探测技术 | 典型分裂波束声学探测系统及其应用
随着计算机技术的发展及电子仪器性能的提高，水声学探测目前已成为海洋生物资源研究的重要手段之一。分裂波束声学探测系统是海洋生物研究不可或缺的仪器设备，将它安装在现代大型综合科考船的船底，在航行中可以不受海况影响对水体中的反射物进行探测，不仅可以对反射物进行定位，而且可以分析其反射强度。分裂波束声学探测系统通常具有很宽的工作频带，有足够的分辨率以处理小到浮游动物大到鲸类的声音信号。目前，它主要用于探测鱼类的数量、分布、大小、行为和生物量，以及分析沉水植物的分布、密布和冠盖高度，为海洋渔业学科发展和海洋渔业科学管理提供帮助。除此之外，分裂波束声学探测系统也可用于海底可燃冰、冷泉、热液等形成的羽状流、气泡团等的探测。本文首先介绍了分裂波束声学探测的基本原理和系统组成，然后系统介绍了Simrad和BioSonics等公司的2款典型分裂波束声学探测系统，并分析了它们在海洋渔业、羽状流检测等方面的应用。
一、分裂波束声学探测系统
1. 基本原理
分裂波束声学探测系统运用4个象限的换能器，将电信号转换成声脉冲并发射到水中，声波在水中传播过程中遇到障碍物时，部分反向散射至换能器。每个象限换能器可独立接收声波，如果信号水平超过用户选择的阀值，将被换能器接收并生成回波图。根据声波发射与收到回波的时间间隔和声波在水中的传播速度，利用分裂波束技术可测得目标所处的位置；运用目标跟踪技术可对鱼类在测声束内的运动轨迹、游动速率及方向等参数进行测算；对回声信号强弱和结构加以分析，可估算出目标强度、目标数量及分布状况等。现代分裂波束声学探测系统已经由过去单一的探鱼发展到全面水体探测，如图1所示。
图1 分裂波束声学探测系统示意图
2. 系统组成
分裂波束声学探测系统主要包括：对应不同频率的换能器、收发单元、操控台和外围辅助传感器（姿态传感器、导航系统等）。
二、典型分裂波束声学探测系统
目前国外分裂波束声学探测技术比较成熟，已经实现分裂波束声学探测系统的产品化、产业化。主要的分裂波束声学探测系统生产厂商主要有Simrad和BioSonics。表1给出了2款典型分裂波束声学探测系统的对比。
表1 几款典型分裂波束声学探测系统对比
1. Simrad公司的EK60
EK60是Simrad公司推出的一款分裂波束声学探测系统，具有内置校准模块。它可以同时运行7个探测频率，频率范围从18～710kHz。EK60特别适合固定安装在科考船的船底，EY60是相应的便携式版本，具有小巧而坚固的特点。Simrad EK60不仅支持回波实时处理和目标强度实时分析，而且可以存储原始数据用于回放或后处理。得益于Simrad 出色的换能器和信号处理技术，EK60拥有很高的探测能力。18kHz工作频率下可观察到1100m深度上的单个鱼类，对地反射可以侦测到7000m深度。它采用模块化设计，可以根据研究需要对收发单元和换能器进行自由组合。
图2 Simrad EK60系统框图
EK 60是一款适应海上长期工作的海洋生物资源声学探测仪器，其发射功率可调，数据采集范围大，接收瞬时动态范围达150dB，且具有强大的特殊功能。国际上大型科考船大部分都安装EK500或EK60（EK500升级产品）。
2. BioSonics公司的DT-X
DT-X是BioSonics公司推出的一款便携式分裂波束声学探测系统，如图3所示。它具有非常宽的频带范围，支持38，70，120，200，420和1000kHz等6个工作频率， 其中分裂波束模式可选其中4个频率。高频（如420kHz）更适合于小的目标和近距离探测，低频（如38kHz和70kHz）更适合于大的目标和远距离探测。分裂波束的换能器用于计数和追踪个体目标，并且确定精确的目标声学强度用于测量目标大小；单波束和分裂波束换能器都适合水深测量、底质分类，以及鱼类和浮游动物聚类、沉水植物数据的采集。DT-X具有极低的旁瓣 (–35dB)，接收瞬时动态范围达160dB。由于其便携性，DT-X广泛应用于湖泊、海流等的渔业资源、沉水植被等调查研究。
图3 BioSonics DT-X系统
三、分裂波束声学探测系统的应用
传统意义上分裂波束声学探测系统主要用于海洋渔业调查。随着海底可燃冰、冷泉、热液等资源调查的不断深入，分裂波束声学探测系统也不断应用于羽状流、气泡团等的探测。
1. 渔业调查
每个鱼类种群都有自己独特的声学频率响应。图4为磷虾和鲭鱼对不同频率声波的回波强度。随着不同鱼类声学特征数据库的建立和不断完善，可以大大提高水声学在获取海洋生物信息方面的价值。比如，鲭鱼、金枪鱼、沙丁鱼、鲱鱼和其他鱼群最好使用高频系统，如120或200kHz；鳕鱼和其他底层鱼类可使用38或70kHz 来探测；18kHz适合深水探测。当分裂波束声学探测系统的多个频率同时工作时，不仅可以提高鱼群数量的估计能力，而且也可以用于种群鉴别。
图4 磷虾和鲭鱼的回波强度对比
图5为EK60同时使用18，38，70，120和200kHz等5个不同频率的声波对鲭鱼群的探测结果对比。由图5可见，鲭鱼群位于每个回声图的左侧，且鲭鱼群回波的强度随着频率增大而增强。这一频率响应是鲭鱼群所独有的，可以用于从其他鱼群中识别鲭鱼。
图5 EK60多个不同频率同时对鲭鱼群的探测结果对比
图6为EK60同时使用18，38，70，120和200kHz等5个不同频率的声波对磷虾层的探测结果对比。与鲭鱼相反，磷虾层的最强回波出现在70kHz。鲭鱼和磷虾对声波的频率响应不同，可以用于识别和区分其他种群。
图6 EK60多个不同频率同时对磷虾群的探测结果对比
2. 羽状流探测
海底可燃冰、冷泉、热液活动不可避免的会产生响应的羽状流，因此可以通过羽状流寻找与之相关的海底泄漏源。在现代大洋科考中，分裂波束声学探测系统和多波束探测系统等声学探测技术不断应用于海底羽状流、气泡团的探测。与多波束相比，分裂波束声学探测系统具有更宽的频带范围，可以同时在不同频率上对羽状流等进行观测。图7为EK60在天然气气柱探测方面的应用。
图7 EK60探测到的天然气气柱
此外，分裂波束声学探测系统也可用于水下漏油、漏气检测。
四、结语分裂波束声学探测系统根据安装方式，分为船底固定安装和便携式2种。Simrad EK60采用船底安装方式，可以在船舶航行过程中对水体进行探测，不仅可以广泛用于海洋渔业、海底植被等的调查，而且逐渐向海底羽状流、气泡团探测发展，也用于水下漏油漏气检测。BioSonics DT-X是便携式产品，可以在不同船舶上使用，广泛应用于湖泊、海流等的渔业资源、沉水植被等调查研究。
来源：溪流之海洋人生微信公众号（ID：xiliu92899），作者：张同伟等。
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