聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的基本原理

    古語(yǔ)有云“工欲善其事必先利其器”，在使用這些“器”之前，首先要了解原理和性能，但是讓所有技術(shù)人員都現(xiàn)學(xué)“水聲原理”顯然是不現(xiàn)實(shí)的，去聽從本科開始到碩士階段總計(jì)近150學(xué)時(shí)的“海底探測(cè)與數(shù)字化技術(shù)”的課程更是有些慘無(wú)人道了，所以在這部分，我們可以通過(guò)幾個(gè)經(jīng)典公式來(lái)系統(tǒng)了解一下聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)原理。

⑴聲學(xué)方程

這是一個(gè)以能量平衡為基礎(chǔ)建立的公式，各參量以分貝為單位，以1微帕的聲強(qiáng)為參數(shù)基礎(chǔ)。下面讓我們認(rèn)識(shí)一下各個(gè)參量。

儀器參量：SL——發(fā)射器聲源級(jí)，發(fā)射能量大小，通?？烧{(diào)；NL1——發(fā)射器自噪聲級(jí)，和換能器元件、電子電路有關(guān)，通常是一個(gè)定值，且隨著設(shè)備使用時(shí)間增長(zhǎng)而增大；DI——接收指向性指數(shù)，在聲軸上接收器靈敏度較大；DT——檢測(cè)閥值，接收器所能識(shí)別的信號(hào)強(qiáng)度下限。

介質(zhì)參量：TL——信號(hào)傳播損失，聲波振動(dòng)在介質(zhì)中傳遞的能量損失；RL——混響級(jí)，介質(zhì)的共振所產(chǎn)生的假波；NL2——環(huán)境噪聲級(jí)，介質(zhì)中存在的聲阻抗界面產(chǎn)生的反射等。

目標(biāo)參量：TS——目標(biāo)反射強(qiáng)度，與目標(biāo)物外表面的材料有關(guān)，主要涉及與外部介質(zhì)的聲阻抗差異；SL——目標(biāo)聲源級(jí)（與被動(dòng)聲納、水下定位系統(tǒng)有關(guān)）我們所使用的聲學(xué)探測(cè)設(shè)備都是在聲軸方向上主動(dòng)發(fā)射聲信號(hào)的，聲源（換能器）即發(fā)射器，將聲軸上1m處的信號(hào)強(qiáng)度作為基準(zhǔn)，信號(hào)到達(dá)目標(biāo)時(shí)強(qiáng)度為：SL-TL，返回時(shí)為：SL-2TL+TS，在考慮環(huán)境背景的情況下，噪聲的聲強(qiáng)為：NL1+NL2-DI，為了表述簡(jiǎn)便，將發(fā)射器自噪聲和環(huán)境噪聲合為NL。

分析可知，如果想要使接受器檢測(cè)到回聲信號(hào)，則有：DT≦SL-2TL+TS-NL+DI，所有聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的指標(biāo)、參數(shù)都與上面這個(gè)等式有關(guān)，之所以使用“陣（Array）”而非單個(gè)換能器，也是為了通過(guò)發(fā)射或接收時(shí)的信號(hào)疊加，來(lái)優(yōu)化各個(gè)儀器參數(shù)。在接收器所能識(shí)別的信號(hào)強(qiáng)度下限固定時(shí)，不同的環(huán)境條件下通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)獲得較優(yōu)聲學(xué)圖像就是改變等式右側(cè)各個(gè)儀器參量的過(guò)程。

⑵儀器分辨力

從聲學(xué)方程中我們知道了聲信號(hào)在換能器——目標(biāo)物之間的傳遞過(guò)程，但是對(duì)于目標(biāo)物的探測(cè)而言，單單單單有信號(hào)返回是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，那么，如何才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)對(duì)物體的識(shí)別呢，或者說(shuō)，信號(hào)的物理特性和目標(biāo)物之間應(yīng)滿足什么條件時(shí)，我們才能得到清晰、準(zhǔn)確的反射圖像呢？在理想狀態(tài)下，聲波在傳播過(guò)程中遇到遮蔽物時(shí)，如果聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于遮蔽物特征尺寸，會(huì)發(fā)生透射，即直接穿過(guò)遮蔽物，當(dāng)波長(zhǎng)接近遮蔽物特征尺寸時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射或繞射，只有當(dāng)聲波波長(zhǎng)小于遮蔽物特征尺寸時(shí)才會(huì)發(fā)生反射。但是，由于水體自身存在聲阻抗，信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)不可避免地發(fā)生衰減，這一現(xiàn)象在深水條件下尤為突出。


⑶時(shí)深轉(zhuǎn)換

發(fā)射器產(chǎn)生的聲信號(hào)，到達(dá)目標(biāo)物后發(fā)生反射回到接收器，從發(fā)射到接受的時(shí)間差與聲速相乘再除以2，即為發(fā)射器到目標(biāo)物的距離。

具體表達(dá)式為：D=Vt/2

⑷多普勒頻移

當(dāng)聲源和目標(biāo)物存在相對(duì)位移時(shí)，回波信號(hào)的頻率會(huì)發(fā)生改變，這就是有名的多普勒效應(yīng)，具體表現(xiàn)為反射信號(hào)的頻率在聲源接近目標(biāo)物時(shí)會(huì)升高，當(dāng)聲源遠(yuǎn)離時(shí)則會(huì)降低。

這一現(xiàn)象對(duì)很多高頻探測(cè)設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生影響，尤其是需要記錄回波信號(hào)振幅、相位的設(shè)備，當(dāng)然，可以通過(guò)計(jì)算程序予以減弱，但單單單單是減弱而已。有的設(shè)備則是利用這一物理現(xiàn)象來(lái)工作的，比如ADCP、安德拉海流計(jì)等，通過(guò)記錄信號(hào)頻率的變化，反算目標(biāo)物的移動(dòng)速率。

⑸聲波的折射偏移

由于溫度、鹽度的差異，海洋中存在一系列聲速界面，即上下層聲速不等的水體，當(dāng)聲信號(hào)通過(guò)這些界面時(shí)，傳播方向會(huì)發(fā)生改變。

式中V1，V2分別為上下兩層水體的聲速，α，β為聲信號(hào)的入射角和折射角，可以看出：首先，垂直入射的信號(hào)是不會(huì)發(fā)生折射偏移的，其次，入射角越大，偏移量就越大，這一現(xiàn)象對(duì)條帶測(cè)深系統(tǒng)的影響非常明顯，在沒(méi)有水體聲速改正的情況下，條帶測(cè)深系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)反演出的海底是呈“V”形或倒“V”的，也就是說(shuō)測(cè)線兩側(cè)越接近邊緣部分測(cè)得的水深越淺或越深，海底圖像發(fā)生了極具規(guī)律的變形。