（–35 dB），接收瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍達(dá)160 dB。由于其便攜性，DT-X廣泛應(yīng)用于湖泊、海流等的漁業(yè)資源、沉水植被等調(diào)查研究。

圖 3 BioSonics DT-X系統(tǒng)Fig. 3 System of BioSonics DT-X

3 分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)的應(yīng)用

傳統(tǒng)意義上分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)主要用于海洋漁業(yè)調(diào)查。隨著海底可燃冰、冷泉、熱液等資源調(diào)查的不斷深入，分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)也不斷應(yīng)用于羽狀流、氣泡團(tuán)等的探測。

3.1 漁業(yè)調(diào)查

每個(gè)魚類種群都有自己獨(dú)特的聲學(xué)頻率響應(yīng)。圖4為磷蝦和鯖魚對不同頻率聲波的回波強(qiáng)度[6]。隨著不同魚類聲學(xué)特征數(shù)據(jù)庫的建立和不斷完善，可以大大提高水聲學(xué)在獲取海洋生物信息方面的價(jià)值。比如，鯖魚、金槍魚、沙丁魚、鯡魚和其他魚群最好使用高頻系統(tǒng)，如120或200 kHz；鱈魚和其他底層魚類可使用38或70 kHz來探測；18 kHz適合深水探測。當(dāng)分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)的多個(gè)頻率同時(shí)工作時(shí)，不僅可以提高魚群數(shù)量的估計(jì)能力，而且也可以用于種群鑒別。

圖 4 磷蝦和鯖魚的回波強(qiáng)度對比Fig. 4 Echo strengths of krill and mackerel

圖5為EK60同時(shí)使用18，38，70，120和200 kHz等5個(gè)不同頻率的聲波對鯖魚群的探測結(jié)果對比[6]。由圖5可見，鯖魚群位于每個(gè)回聲圖的左側(cè)，且鯖魚群回波的強(qiáng)度隨著頻率增大而增強(qiáng)。這一頻率響應(yīng)是鯖魚群所獨(dú)有的，可以用于從其他魚群中識別鯖魚。

圖 5 EK60多個(gè)不同頻率同時(shí)對鯖魚群的探測結(jié)果對比Fig. 5 Schools of mackerel are observed simultaneously at different frequencies using EK60

圖6為EK60同時(shí)使用18，38，70，120和200 kHz等5個(gè)不同頻率的聲波對磷蝦層的探測結(jié)果對比[6]。與鯖魚相反，磷蝦層的最強(qiáng)回波出現(xiàn)在70 kHz。鯖魚和磷蝦對聲波的頻率響應(yīng)不同，可以用于識別和區(qū)分其他種群。

圖 6 EK60多個(gè)不同頻率同時(shí)對磷蝦群的探測結(jié)果對比Fig. 6 Layer of krill are observed simultaneously at different frequencies using EK60

3.2 羽狀流探測

海底可燃冰、冷泉、熱液活動(dòng)不可避免的會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)的羽狀流，因此可以通過羽狀流尋找與之相關(guān)的海底泄漏源。在現(xiàn)代大洋科考中，分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)和多波束探測系統(tǒng)等聲學(xué)探測技術(shù)不斷應(yīng)用于海底羽狀流、氣泡團(tuán)的探測。與多波束相比，分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)具有更寬的頻帶范圍，可以同時(shí)在不同頻率上對羽狀流等進(jìn)行觀測。圖7為EK60在天然氣氣柱探測方面的應(yīng)用。

圖 7 EK60探測到的天然氣氣柱Fig. 7 Natural gas column detected by EK60

此外，分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)也可用于水下漏油、漏氣檢測。

4 結(jié) 語

分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)根據(jù)安裝方式分為船底固定安裝和便攜式2種。Simrad EK60采用船底安裝方式，可以在船舶航行過程中對水體進(jìn)行探測，不僅可以廣泛用于海洋漁業(yè)、海底植被等的調(diào)查，而且逐漸向海底羽狀流、氣泡團(tuán)探測發(fā)展，也用于水下漏油漏氣檢測。BioSonics DT-X是便攜式產(chǎn)品，可以在不同船舶上使用，廣泛應(yīng)用于湖泊、海流等的漁業(yè)資源、沉水植被等調(diào)查研究。