韓鴻勝，柳義成，竇春暉，陳允約

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 國家水運(yùn)工程檢測設(shè)備計(jì)量站，天津 300456)

多波束聲吶憑借全覆蓋高效作業(yè)的優(yōu)勢，成為水深精細(xì)探測的主要聲吶設(shè)備。聲吶設(shè)備性能的提高、頻率范圍的擴(kuò)展和類型的增多對(duì)水聲計(jì)量提出了許多新的要求，為保證海洋測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，定期計(jì)量其探測性能具有實(shí)際的研究與應(yīng)用價(jià)值[1-3]。聲源級(jí)、工作頻率、波束寬度和脈沖寬度屬于多波束聲吶基本的聲學(xué)參數(shù)，與其反向散射強(qiáng)度、距離分辨力、聲照范圍以及測深準(zhǔn)確度等性能緊密相關(guān)，以上參數(shù)應(yīng)作為多波束聲吶水聲計(jì)量校準(zhǔn)的主要指標(biāo)。

1 校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水聲計(jì)量測試既要用到機(jī)械裝置和電測量裝置，又要涉及到水介質(zhì)中聲場，其量值不確定度要遠(yuǎn)大于單純的幾何、電磁、光學(xué)測量。目前，聲壓幅值的測量準(zhǔn)確度只有±0.5～±3.0 dB[4]。為此，在建設(shè)水聲設(shè)備校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)，必須要做到以下幾點(diǎn)：(1)均勻各向同性且無邊界影響的自由場條件；(2)發(fā)射器與水聽器之間距離適當(dāng)，既要滿足測試對(duì)象的遠(yuǎn)場條件，又要保證高信噪比；(3)要有一套高準(zhǔn)確度等級(jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，用來采集、顯示和記錄測試中換能器產(chǎn)生的電聲信號(hào)；(4)要有能精確控制測量距離、方位角等參數(shù)的位移機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)/升降裝置；(5)整套校準(zhǔn)系統(tǒng)量值傳遞與溯源路線科學(xué)可行。

1.1 消聲水池

消聲水池是開展水聲計(jì)量校準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)施。JJF 1146-2006《消聲水池聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范》對(duì)消聲水池的計(jì)量特性提出了具體要求，包括自由場區(qū)域、自由場頻率范圍、水池界面聲壓反射因數(shù)和水池內(nèi)本底噪聲[5]。

1.2 多維運(yùn)行控制裝置

多維運(yùn)行控制裝置架于消聲水池之上，可實(shí)現(xiàn)精密回轉(zhuǎn)、升降、水平位移等功能，是水聲計(jì)量實(shí)驗(yàn)的主體執(zhí)行機(jī)構(gòu)。多維運(yùn)行控制裝置(圖1)可安裝多波束聲吶換能器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器，并且可以精確控制二者之間的角度和距離，用于聲學(xué)指標(biāo)校準(zhǔn)。角度控制最大允許誤差±0.05°，位移控制最大允許誤差為±0.1 cm。

1.3 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是指準(zhǔn)確度低于計(jì)量基準(zhǔn)，用于檢定或校準(zhǔn)其他計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或工作計(jì)量器具的測量標(biāo)準(zhǔn)。本校準(zhǔn)系統(tǒng)應(yīng)用的主要計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具及配套設(shè)備技術(shù)要求如表1。

圖1 消聲水池上多維運(yùn)行控制裝置及其配套設(shè)備組成圖Fig.1 Diagram of multi-dimensional operation control device and auxiliary equipments on anechoic tank

試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)要求要求依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)水聽器頻率范圍0.1 MHz～2.5 MHz,擴(kuò)展不確定度U=0.9 dB(k=2)JJG1017-2007《1 kHz～1 MHz標(biāo)準(zhǔn)水聽器》[6]。信號(hào)采集器最高采樣頻率為10 MSa/s,電壓測量不確定度1 mV。JJF 1048-1995《數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》[7]。傾角儀最大允許誤差±0.1°JJF(浙) 1057-2010《數(shù)顯傾角儀校準(zhǔn)規(guī)范》[8]。

圖2 垂直航跡線方向換能器陣列Fig.2 Transducer array in cross-track direction

2 校準(zhǔn)方法

2.1 聲源級(jí)

水聲換能器的聲源級(jí)是發(fā)射換能器的一個(gè)重要電聲參數(shù)。一個(gè)聲吶換能器聲輻射的聲源級(jí)定義為：在其聲軸方向上，距發(fā)射器等效聲中心1 m遠(yuǎn)處的表觀聲壓對(duì)應(yīng)的平面行波的聲強(qiáng)級(jí)，以SL表示，即

SL=20lges+20lgd-20lgMs+120

(1)

式中：es為標(biāo)準(zhǔn)水聽器端輸出開路電壓，V；d為測試距離，m；Ms為標(biāo)準(zhǔn)水聽器自由場電壓靈敏度，V/Pa。圖2為多波束聲吶聲軸方向示意圖。

2.2 工作頻率

在一定的海洋因素條件下，海水吸收造成的衰減與頻率緊密相關(guān)。頻率越高，衰減越大，當(dāng)頻率高于10 kHz時(shí)，衰減因子對(duì)聲強(qiáng)的影響變成一個(gè)主要因素，因此海洋中的聲吶測量技術(shù)必須顧及頻率的影響[9]。頻率測量方法通常分為計(jì)數(shù)法和測頻法。

計(jì)數(shù)法的基本思想是將一段頻率為f0的待測信號(hào)加載到數(shù)據(jù)采集模塊的采集通道，尋找出所采集信號(hào)中包含的整周期個(gè)數(shù)N，以及N個(gè)周期中包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)n，根據(jù)采集通道的采樣率v，該信號(hào)頻率的測量值為

(2)

該方法特點(diǎn)是對(duì)采樣速率要求較高，對(duì)波形、振幅等無過高要求，是目前應(yīng)用較為廣泛的數(shù)字化信號(hào)頻率測量方法。直接測頻法是根據(jù)頻率的定義進(jìn)行測量的一種方法。它是用電子計(jì)數(shù)器顯示單位時(shí)間Ts內(nèi)通過被測信號(hào)的周期個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)頻率測量或者測量一個(gè)周期信號(hào)的歷時(shí)T0求倒數(shù)來計(jì)算頻率。這種方法對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確度要求較高。

2.3 波束寬度

波束寬度是指指向性圖的主瓣或主波束兩側(cè)的兩個(gè)方向之間的夾角，此兩方向上的聲壓級(jí)相對(duì)于軸向聲壓級(jí)下降3分貝的聲級(jí)，就稱之為“下降3分貝的波束寬度”，通常記作2θ-3 dB。指向性圖其實(shí)是一個(gè)三維空間圖，直觀地表示了換能器發(fā)射聲能在聲軸方向上的聚集程度。指向性圖一般需要做歸一化處理，即將聲軸上發(fā)送響應(yīng)值定為0 dB，因此在歸一化的指向性圖上，聲軸方向值最大，其他任意方向均為負(fù)分貝值[10]。波束寬度指向性圖案可用直角坐標(biāo)系或者極坐標(biāo)系表示，直角坐標(biāo)系分辨力較高，極坐標(biāo)系則形象直觀(圖3)。

圖3 直角坐標(biāo)表示指向性圖案Fig.3 Directivity pattern in rectangular coordinates

通常，波束寬度校準(zhǔn)方法是：將發(fā)射換能器與接收水聽器處于水下同一深度并滿足遠(yuǎn)場距離，通過水平旋轉(zhuǎn)發(fā)射換能器，得到水平面內(nèi)不同角度所對(duì)應(yīng)的水聽器開路電壓，繪制換能器水平指向性圖案；通過垂直旋轉(zhuǎn)發(fā)射換能器，得到垂直面內(nèi)不同角度所對(duì)應(yīng)的水聽器開路電壓，繪制垂直指向性圖案。多波束聲吶具有較寬的水平開角和較窄的垂直波束角。窄波束角校準(zhǔn)對(duì)校準(zhǔn)裝置要求較高，假設(shè)校準(zhǔn)多波束聲吶0.5°的波束角，校準(zhǔn)裝置角度控制的不確定度宜小于被檢設(shè)備標(biāo)稱值的1/3～1/5，角度控制的機(jī)械設(shè)計(jì)與加工難度較大。相比而言，在機(jī)械裝置開發(fā)中，距離控制準(zhǔn)確度要比角度控制高，且二者距離越遠(yuǎn)，改變距離引起的角度變化分辨力越大。針對(duì)這一難題，提出窄波束角的相對(duì)校準(zhǔn)方法，即保持發(fā)射換能器靜止，通過升降標(biāo)準(zhǔn)水聽器達(dá)到二者相對(duì)角度位置變化的校準(zhǔn)目的。

2.4 脈沖寬度

圖4 典型正弦脈沖波形Fig.4 Typical sinusoidal waveform

脈寬影響多波束聲吶距離分辨力，是保障水下微地貌測量和小目標(biāo)探測性能的主要參數(shù)，脈沖越窄，分辨力越高。多波束聲吶的脈沖寬度在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的，以適應(yīng)不同的測量需求與環(huán)境。當(dāng)換能器發(fā)射功率一定，窄脈沖的能量受到限制，損失探測距離；采用長脈沖可提高發(fā)射能量，達(dá)到增加探測距離的目的，但卻損失了距離分辨力。以上技術(shù)矛盾，促使FM信號(hào)、編碼脈沖信號(hào)等復(fù)雜信號(hào)技術(shù)的引入，提升了多波束聲吶的性能。

脈寬校準(zhǔn)方法比較簡單，通過標(biāo)準(zhǔn)水聽器與信號(hào)采集器獲得脈沖聲信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，截取脈寬內(nèi)的穩(wěn)態(tài)部分(圖4)，獲得脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，即為實(shí)測脈沖寬度，與多波束聲吶標(biāo)稱脈寬比較得到校準(zhǔn)值。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 聲學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程描述如下：

(1)待測換能器經(jīng)轉(zhuǎn)接法蘭盤安裝到多維運(yùn)行控制機(jī)構(gòu)的支架底端，使其發(fā)射扇面與水面平行，調(diào)節(jié)聲吶設(shè)備的工作參數(shù)(頻率、功率、脈寬、增益、門限等)，使其正常、穩(wěn)定發(fā)射脈沖信號(hào)。

(2)標(biāo)準(zhǔn)水聽器與信號(hào)采集器連接。當(dāng)脈沖信號(hào)進(jìn)入水聽器，信號(hào)采集器實(shí)時(shí)記錄水聽器端的開路電壓幅值。

(3)豎直方向測試(圖5)。調(diào)節(jié)水聽器至最低端，使待測換能器大致對(duì)準(zhǔn)水聽器方向并發(fā)射一定脈寬的聲波信號(hào)。換能器穩(wěn)定不動(dòng)，以△d=1 cm的間隔提升水聽器支架，同時(shí)記錄該點(diǎn)位置處水聽器的開路電壓值，在移動(dòng)水聽器過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓峰值，該峰值位置點(diǎn)即為多波束聲吶發(fā)射波束聲軸所在水平面。由測試距離r為8 m可計(jì)算，角度變化量為

(3)

(4)水平方向測試(圖6)。找到聲軸所在水平面后，固定水聽器。此時(shí)，通過精密回轉(zhuǎn)裝置在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)待測換能器，控制伺服電機(jī)以0.1°的角度間隔轉(zhuǎn)動(dòng)換能器，旋轉(zhuǎn)一周后，每個(gè)角度位置處都可采集到水聽器端的一個(gè)開路電壓值，繪出發(fā)射指向性圖。在轉(zhuǎn)動(dòng)換能器過程中，找到電壓最大值所在位置即為換能器的聲軸方向。至此，找到了聲軸方向，采集此刻水聽器接收到的脈沖信號(hào)。

(5)信號(hào)經(jīng)濾波處理后，計(jì)算脈沖穩(wěn)態(tài)部分的開路電壓有效值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)水聽器靈敏度與頻率的關(guān)系曲線圖可查得各個(gè)檢測頻率范圍所對(duì)應(yīng)的電壓靈敏度。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)水聽器的電壓靈敏度M，便可計(jì)算各個(gè)位置處的自由場聲壓。進(jìn)行聲源級(jí)、工作頻率、波束寬度、脈沖寬度等性能參數(shù)的分析與計(jì)算。

圖5 窄波束角校準(zhǔn)原理示意圖Fig.5 Calibration schematic diagram of the narrow beam angle圖6 寬波束角校準(zhǔn)原理示意圖Fig.6 Calibration schematic diagram of the wide beam angle

3.2 測試結(jié)果分析

表2為iBeam8120多波束聲吶水聲實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。該型號(hào)多波束工作頻率為200 kHz。波束角為1.5°×1.5°，波束扇形最大開角160°。需要說明的是：第一個(gè)1.5°是指多波束聲吶沿航跡線方向的發(fā)射指向性；第二個(gè)1.5°是指垂直航跡線方向的接收指向性；160°是指垂直航跡線方向的發(fā)射指向性。對(duì)于接收指向性的測量，實(shí)驗(yàn)采用的方法是：將水聽器替換為標(biāo)準(zhǔn)聲源或目標(biāo)小球，控制旋轉(zhuǎn)裝置以0.1°的步進(jìn)值水平方向旋轉(zhuǎn)多波束聲吶換能器，多波束聲吶接收不同角度位置處標(biāo)準(zhǔn)聲源或小鋼球的發(fā)射或反射信號(hào)，采集多波束聲吶換能器端的開路電壓或通過解析多波束XTF數(shù)據(jù)可得每個(gè)角度處的反向散射強(qiáng)度值 ，據(jù)此擬合繪出多波束接收波束角。

圖7為多波束聲吶垂直航跡線方向的發(fā)射指向性圖，對(duì)于沿航跡線方向的發(fā)射指向性，試驗(yàn)進(jìn)行了扇區(qū)-60°，0°，60°三個(gè)角度位置處的測試，如圖8所示。對(duì)于接收指向性，對(duì)多波束聲吶中央128號(hào)波束進(jìn)行了檢測，如圖9所示。

表2 多波束聲吶聲學(xué)指標(biāo)測試數(shù)據(jù)Tab.2 Acoustic indexes test data of multi-beam sonar

圖7 垂直航跡線方向發(fā)射指向性圖Fig.7 Transmitting directivity pattern in cross-track direction圖8 垂直航跡線方向-60°,0°,60°發(fā)射指向性圖Fig.8 Transmitting directivity pattern at -60°,0°,60° in along-track direction

圖9 中央128號(hào)波束垂直航跡線方向 的接收指向性圖Fig.9 Receiving directivity pattern of No.128 beam in cross-track direction

4 不確定度評(píng)定

4.1 頻率測量不確定度評(píng)定

4.1.1 數(shù)學(xué)模型

工作頻率測量的偏差通過多波束聲吶標(biāo)稱的工作頻率值減去信號(hào)采集與分析系統(tǒng)(標(biāo)準(zhǔn)水聽器、信號(hào)采集器)測得的頻率值，其數(shù)學(xué)模型如下

δf=fb-fs

(4)

式中：δf為工作頻率測量偏差，Hz；fb為多波束聲吶標(biāo)稱頻率值，Hz；fs為信號(hào)采集與分析系統(tǒng)測得的頻率值，Hz。

4.1.2 測量不確定度來源

多波束聲吶工作頻率的測量不確定度的主要來源及數(shù)據(jù)如表3所示。對(duì)多波束聲吶在200 kHz 工作頻率下，通過標(biāo)準(zhǔn)水聽器和信號(hào)采集器，連續(xù)采集10個(gè)脈沖信號(hào)，得到測量數(shù)據(jù)(Hz)：199 926，199 932，199 993，199 938，199 917，199 986，199 904，199 925，199 961，199 929。

表3 工作頻率測量不確定度分量綜合分析表Tab.3 Comprehensive analysis for the components of frequency uncertainty

4.1.3 合成不確定度

根據(jù)不確定度的傳播率，將上述不確定度分量進(jìn)行合成，則

(5)

4.1.4 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則

U=2μc=201 Hz，k=2

(6)

4.2 波束寬度測量不確定度評(píng)定

4.2.1 數(shù)學(xué)模型

波束寬度測量的偏差通過多波束聲吶標(biāo)稱的波束寬度減去多波束聲吶計(jì)量檢定裝置測得的波束寬度獲得，其數(shù)學(xué)模型如下

δθ=θb-θs

(7)

式中：δθ為波束寬度測量偏差，(°)；θb為多波束聲吶標(biāo)稱波束寬度，(°)；θs為水聲計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置測得的波束寬度，(°)。

4.2.2 測量不確定度來源

多波束聲吶波束寬度的測量不確定度的主要來源及數(shù)據(jù)如表4及表5所示。通過精密回轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)多波束聲吶換能器與標(biāo)準(zhǔn)水聽器之間的角度位置關(guān)系，連續(xù)采集多波束聲吶沿航跡線方向和垂直航跡線方向各個(gè)角度位置處的聲壓值，取下降3 dB的角度位置點(diǎn)，獲得波束寬度。得到測量數(shù)據(jù)(°)如下

沿航跡線方向：1.19，1.18，1.19，1.19，1.19，1.20，1.18，1.19，1.17，1.20。

垂直航跡線方向：51.32，51.36，51.28，51.29，51.34，51.35，51.31，51.26，51.3，51.33。

4.2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)不確定度的傳播率，將上述不確定度分量進(jìn)行合成，則

(8)

4.2.4 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則

U=2μc=0.045°

(9)

表4 沿航跡線方向波束寬度測量不確定度分量綜合分析表Tab.4 Comprehensive analysis for the components of along-track beam width uncertainty

表5 垂直航跡線方向波束寬度測量不確定度分量綜合分析表Tab.5 Comprehensive analysis for the components of cross-track beam width uncertainty

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(10)

擴(kuò)展不確定度

U=2μc=0.13°

(11)

5 結(jié)語

多波束聲吶計(jì)量校準(zhǔn)的核心是用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測量儀器的計(jì)量性能進(jìn)行評(píng)估，以獲得儀器量值的溯源性與一致性，以保證其測量的準(zhǔn)確可靠。

(1)多波束聲吶聲學(xué)參數(shù)計(jì)量校準(zhǔn)系統(tǒng)依據(jù)交通運(yùn)輸部部門計(jì)量檢定規(guī)程JJG(交通)139-2017《多波束測深儀 淺水》的要求而設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多波束聲吶聲源級(jí)、波束寬度、工作頻率和脈沖寬度等參數(shù)的計(jì)量校準(zhǔn)，各校準(zhǔn)參數(shù)的測量不確定度滿足規(guī)程要求。

(2)選取國內(nèi)新型多波束聲吶設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于JJG(交通)139-2017《多波束測深儀 淺水》聲源級(jí)最大允許誤差±3.0 dB，扇區(qū)開角最大允許誤差±10°，波束角最大允許誤差±0.25°的要求，驗(yàn)證了本校準(zhǔn)系統(tǒng)的可行性。

(3)進(jìn)一步開發(fā)校準(zhǔn)系統(tǒng)的自動(dòng)化功能。完善校準(zhǔn)系統(tǒng)中多維運(yùn)行控制裝置的自動(dòng)化回轉(zhuǎn)、升降和定位功能，改進(jìn)水聲信號(hào)自動(dòng)化同步采集與濾波處理，實(shí)現(xiàn)指向性圖自動(dòng)化繪制。

(4)下一步進(jìn)行校準(zhǔn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性試驗(yàn)，依據(jù)JJF1033-2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》，進(jìn)行計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

(5)擴(kuò)展校準(zhǔn)系統(tǒng)的適用范圍，可開展側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、ADCP等海洋聲吶測量儀器的計(jì)量校準(zhǔn)工作。