侧扫声呐计量标准技术研究
导语
国家水运工程检测设备计量站联合山东科技大学开展侧扫声呐计量标准技术研究，取得阶段性成果。目前可对外开展浅水型侧扫声呐波束角、距离分辨力、工作频率等技术指标的计量测试服务。
一交通行业侧扫声呐计量管理现状
侧扫声呐是运用水下底物对拖鱼换能器（图1）两侧入射声波反向散射的原理来探测海底形态和目标，直观地提供海底声成像的一种设备，它不受水体可见度的影响而快速覆盖大面积水域，“看”到水下情况，在水运工程、水下救捞、港口建设及航道疏浚、海底目标探测（如探测水下的沉船、暗礁、事故车辆、失事飞机等）、海洋测绘、海洋资源开发等方面有广泛应用。
图1侧扫声呐拖鱼换能器
目前我国尚未制定侧扫声呐的国家标准和计量检定规程，因此急需开展侧扫声呐行业标准和部门计量检定规程的制定工作。为加强计量监督管理，交通运输部已将侧扫声呐纳入《水运工程试验检测仪器设备计量管理目录》（交办科技【2016】56号）。
二侧扫声呐基本组成与工作原理
侧扫声呐主要由甲板系统和拖鱼系统组成，其中甲板系统包括显控电脑、声呐处理器等主要部分；拖鱼系统包括尾翼、电子水密舱、收发换能器线阵、拖钩、拖曳电缆等主要部分。侧扫声呐依靠测量船沿航迹线向前移动即完成对船两侧带形海底的扫描，得到这条带宽度内二维海底的伪彩色或黑白声图，可以显示出海水中和海底的物体轮廓和海底的地貌，其组成与工作示意见图2和图3。侧扫声呐的换能器线阵向拖鱼两侧发出扇形声波波束，可以使声波照射拖鱼两侧各一条狭窄的海底，这一条海底各点的回波依距离换能器远近的不同先后返回到换能器，经换能器进行声电转换形成一个强弱不同的脉冲串，这个脉冲串各处的幅度高低包含了对应海底的起伏和底质的信息，其回波数据成像原理示意见图4。
说明：
1——显控电脑； 2——声呐处理器； 3——尾翼；4——电子水密舱；
5——收发换能器线阵；6——拖钩；7——拖拖曳电缆。
图2侧扫声呐组成示意图
说明：1——甲板系统；2——拖鱼系统；3——条带宽度；4——航迹线。
图3侧扫声呐工作示意图
说明：1——换能器；2——声波波束；3——回波脉冲。
图4侧扫声呐回波信号成像原理示意图
三侧扫声呐计量性能参数
声呐设备性能的提高、频率范围的扩展和类型的增多等对水声计量提出了许多新的要求，为保证海洋测量数据准确度，定期检验其探测性能具有实际的研究与应用价值。工作频率、波束宽度（扇区开角）、距离分辨力、鉴别阈等是表征侧扫声呐性能的主要指标，且指标间具有相互的内在影响规律，关乎侧扫声呐整理作业效率和数据质量。表1为国内外部分侧扫声呐产品标称的计量性能参数。
表1几种常见侧扫声呐的主要性能参数
其实，上表中标称的参数多数是理想环境下的理论定义值，是设备生产过程中的设计指标。对于使用者而言，实际工作环境下的设备性能尤为重要。例如侧扫声呐产品标称的距离分辨力基本都是根据声呐发射频率、脉宽、波束入射角、声速等参数由理论公式方程导出。对于用户而言，往往最为关心的是侧扫声呐在实际水下环境中能够分辨最小目标物的能力。通过广泛调研和实验验证，并结合相关规范要求，提出本项目的技术要求，如表2和表3。
侧扫声呐示值误差应符合表2的要求。
表2 示值误差
根据不同测区的测量等级要求，将侧扫声呐鉴别阈分为3个等级，应符合表3的要求。
表3 鉴别阈
四侧扫声呐计量测试方法
目前侧扫声呐校准工作主要是生产单位和用户自行在海上或湖上采取寻找特殊地形“自校”，或者与公认“好产品”比测的方式进行，严格意义上不能称为校准。为此，国家水运工程检测设备计量站在山东科技大学海洋测绘综合试验场开展了侧扫声呐的计量测试。该露天试验场长40m，宽11m，深（5~8）m，水池长侧壁局部消声，池底铺设不同材质、不同尺寸和不同形状的标准目标物，以及卵石、细沙、淤泥等不同底质。试验场与海上环境相比，基本无风浪潮流等因素影响，水池配备运行导轨行车和精密回转升降装置等，是开展侧扫声呐计量测试的优良环境。
（1）试验设备
试验设备及技术要求见表2。
表4检定设备及技术要求
图5 试验水池
图6 试验行车
图7 声速剖面仪
图8 标准水听器
图9 信号采集器
图10 标准目标块
（2）试验方法
通过精密回转升降装置将侧扫声呐拖鱼换能器与标准水听器固定安装，依据《声学水声换能器测量》（GB/T 7965-2002）进行工作频率和波束角测量，设备安装与试验示意图如图11所示。控制行车带动拖鱼换能器移动，使发射扇面匀速扫过池底目标块，进行侧扫声呐距离分辨力（沿航迹方向与垂直航迹方向）和鉴别阈测量，试验示意图如图12和图13所示。
1—拖鱼；2—回转支架；3—升降支架；4—标准水听器； 5—前置放大器；
6—信号采集器；7—显控电脑；8—消声材料
图11 侧扫声呐试验示意图
1——拖鱼；2——航迹线；3——窄波束纵剖面；4——标准目标块；
5——垂直航迹线方向；6——标准目标块；7——波束开角纵剖面（部分）
图12距离分辨力试验示意图
1—标准目标块；2—拖鱼；3—显控电脑；4—消声材料
图13鉴别阈试验示意图
（3）数据分析
采用北京蓝创海洋生产的Shark-S450双频侧扫声呐作为试验样机进行试验，探测目标与拖鱼距离7m，从声呐图像（图14）中可以看出，该侧扫声呐能分辨出相距30cm的不同目标物，能鉴别出沿航迹线方向直径10cm的红色铁管，边长50cm的木箱，边长30cm的不锈钢方块，直径25cm的不锈钢球，边长20cm的不锈钢方块，直径15cm的不锈钢球，边长10cm的不锈钢方块，难以清晰鉴别出直径5cm的不锈钢球。满足2%的距离分辨力技术要求，满足一等鉴别阈技术要求。
图14声呐图像、池底实景和三维激光扫描图像
采用EdgeTech 4200FS侧扫声呐作为试验样机进行试验，图15为声呐图像，探测目标与侧扫声呐拖鱼平行距离10m，从图中可以看出，它能清晰鉴别出直径为10cm的金属管，不能清晰鉴别直径2cm的不锈钢小球，能有效分辨出相距30cm的5个目标物；图16为标准水听器结合信号采集器获得的单频侧扫声呐脉冲声信号经A/D转换的数字信号，对采集到的脉冲信号的稳态部分数据进行频谱分析，获取发射信号的频谱，并分析信号的各个频率成分和频率分布范围，求取各个频率成分的幅值分布和能量分布，从而得到主要幅度和能量分布的频率值，通过滤波、FFT等数字信号处理技术获得侧扫声呐的工作频率值119.941kHz，示值误差0.0.059kHz，未超出最大允许误差±3%；图17、18分别为被检侧扫声呐沿航迹方向波束宽度（1.19o），示值误差-0.07o，未超出最大允许误差±0.1o，垂直航迹方向波束开角（51.3o），示值误差1.3o，未超出最大允许误差±2o。
图15鉴别阈判读声呐图像
图16 单频侧扫声呐脉冲信号
图17沿航迹方向波束宽度
图18垂直航迹方向波束开角
五测量不确定度评定
（1）频率测量不确定度评定
表5工作频率测量不确定度分量综合分析表
由于各不确定度分量之间不相关，则则合成标准不确定度为：
扩展不确定度：
（2）波束宽度测量不确定度评定
表6沿航迹线方向波束宽度测量不确定度分量综合分析表
由于各不确定度分量之间不相关，则合成标准不确定度为：
扩展不确定度：
表7垂直航迹线方向波束宽度测量不确定度分量综合分析表
由于各不确定度分量之间不相关，则合成标准不确定度为：
扩展不确定度：
（3）距离分辨力测量不确定度评定
表8沿航迹线方向波束宽度测量不确定度分量综合分析表
由于各不确定度分量之间不相关，则合成标准不确定度为：
扩展不确定度：
六结束语
侧扫声呐是获取海洋地形地貌的主流设备，如何正确地选择一款质量过硬的产品是各个科研单位和公司所关心的。目前国内对于声呐仪器的检校工作还处于摸索阶段，没有形成一套统一的标准体系，对于一些常用的侧扫声呐设备，通常直接使用或采取自校准的方法，相关系统性能检测方法和相应的测试设施严重匮乏，没有形成一个严格的规范对仪器的性能进行评价，这样所获取的数据资料将会存在很大的质量隐患，严重影响了探测结果的准确性和可靠性。开展侧扫声呐计量标标准技术研究，将促进侧扫声呐的生产、检验和使用，实现规范化管理，为行业提供精确的水下声呐图像和底质分类资料，为直观判断水下各种地貌和障碍物等提供标准依据。
附件A侧扫声呐量值溯源与传递框图
图19水声频率量值溯源与传递框图
图20波束开角量值溯源与传递框图
图21分辨力与鉴别阈量值溯源与传递框图
来源：国家水运工程检测设备计量站