淺地層剖面儀和側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掃聲吶這2種聲吶系統探討性地提出了“兩步法”的性能檢測和評價方法:1)聲學物理參數檢測:分析了與淺地層剖面儀和側掃聲吶系統性能相關的關鍵聲學物理參數(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的方法;2)實際探測性能評價:分析了與淺地層剖面儀和側掃聲吶系統性能相關的實際探測效果評價指標,并提出了通過海上試驗來檢測和評價這些指標的方法。最后對建設具備高效消聲性能的大型試驗水池,建設海底標準地層檢測場和海底標準目標物檢測場以真正實現設備性能的檢定應做的后續工作進行了討論。

淺地層剖面儀;側掃聲吶;聲學參數;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)和側掃聲吶(Side-scan Sonar,SSS)都是基于聲學原理研發的用于探測海底地形地貌和淺部地層結構、構造的地球物理儀器[1-2]。近年來,隨著我國近海油氣資源的大規模開發、國土資源大調查的開展、各種海洋工程建設的不斷增加以及各種海底災害地質事件的頻繁發生,淺地層剖面儀和側掃聲吶等聲學系統被國內諸多單位大量引進,得到了廣泛應用,發揮了巨大的作用[3-9]。

由于缺乏相關系統性能檢測的方法體系和相應的測試設施,常用的聲吶設備無法進行規范有效的檢測,只能采取自校和比測的方法,且無統一規范,缺少基本的系統運行質量評價程序。這將導致獲取的數據資料精度不高,影響探測結果的準確性和可靠性。因此,我們希望通過研究這些常用海底聲吶系統性能檢測的關鍵技術和方法,建立科學的檢測和檢定體系,保證系統的有效性、穩定性和可靠性,確保探測數據的準確性和可信度,以提升我國海底調查資料的質量和使用價值。

我們提出了淺地層剖面儀和側掃聲吶兩種系統的聲學物理參數測定和探測性能評價的方法體系,為以后開展此類儀器設備的檢測及強制性檢定的標準制定和實施提供技術性指導和借鑒。

1 基本方案

國內外海底聲吶系統產品多樣,其核心技術不同,因此目前國內正在廣泛使用的聲吶系統型號不一。海底聲吶系統常用的技術主要有4種:CW波聲源(連續波)、Chirp波聲源(調頻)、相干聲源(參量陣)和合成孔徑,系統的聲波激發原理不同,其聲學物理參數也不同,信號采樣率也會有差異。

基于以上兩點,認為將所有的淺地層剖面儀或側掃聲吶一概而論制定統一的檢測標準是不可行的;但是,從系統本身的性能和功能來考慮,則可以制定一套統一的基本方法體系來指導具體的檢測和評測工作。本文針對淺地層剖面儀和側掃聲吶提出了“兩步法”的系統性能檢測和評價方法體系(圖1),分為兩步:聲學物理參數測定和實際探測性能評價。

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

2.1 聲學物理參數測定

廠商標稱的聲學物理參數是支撐系統能達到其設計探測目標的基本數據。因此,評價一套聲吶系統是否達到其標稱的性能和效果,首先需對其主要的聲學物理參數進行測定。淺地層剖面儀和側掃聲吶的主要聲學物理參數及其對系統的主要影響見表1。

表1 聲學物理參數對系統的影響Table 1 The influence of acoustic parameters on the instrument

2.2 實際探測性能評價

淺地層剖面儀和側掃聲吶探測的最終成果來自對海上調查所采集的聲學資料的處理。目前的技術已實現了圖像的數字化采集,允許用戶將探測資料帶回室內進行更為詳細的處理和分析,但在海上采集時,選擇合適的系統參數組合和獲取最佳聲學圖像仍然是非常重要的[10-12]。評價淺地層剖面儀和側掃聲吶海上作業時數據質量效果的主要指標: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)。由于聲吶系統設備廠商、規格型號及適用范圍的不同,表2中的評價指標無法給出一個定量的標準數值(大于這個數值評價為合格,小于這個數值評價為不合格)。

表2 實際探測性能評價指標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聯合進行了海底聲吶系統性能檢測關鍵技術的研究,本文主要介紹淺地層剖面儀和側掃聲吶系統性能檢測和評價的方法體系。

3.1 聲學物理參數測定

3.1.1 檢測平臺設計

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、回旋控制設備和測量記錄設備(圖2)。檢測平臺建設是聲學參數測量最基礎和最關鍵的一步,必須滿足相關的標準和規范[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,需形成自由聲場環境,且保證被檢換能器與檢測水聽器間的距離滿足遠場條件,所使用的消聲材料應滿足吸聲系數和吸聲頻段的要求,必要時池底、水面和吊裝架等也應鋪設消聲材料,最大限度地消除干擾源;精密回旋裝置用于調整被檢換能器的聲波發射方向,要求旋轉角度的精度控制要高,滿足小角度等角旋轉的要求,實現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整水聽器的垂直高度,實現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備分別用于控制回旋裝置的旋轉和測量、記錄檢測結果。

圖2 聲學參數檢測平臺示意圖Fig.2 The schematic diagram of testing platform for acoustic parameters

3.1.2檢測設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械部件或空間容積振動而產生的噪聲,實際是一種幅度較小的交流電壓,從波形上可以分為3類:放大器產生的頻率和形狀均無規律的雜散波形、線性電源產生的頻率為50或100 Hz的正弦波和開關電源等產生的頻率幾十到幾百k Hz的方波。聲吶系統的聲學物理參數測定在消聲水池中進行,已大大降低了環境噪聲的影響,影響測量的噪聲主要是檢測設備自身的電噪聲,因此在對各參數進行測定之前需對設備的電噪聲進行評測。實際測試時,可將電噪聲與背景噪聲同時進行評測,即在待檢聲吶不發射的情況下直接接收信號,通過處理和分析接收到的數據進行噪聲評價。

海底聲吶系統的頻率范圍很寬,淺地層剖面儀的頻率為幾百Hz至十幾k Hz,側掃聲吶的頻率為幾百k Hz甚至上千k Hz。根據采樣定理(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,才能把數字信號表示的信號還原成為原來信號。因此在進行聲學參數測定時,聲波采集器的采樣率需依據待檢聲吶系統的頻帶范圍進行確定,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應至少16位。

3.1.3 淺地層剖面儀的聲學物理參數

淺地層剖面儀需檢測的主要聲學物理參數:聲源級、頻率或頻譜、脈沖長度和波束角。測定聲學參數前首先需確定換能器的等效聲學中心。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律就可以確定等效聲學中心。實際檢測時應調整系統參數組合,對每個聲學參數進行重復測量。

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。波束角測定依據國家標準《聲學-水聲換能器測量》[15]進行。

2)聲源級:是描述聲吶發射的聲信號強弱的物理量,其定義為在發射器輻射聲場中,聲軸方向上離聲源1 m處的聲強與參考聲強之比的分貝數[16]。將被檢換能器的聲中心對準水聽器后,將采集到的聲壓輻值數據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態部分數據進行頻譜分析,獲取發射信號的頻譜,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:根據采集到的脈沖信號的穩態部分數據直接讀取脈沖長度。

3.1.4 側掃聲吶的聲學物理參數

側掃聲吶需檢測的主要聲學參數: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參數檢測一樣,首先也需確定側掃聲吶換能器的等效聲學中心,在測量水平開角和垂直開角過程中,可以將其等效聲學中心確定。由于側掃聲吶的換能器是對稱分布的,在檢測時應對兩側換能器分別單獨進行測量。

1)水平開角和垂直開角:側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 聲學物理參數符合性評價

聲學物理參數的測量在消聲水池中進行,水的溫度和密度影響聲速,從而會對各聲學參數的測量產生影響,因此,應根據實測的水的溫度和密度對各聲學參數的測量值進行修正。

將修正后的聲學物理參數測量值與系統廠商標稱值進行比對,做出符合性評價:如果是新采購系統,則分析其測量值是否與標稱值相符合,以此評判該系統是否能夠達到設計要求;如果是已有系統,關注的則是系統經過長時間使用后是否由于元器件磨損、老化等原因導致聲學參數發生變化,并評判系統聲學參數發生變化后能否繼續使用以及能否達到探測的相關技術要求。

3.2 實際探測性能評價

進行海底聲吶系統性能檢測的目的是保證系統的有效性、穩定性和可靠性,確保探測數據的準確性和可信度,因此對測試設備再實施海上探測試驗是一項必需的程序,評測結果應當作為被檢系統能否滿足繼續使用條件的重要判據。考慮到海洋環境的不可重復性,在檢測時可采用同類型的合格儀器進行同步探測,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剖面圖像的質量,主要評價指標有: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標準地層檢測場進行檢測(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行檢測。試驗時應設置多組系統參數組合分別進行檢測。

1)信噪比:回聲信號有效功率與噪聲有效功率的比率,是影響聲學剖面圖像可讀性的重要指標。信噪比的高低可采取2種評價方法:(1)設定臨界值,采用公式計算實際聲圖的信噪比進行評判[11];(2)直接對聲圖進行判讀,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、淺水區和較“硬”的海底容易出現混響,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,不作為判定系統性能的依據。

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”地層進行垂直分辨力的檢測:被檢系統從左向右進行連續探測,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,首先根據實測的系統聲學參數和測試環境參數,用正演的方法計算垂直分辨力標準值σhmin,然后將垂直分辨力測量值Δhmin與標準值σhmin相比較,評判被檢系統垂直分辨力的偏差。

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:能區分開2個目標物的最小間距,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變化的一系列目標物可以實現實際水平分辨力Δlmin的檢測。實際檢測時,首先根據實測的系統聲學參數和測試環境參數,用正演的方法計算水平分辨力標準值σlmin;將水平分辨力測量值Δlmin與標準值σlmin相比較,評判被檢系統水平分辨力的偏差。

5)有效穿透深度:與系統性能和海底地質條件有關,因此建立標準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行系統的有效穿透深度檢測:隨著系統從左向右連續探測,層序I的厚度逐漸增加,如果當厚度增加到大于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在此地質條件下的有效穿透深度。實際檢測時,首先根據實測的系統聲學參數和測試環境參數,用正演的方法計算穿透深度標準值σhmax;然后將有效穿透深度測量值Δhmax與標準值σhmax相比較,評判被檢系統有效穿透深度的偏差。

3.2.2 側掃聲吶探測性能

側掃聲吶實際探測性能的評價依據是聲學回波圖像質量,主要評價指標: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掃聲吶的實際分辨力等參數,因此需人工制做典型的目標物安置于海底進行檢測。

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:能夠檢測到的目標物的最小尺寸,這個尺寸越小,側掃聲吶的檢測力越高。采用圖4所示的方法(布設于海底的直徑均勻變化的管狀目標物)測定被檢側掃聲吶的實際檢測力。檢測力的高低受側掃聲吶拖魚距海底高度和測量船速度的影響較大,實測時需調整這2個參數分別進行測定。

3)橫向分辨力:能在記錄圖像上清晰地顯現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距離依次增加的一系列目標物)檢測側掃聲吶的實際橫向分辨力。橫向分辨力受側掃聲吶的水平波束開角、脈沖發射間隔和測量船速度的影響較大,需調整這3個參數分別進行測定。實際檢測中,首先根據實測的系統聲學參數和測試環境參數等,用正演的方法計算每種參數組合時的橫向分辨力標準值,然后與對應的測量值進行比較,分別評判被檢系統在各種配置參數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距離依次增加的一系列目標物)檢測側掃聲吶的實際量程分辨力。量程分辨力受側掃聲吶頻率、脈沖長度、拖魚距海底高度和測量船速度的影響較大,實測時需調整這4個參數分別進行測定;實際檢測中,首先根據實測的系統聲學參數和測試環境參數等,用正演的方法計算每種參數組合時的量程分辨力標準值,然后與對應的測量值進行比較,分別評判被檢系統在各種配置參數時的量程分辨力的偏差。

5)有效量程:側掃聲吶實際工作時,當我們設定一個量程(單側掃寬)L后,有時并不是量程范圍內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(在海底布設與測線方向呈一定角度的柱狀或管狀目標物)可以檢測側掃聲吶的有效量程。有效量程受側掃聲吶拖魚距海底高度、發射間隔和測量船速度的影響較大,實測時需調整這3個參數分別進行測定。實際檢測中,首先根據實測的系統聲學參數和測試環境參數等,用正演的方法計算每種參數組合時的有效量程標準值,然后與對應的測量值進行比較,分別評判被檢系統在各種配置參數時的有效量程的偏差。

圖4 側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,根據獲取的聲學圖像的信噪比、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數據及相關指標測量值與正演計算標準值的比較結果對被檢系統進行綜合評價。

4 結 語

4.1 討 論

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

1)準確地測定聲吶系統的聲學物理參數,需要建設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、控制設備和測量記錄設備等一體的海底聲吶設備聲學物理參數測定平臺;

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

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

4.2 展 望

海底聲吶系統的設備參數檢測和探測性能評價是一項涉及多種學科的工作,意義重大。在后續工作中主要針對以下幾個方面進行:首先,選取某一典型的水域,建設海上標準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,建設海底標準目標物檢測場用于檢測和評價側掃聲吶的實際探測性能;其次,進行多次消聲水池試驗和海上試驗,進一步優化和完善淺地層剖面儀和側掃聲吶系統的室內聲學物理參數檢測和實際探測性能評價方法;再次,積極推動相關部門出臺相應的國家標準和規范,建立科學的、權威的海底聲吶系統校準、檢測和檢定體系,促進我國海洋產業的持續和健康發展。

致謝:山東科技大學測繪科學與工程學院陽凡林教授在消聲水池聲吶試驗中提供了支持和幫助;中國海洋大學海洋地球科學學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

海洋公益性行業科研專項——常用海底聲吶測量儀器計量檢測關鍵技術研究與示范應用(201305034);國家自然科學青年基金項目——基于高分辨率聲學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查技術方面研究.E-mail:sdhdwfq0317@fio.org.cn

(陳 靖 編輯)