聲吶探魚器探測方式的研究

陶 冶

(吉林化工學(xué)院 航空工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

戶外垂釣為現(xiàn)代人提供與大自然親密接觸和感性認(rèn)知的最優(yōu)方式，與土地、陽光和水源相伴，寓強(qiáng)身健體于垂釣的全過程之中，活躍身心，使焦慮、乖戾、浮躁之氣消解于大自然的懷抱.不同的季節(jié)，魚情也有所差異.天暖的季節(jié)是魚找餌，秋冬季氣溫驟降則需要餌找魚.探魚器可以在陌生水域幫助使用者了解魚情、水下的地形，能積累對釣位優(yōu)劣的判斷，從而提供更好的垂釣體驗.

1 探魚器的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，現(xiàn)有的水下生物探測器多為探魚器，由聲吶探測器、超聲波探測器和與GPS結(jié)合的高級聲吶探魚器.

國外主流聲吶或超聲波探測器都屬于超聲波技術(shù)，主要構(gòu)造是由探測器、超聲波換能器、信號處理電路組成.利用超聲波換能器發(fā)射信號，通過空氣或水的傳播，利用超聲波在水中接觸物體反饋回來的信號，然后通過信號處理電路的處理，最后顯示在屏幕上[1].與GPS結(jié)合的高級聲吶探魚器，還需要安裝一個GPS衛(wèi)星定位探魚器接收器(帶數(shù)據(jù)線)才能使用，其工作原理與聲吶探魚器原理相同，比聲吶探魚器定位更加精準(zhǔn)，但價格昂貴保養(yǎng)困難.

近幾年，國內(nèi)出現(xiàn)的水下可視探魚器，在標(biāo)尺桿和探魚桿上設(shè)置有定位環(huán)，電纜線穿過定位環(huán)與顯示器相連，終端顯示器設(shè)置在保護(hù)箱體內(nèi)，在箱體內(nèi)設(shè)置蓄電池，還設(shè)置有控制面板，控制面板上設(shè)置有與蓄電池相連的電源開關(guān)、攝像頭開關(guān)和照明控制開關(guān)，電源開關(guān)、攝像頭開關(guān)和照明控制開關(guān)均通過電纜線與電路板連接，能夠顯示水下魚類和景物，而且能辨別近距離魚類的品種和大小，但探測范圍小，顯示終端過于笨重，不易操作[2].

2 聲吶工作原理

聲吶是英文縮寫“SONAR”的中文音譯，其全稱為：Sound Navigation and Ranging(聲音導(dǎo)航與測距)，是利用聲波在水中的傳播和反射特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理進(jìn)行導(dǎo)航和測距的技術(shù)，也指利用這種技術(shù)對水下目標(biāo)進(jìn)行探測(存在、位置、性質(zhì)、運(yùn)動方向等)和通訊的電子設(shè)備，是水聲學(xué)中應(yīng)用最廣泛、最重要的一種裝置，有主動式和被動式兩種類型.在水中進(jìn)行觀察和測量，具有得天獨厚條件的只有聲波[3].這是由于其他探測手段的作用距離都很短，光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人們也只能看到十幾米到幾十米內(nèi)的物體；電磁波在水中也衰減太快，而且波長越短，損失越大，即使用大功率的低頻電磁波，也只能傳播幾十米.然而，聲波在水中傳播的衰減就小得多，在深海聲道中爆炸一個幾公斤的炸彈，在兩萬公里外還可以收到信號，低頻的聲波還可以穿透海底幾千米的地層，并且得到地層中的信息.在水中進(jìn)行測量和觀察，迄今還未發(fā)現(xiàn)比聲波更有效的手段.

3 聲吶探魚器探測方式

聲吶探魚器由聲吶探頭和接收器兩部分組成.接收器現(xiàn)在已經(jīng)逐步由智能手機(jī)端的相關(guān)探魚器App所取代，如圖1所示，探頭與接收器的連接方式也從有線連接發(fā)展到藍(lán)牙等無線連接，App結(jié)合聲吶的組合充分發(fā)揮了聲吶探魚器的功能優(yōu)勢[4].

圖1 聲吶探頭與智能手機(jī)無線連接

3.1 聲吶探頭的錐形掃描方式

聲吶是以錐形來掃描，而不是直線.當(dāng)使用者從探魚器App界面上判讀掃描結(jié)果時，通常會認(rèn)為在畫面上看到的所有訊息，是全部都發(fā)生在探魚器的正下方，所以當(dāng)使用者發(fā)現(xiàn)魚信號時，直覺就會認(rèn)為魚一定是在探魚器的正下面.其實這些掃描結(jié)果是從探魚器下面更大的區(qū)域探測到的，當(dāng)聲吶掃描得越深，接收的數(shù)據(jù)就來自更寬廣的水下區(qū)域，這都是因為聲吶是以錐形來掃描的[5].聲吶探頭工作方式如圖2所示，聲吶發(fā)送聲能脈沖來定位物體，聲音以聲波形式傳播，而非線形，脈沖不是以線形而是以逐漸變寬的錐形來傳播.

圖2 聲吶探頭工作方式

3.2 掃描頻率

大多數(shù)的聲吶裝置有不同的頻率來掃描，范圍從寬波(約40°～60°)到窄波(約10°～20°)，以下是關(guān)于寬和窄波的一些要點：

(1)寬波掃描主要是為了快速覆蓋大面積，但較難知道魚的確切位置；

(2)寬波掃描適合于淺水區(qū)域，因為掃描得越深，錐形覆蓋的區(qū)域越廣.如果使用者在14 m深的水域進(jìn)行掃描，聲吶將覆蓋14.5 m的區(qū)域；

(3)窄波掃描更適合用來找到魚的確切位置；

(4)窄波掃描適合更深的水域，因為錐形覆蓋的區(qū)域較集中[6].

3.3 掃描“死角”及解決方案

探魚的時候，在探測界面看到的魚不都在探魚器的正下方，而是位于探魚器聲吶探頭下方的錐形掃描范圍內(nèi).探測的深度越深，掃描的區(qū)域就越寬.尤其是使用窄波掃描時，如果魚在較淺的位置，就會在探魚器正下方不遠(yuǎn)處；如果魚在較深的位置，就可能在水下更廣闊的區(qū)域，距離探魚器聲吶探頭也就更遠(yuǎn)[7].

所以開始探魚時，應(yīng)當(dāng)先用寬波找到魚的大概區(qū)域，然后切換到窄波并重復(fù)掃描該區(qū)域幾次以探測魚的確切位置.盡管如此，掃描區(qū)域仍會出現(xiàn)“死角”.聲吶裝置會用它探測到的第1個底部位置，作為在畫面上顯示底部位置的基準(zhǔn)，但是當(dāng)聲吶錐探測到陡坡或斷層時，可能會有一個更深的區(qū)域不被顯示在掃描結(jié)果上，如圖3所示，該區(qū)域就是“死角”.使用窄波掃描將使顯示“死角”的概率降至最低.當(dāng)探測到陡坡或斷層時，可以使用窄波對該區(qū)域重復(fù)掃描幾次.

圖3 聲吶探頭掃描的死角

3.4 利用低溫鋰電池技術(shù)提高探測續(xù)航時間

低溫鋰電池是一種采用特殊材料及工藝制成的，適合于0 ℃以下的寒冷環(huán)境使用，且放電容量及工作性能表現(xiàn)優(yōu)秀，一般都要求在-40 ℃左右環(huán)境下正常工作，放電容量保持在80%以上，最低工作溫度可達(dá)到-50 ℃.低溫鋰電池選用VGCF和比表面積在(2 000±500)m2/g的活性炭為添加劑及與其相匹配的正負(fù)極材料，注入添加特殊添加劑的特種電解液，保證鋰電池的低溫放電功能，同時高溫70 ℃擱置24 h體積變化率≤0.5%，具有常規(guī)鋰電池的安全和存儲功能[9].

低溫鋰電池按其使用環(huán)境分為3個系列：

(1)民用低溫鋰電池：-20 ℃電池0.2C放電占額定容量的90%以上；-30 ℃電池0.2C放電占額定容量的85%以上.

(2)特種低溫鋰電池：-40 ℃電池0.2C放電占額定容量的80%以上；

(3)極端環(huán)境低溫鋰電池：-50 ℃時電池0.2C放電占額定容量的50%以上.

為應(yīng)對低溫地區(qū)冬季垂釣的低溫環(huán)境，從成本及環(huán)境因素考慮聲吶探頭可以采用的民用低溫鋰電池，可以有效應(yīng)對冬季聲吶探魚器探頭電量下降過快的情況.

4 掃描結(jié)果分析

聲吶探魚器App界面的掃描結(jié)果會從右向左邊滾動.在最右邊的是最即時的掃描結(jié)果，越向左邊移動則代表掃描結(jié)果越早.要注意的是，即使探魚器沒有移動，聲吶掃描結(jié)果還是會在畫面上繼續(xù)滾動，因為探魚器仍會不停地發(fā)送和接收聲音脈沖，了解滾動顯示的概念對于理解聲吶掃描結(jié)果很重要.

在判讀聲吶掃描結(jié)果時，最容易犯的錯誤之一就是把一條魚誤認(rèn)為好幾條魚.探魚器拋出后，在水里有一條靜止的魚，如果這時探魚器跟魚都沒有移動，就會在畫面上顯示一連串的魚符號，直覺反應(yīng)就會認(rèn)為下面有5、6條大魚，但是事實上只有一條魚，只是滾動的顯示方式讓人誤解[8].

如圖4所示，如果對滾動顯示覺得困惑，可以打開振幅示波顯示(設(shè)定>聲吶>振幅示波顯示)，在畫面的最右端就會出現(xiàn)一個在冰釣時使用的垂直顯示方式.這個顯示方式不會滾動，代表它顯示的是聲吶下方的即時狀況.

圖4 掃描界面

另外當(dāng)使用者拋出探魚器，慢慢收回同時掃描水底結(jié)構(gòu)的時候，如果暫停幾秒后又開始收線，最后察看掃描結(jié)果，畫面顯示一段穩(wěn)定的斜坡，但是中間突然有一塊平坦的區(qū)域(如圖5所示)，那么水底到底是否有平坦部分呢？答案是沒有.水平軸畫面顯示的其實是時間，而不是距離.這個平坦的區(qū)域是因為在暫停收線時，聲吶仍不停地掃描所以畫面持續(xù)滾動，于是就出現(xiàn)一小段平坦的掃描結(jié)果.要避免這種情況，使用者在收線時保持穩(wěn)定的速度，也可以使用岸釣GPS模式或船釣?zāi)Ｊ絹頀呙瑁@兩個模式使用GPS將水底的深度級別顯示到地圖上，因此就算拖曳速度不一致，也不會有任何影響[9].

圖5 掃描結(jié)果出現(xiàn)平緩區(qū)域

聲吶探魚器不僅能探測水下的底部結(jié)構(gòu)，還能告訴使用者水下的底部有多硬，這是因為聲吶的聲能脈沖除了測量返回信號所需的時間外，也同時測量強(qiáng)度，顯示水下物體的軟硬程度，如圖6所示.

圖6 軟硬程度掃描

松軟(低密度)的物體返回較弱的信號，反之，堅硬(高密度)的物體則返回較強(qiáng)的信號.畫面顯示出不同的顏色和亮度來告訴你物體的硬度：顏色越鮮明代表返回的信號越強(qiáng)，物體越堅硬.在探測底部結(jié)構(gòu)時，這一點尤其重要.你可以注意到畫面顯示的底部輪廓在某些位置(堅硬的底部)變得厚又密集，然后其他位置(松軟的底部)則變得薄又松散.如果畫面上顯示底部的第2個聲吶返回，代表這區(qū)的底部非常堅硬，所以當(dāng)?shù)?波聲吶脈沖返回到水面后，因為信號強(qiáng)，而再次反彈到底部，最后又反彈回來，于是在畫面上就出現(xiàn)第2層的掃描結(jié)果.底部硬度的數(shù)據(jù)非常有用，也是建立整體底部結(jié)構(gòu)探測圖的一部分.能夠區(qū)分樹枝堆和巖石、泥巴底部和硬底部，對于找到目標(biāo)魚種的釣點其實非常重要.這雖然不會直接影響探魚結(jié)果，但是觀察底部硬度以及魚出現(xiàn)的位置，進(jìn)而了解某些魚的習(xí)性來預(yù)測釣點，對提高垂釣技巧還是很有幫助的[10].

5 結(jié) 論

聲吶探魚器實現(xiàn)水下生物的識別及數(shù)據(jù)的無線可靠傳輸，同時以智能手機(jī)作為終端，簡化大部分的硬件，提高設(shè)備的處理效率.根據(jù)天氣、溫度等自然情況，合理地利用聲吶探魚器的功能，可以有效解決探測“死角”；熟練掌握掃描界面的顯示信息并靈活運(yùn)用相關(guān)技巧，能夠有效提升探測及垂釣技巧，進(jìn)而擴(kuò)大受眾人群提高經(jīng)濟(jì)效益.