典型分裂波束聲學探測系統及其應用

張同偉，秦升杰，唐嘉陵，王向鑫

(1. 國家深海基地管理中心，山東 青島 266237；2. 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環境功能實驗室，山東 青島 266061；3. 青島海洋科學與技術國家實驗室海洋觀測與探測聯合實驗室，山東 青島 266237)

0 引 言

隨著計算機技術的發展及電子儀器性能的提高，水聲學探測目前已成為海洋生物資源研究的重要手段之一。分裂波束聲學探測系統是海洋生物研究不可或缺的儀器設備，將它安裝在現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水體中的反射物進行探測，不僅可以對反射物進行定位，而且可以分析其反射強度。分裂波束聲學探測系統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物大到鯨類的聲音信號[2]。目前，它主要用于探測魚類的數量、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，為海洋漁業學科發展和海洋漁業科學管理提供幫助。除此之外，分裂波束聲學探測系統也可用于海底可燃冰、冷泉、熱液等形成的羽狀流、氣泡團等的探測[3–5]。

本文首先介紹了分裂波束聲學探測的基本原理和系統組成，然后系統介紹了Simrad[6]和BioSonics[7]等公司的2款典型分裂波束聲學探測系統，并分析了它們在海洋漁業、羽狀流檢測等方面的應用。

1 分裂波束聲學探測系統

1.1 基本原理

分裂波束聲學探測系統運用4個象限的換能器[8]，將電信號轉換成聲脈沖并發射到水中，聲波在水中傳播過程中遇到障礙物時，部分反向散射至換能器。每個象限換能器可獨立接收聲波，如果信號水平超過用戶選擇的閥值，將被換能器接收并生成回波圖。根據聲波發射與收到回波的時間間隔和聲波在水中的傳播速度，利用分裂波束技術可測得目標所處的位置；運用目標跟蹤技術可對魚類在測聲束內的運動軌跡、游動速率及方向等參數進行測算；對回聲信號強弱和結構加以分析，可估算出目標強度、目標數量及分布狀況等。現代分裂波束聲學探測系統已經由過去單一的探魚發展到全面水體探測，如圖1所示。

圖 1 分裂波束聲學探測系統示意圖Fig. 1 Sketch of split-beam echosounder

1.2 系統組成

分裂波束聲學探測系統主要包括：對應不同頻率的換能器、收發單元、操控臺和外圍輔助傳感器（姿態傳感器、導航系統等）。

2 典型分裂波束聲學探測系統

目前國外分裂波束聲學探測技術比較成熟，已經實現分裂波束聲學探測系統的產品化、產業化。主要的分裂波束聲學探測系統生產廠商主要有Simrad和BioSonics。表1給出了2款典型分裂波束聲學探測系統的對比。

2.1 Simrad公司的EK60

EK60是Simrad公司推出的一款分裂波束聲學探測系統，具有內置校準模塊。它可以同時運行7個探測頻率，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是相應的便攜式版本，具有小巧而堅固的特點。Simrad EK60不僅支持回波實時處理和目標強度實時分析，而且可以存儲原始數據用于回放或后處理。得益于Simrad出色的換能器和信號處理技術，EK60擁有很高的探測能力。18 kHz工作頻率下可觀察到1 100 m深度上的單個魚類，對地反射可以偵測到7 000 m深度。它采用模塊化設計，可以根據研究需要對收發單元和換能器進行自由組合。圖2為Simrad EK60的系統組成框圖。

表 1 幾款典型分裂波束聲學探測系統對比Tab. 1 Comparison of several split-beam echosounders

圖 2 Simrad EK60系統框圖Fig. 2 System of Simrad EK60

EK 60是一款適應海上長期工作的海洋生物資源聲學探測儀器，其發射功率可調，數據采集范圍大，接收瞬時動態范圍達150 dB，且具有強大的特殊功能。國際上大型科考船大部分都安裝EK500或EK60（EK500升級產品）。

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探測系統，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個工作頻率，其中分裂波束模式可選其中4個頻率。高頻（如420 kHz）更適合于小的目標和近距離探測，低頻（如38 kHz和70 kHz）更適合于大的目標和遠距離探測。分裂波束的換能器用于計數和追蹤個體目標，并且確定精確的目標聲學強度用于測量目標大小；單波束和分裂波束換能器都適合水深測量、底質分類，以及魚類和浮游動物聚類、沉水植物數據的采集。DT-X具有極低的旁瓣（–35 dB），接收瞬時動態范圍達160 dB。由于其便攜性，DT-X廣泛應用于湖泊、海流等的漁業資源、沉水植被等調查研究。

圖 3 BioSonics DT-X系統Fig. 3 System of BioSonics DT-X

3 分裂波束聲學探測系統的應用

傳統意義上分裂波束聲學探測系統主要用于海洋漁業調查。隨著海底可燃冰、冷泉、熱液等資源調查的不斷深入，分裂波束聲學探測系統也不斷應用于羽狀流、氣泡團等的探測。

3.1 漁業調查

每個魚類種群都有自己獨特的聲學頻率響應。圖4為磷蝦和鯖魚對不同頻率聲波的回波強度[6]。隨著不同魚類聲學特征數據庫的建立和不斷完善，可以大大提高水聲學在獲取海洋生物信息方面的價值。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，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。當分裂波束聲學探測系統的多個頻率同時工作時，不僅可以提高魚群數量的估計能力，而且也可以用于種群鑒別。

圖 4 磷蝦和鯖魚的回波強度對比Fig. 4 Echo strengths of krill and mackerel

圖5為EK60同時使用18，38，70，120和200 kHz等5個不同頻率的聲波對鯖魚群的探測結果對比[6]。由圖5可見，鯖魚群位于每個回聲圖的左側，且鯖魚群回波的強度隨著頻率增大而增強。這一頻率響應是鯖魚群所獨有的，可以用于從其他魚群中識別鯖魚。

圖 5 EK60多個不同頻率同時對鯖魚群的探測結果對比Fig. 5 Schools of mackerel are observed simultaneously at different frequencies using EK60

圖6為EK60同時使用18，38，70，120和200 kHz等5個不同頻率的聲波對磷蝦層的探測結果對比[6]。與鯖魚相反，磷蝦層的最強回波出現在70 kHz。鯖魚和磷蝦對聲波的頻率響應不同，可以用于識別和區分其他種群。

圖 6 EK60多個不同頻率同時對磷蝦群的探測結果對比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、熱液活動不可避免的會產生響應的羽狀流，因此可以通過羽狀流尋找與之相關的海底泄漏源。在現代大洋科考中，分裂波束聲學探測系統和多波束探測系統等聲學探測技術不斷應用于海底羽狀流、氣泡團的探測。與多波束相比，分裂波束聲學探測系統具有更寬的頻帶范圍，可以同時在不同頻率上對羽狀流等進行觀測。圖7為EK60在天然氣氣柱探測方面的應用。

圖 7 EK60探測到的天然氣氣柱Fig. 7 Natural gas column detected by EK60

此外，分裂波束聲學探測系統也可用于水下漏油、漏氣檢測。

4 結 語

分裂波束聲學探測系統根據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水體進行探測，不僅可以廣泛用于海洋漁業、海底植被等的調查，而且逐漸向海底羽狀流、氣泡團探測發展，也用于水下漏油漏氣檢測。BioSonics DT-X是便攜式產品，可以在不同船舶上使用，廣泛應用于湖泊、海流等的漁業資源、沉水植被等調查研究。