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        典型分裂波束聲學(xué)探測系統(tǒng)及其應(yīng)用

        2019-03-07 09:28:40張同偉秦升杰唐嘉陵王向鑫
        艦船科學(xué)技術(shù) 2019年2期

        張同偉,秦升杰,唐嘉陵,王向鑫

        (1. 國家深?;毓芾碇行模綎| 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(duì)水體中的反射物進(jìn)行探測,不僅可以對(duì)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(hào)[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?cè)诤Q鬂O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(hào)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(hào)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(duì)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(duì)回聲信號(hào)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。現(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(duì)應(yīng)不同頻率的換能器、收發(fā)單元、操控臺(tái)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(duì)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(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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?。粏尾ㄊ头至巡ㄊ鴵Q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(duì)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(duì)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(duì)鯖魚群的探測結(jié)果對(duì)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(shí)別鯖魚。

        圖 5 EK60多個(gè)不同頻率同時(shí)對(duì)鯖魚群的探測結(jié)果對(duì)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(duì)磷蝦層的探測結(jié)果對(duì)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(duì)聲波的頻率響應(yīng)不同,可以用于識(shí)別和區(qū)分其他種群。

        圖 6 EK60多個(gè)不同頻率同時(shí)對(duì)磷蝦群的探測結(jié)果對(duì)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(duì)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(duì)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。

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