【编者按】：本文简要概括了单波束测深仪声学指标检测的国内外现状及其检定校准工作的必要性。利用精密回旋装置平台，在消声水池中完成了对单波束测深仪声源级、频率和波束角指向性的检测。重点介绍了其检测系统的组成，指标测试方案以及数据处理过程。实际测得被检换能器声源级为211.545dB，频率为200.0025kHz，波束角为6.12°，满足常用海底声呐测量仪器计量检测研究与应用的精度要求，对规范水下声呐设备声学指标的检测方法具有实际意义。本文发表在《海洋测绘》2015年第6期上，现编发给朋友们阅读了解。柳义成，1990出生，男，山东德州人，山东科技大学测绘科学与工程学院，硕士，主要从事海洋测绘仪器与应用技术研究。
文/柳义成 阳凡林 李倩倩 景冬
一、引言
单波束测深仪等声呐仪器是当前最为有效的水声探测设备。为保证成果质量，定期计量检测其探测性能具有重大的研究与应用价值[1]。其中声源级、频率和波束角属于重要的声学检测指标，其检测通常需要在消声水池中进行，以避免因池壁反射所产生的反射波和直达波的叠加而影响测试精度[2]。早在1940年和1941年，Maclean和Cook各自独立地提出了互易原理校准电声换能器的方法，是水下电声换能器测量技术的重大突破和奠基石。20世纪80年代开始，随着计算机技术的发展和海军声呐新技术的推动，在诸如美国、俄国、英国等先进国家的研究机构和实验中，声源级、灵敏度、阻抗、指向性等方面的测量和校准工作在自动化和数字化方面取得很大成绩，走向了新阶段。我国从1973年之后着手水听器灵敏度（幅值）的检测技术研究。徐唯义、闫福旺用比较法及精密的脉冲小相角测试仪完成了水听器的相位一致性的检测工作；朱厚卿完成了用宽带信号进行换能器的复数响应校准工作[3]。
声源级、频率和波束宽度三项声学指标是影响单波束回声测深仪反向散射强度、分辨力、声照范围以及测深不确定度的主要性能参数。通过建立室外测试平台，设计一套标准的计量检定方法，为实施常用水下声呐测量仪器计量检测奠定基础，为国家或行业制定水声仪器的质量控制政策和标准提供依据。常用水下声呐测量仪器检测平台建设，离不开消声水池和精密回旋装置。如何设计消声水池中换能器对的安装平台和测试方案，如何滤除或削弱信号中的噪声并简化数据处理流程，是本文要研究解决的关键问题。
二、检测平台设计
检测平台一般主要包括消声水池、精密回旋装置和测试记录设备。建设一套符合行业规范的水声设备多功能检测平台，对于制定各类水下声呐测量系统的检定标准，保证量值统一、可靠，具有重要的意义。为此，消声水池和精密回旋装置均应采用达标的建设材料，设计规范的尺寸，满足低频脉冲信号的自由场、远场要求和旋转精度要求。平台的测试记录设备，应以通用计算机为基础，可添加多功能信号采集卡，可实现数据采集与存储、信号分析处理、可视化等功能[4]。下面主要介绍消声水池和回旋装置的设计。
消声水池
水声实验需要自由场、远场环境。户外大型天然水域由于存在较大背景干扰，很难反映声音在水中的传播规律。因此，测量用消声水池的建设就显得十分必要。水池的大小、声基阵的最大线度和消声材料的性能是决定水池使用频段的主要因素。水池的尺寸近似地与声信号在水中的波长成正比，即工作频率越低，水池越大。一般用以下不等式判断远场区。
r≥a，λr≥πa2，k2r2≥1 （1）
式中：r为换能器对的距离，单位为m；a为声基阵的最大线度，单位为m；λ为声波波长，单位为m；k为波数。
如果采用脉冲声技术，要考虑最近反射面的影响。反射声主要来源于水面、池底和侧面墙壁。为了避免直达声与反射声重迭，信号在脉宽内的传播距离要小于直达声和最近反射声之间的声程差[5-6]。即：
τ·c≤r－d (2)
式中：τ为脉冲宽度，单位为s；c为水中自由场声速，单位为m/s；d为最近反射物到水听器的声程，单位为m。
脉冲声信号可分为输入暂态、稳态、余尾暂态三个阶段[7-8]。国家标准规定，为了使脉冲技术测试相当于连续信号测量，脉冲宽度应达到稳态值的96%以上[9]。当然，很长的稳态信号也没有必要，一般只要采集到4个以上周期的稳态信号即可代表信号的特征。综合以上判据，可根据资金和场地限制条件，合理设计消声水池尺寸，有效铺设橡胶消声尖劈。
⒉ 精密回旋装置
消声水池升降/回旋定位装置是水声测试实验的主体执行机构[10]，是获取精确的声轴方向和指向性图的关键。检测过程中，将发射换能器的等效声中心通过转轴中心或计算其偏移量归算到轴中心，改变换能器的旋转角度，找出接收声压的最大处即为声轴方向，进而计算声源级，画出指向性图，求得波束宽度。下面重点介绍回旋装置的主要部位设计。
如图1所示，换能器对分别安装在行车两端，背靠消声墙壁，二者距离满足远场条件。支架转轴的上顶端中心均设有测量标志，用于精确测定并换算水下换能器对的实际距离r。配备有水准管的整平螺栓装置采用工业测量系统进行标定，如图2(a)所示，从而保证两个换能器支架的竖直状态。
支架设计为水上水下两部分，用法兰连接，在完成实验后，可将水下部分拆下贮存。水听器竖直方向可调范围是：以行车下方5m为中心，上下可调1.5m，总调幅3m，如图2(b)所示。发射换能器水平安装，调节水听器深度，可等效实现换能器窄波束角的检测（等效于发射换能器在竖直面内转动）；水听器固定，水平面内转动换能器，可实现宽波束角的检测[11-12]。
采用伺服电机带动转轴旋转，利用stm32单片机和SICK AFS60编码器计算并控制旋转角度，可实现水平面内360°旋转，精度可达4″～5″。水听器升降部分设有钢制标尺，方便读值，调节精度可达毫米级。
三、检测方案设计
对声源级、频率、波束宽度进行计量测试是水声换能器研制与生产过程中必不可少的环节。在众多的测量方法中，最简单而且最直接的方法是把被测换能器与一个标准水听器作比较。为了保证测量结果更准确、指向性图细节更明显，在具备先进的硬件设施的同时还要设计完善的检测方案。
声源级
声源级测量是频率响应测试和指向性测试的基础，一个声呐发射器辐射的声源级(sl)被定义为：在它的辐射声场中，声轴方向上距发射器等效声中心1m远处的表观声压对应的平面行波的声强级[13]。其计算公式为：
sl＝20Iger－20IgMr＋20Igr＋120（3）
式中：er为接收端开路电压有效值，单位为V；Mr为标准水听器接收灵敏度，单位为v/μpa；r为测试距离，单位为m。
⒉ 频率
声呐脉冲测距的关键是高精度的时延差测量，这种方法需要精确地知道脉冲信号的频率。因此，工作频率是表征声呐换能器性能的一项重要参数。在海洋因素一定的情况下，海水吸收造成的衰减主要与频率相关。频率越大，衰减越大，当频率大于10kHz时，衰减因子对声强的影响变成一个主要因素，由此可见必须考虑频率的影响。频率测量方法通常分为测频法和计数法。采用加内插的过零检测法可以获得较高的测频精度，即在固定的时间长度内统计信号的过零次数，每个周期数据的符号翻转两次，得到信号周期，其倒数则为信号频率。这种方法是利用过零点前后采样点的样本值以及相似三角形的关系，估计信号过零点的值，属于改进的计数法[14]。
指向性
指向性因数和指向性指数是用来度量指向性图主瓣或主波束的尖锐程度的一个特征参量，也是声呐换能器中的一个重要参量。对于一个发射换能器，它的发射指向性图是表示它在自由场中辐射声波时，在其远场中声能空间分布的图像。通常用D(φ,θ)表示归一化的指向性图函数（其中，θ表示考察方向与极轴Z的夹角，φ表示考察方向在XOY平面上的投影线与X轴的夹角）。定义式如下：
D(φ,θ)＝p(φ,θ)/p(0,0)(4)
其中，p(φ,θ)表示各考察方向上自由场声压的有效值；p(0,0)表示声轴方向上自由场声压的有效值。换能器的发射指向性图会随着发射信号频率的改变而变化，即同一换能器当发射不同频率的信号时，其辐射声能在空间的分布是不同的。
四、实验与分析
2014年10月25日，在山东科技大学的海洋测量综合实验场进行单波束测深仪声学指标检测方法的测试，本次实验所使用的主要设备：
①中海达HD-310单波束测深仪。工作频率为200kHz,发射声源级为212dB，波束角为6°；②RENSON TC-4014标准水听器。具有26dB前置放大功能；③Agilent U2531A USB模块化信号采集器。该型号产品具有4路14位分辨率、2MSa/s采样率的模拟输入通道。
实验场的消声水池长40m,宽10.8m,深5～8m，在距离换能器对最近的两侧墙壁铺设有消声材料。由于来自池底和水面的反射（折射）噪声依然会进入水听器，因此须经过滤波处理，信噪分离，进而得到无污染的直达声脉冲信号。
本次实验主要分三步进行：第一，设置滤波阈值进行时域滤波；第二，采用带通滤波器进行频域滤波；第三，提取滤波后脉冲信号计算声压有效值，进行声源级、频率和波束指向性计算。
时域滤波
实验采用阈值触发，单冲采集的方式获取直达脉冲信号。在消声水池中，直达声和反射（折射）声之间存在声程远近和声压大小的差异，且具有较高的信噪比，水听器接收到的信号和反射（折射）噪声在时域上和声压振幅上是很容易区分开的。因此，可通过设置阈值和采样点数的方式进行时域的滤波。
观察模拟信号波形发现：反射（折射）信号和直达信号的幅值偏差较大且在时域上不重叠，即在一个脉宽时间内没有反射信号进入采集器。由此设定目标信号振幅的2/3倍作为门限值，即可取得良好的滤波效果。根据单波束的发射脉宽和信号采集器的采样频率可计算出一个脉冲信号的采样数。实验发现：记录阈值之后600个采样点,足以把一个完整的脉冲信号保存下来，且不包含反射（折射）声。具体采集的数据点数应根据信号脉宽和声程而定。
频域滤波
在高信噪比下仅仅通过信号包络就可以识别出信号和噪声，但是在低信噪比下，还需要通过频谱分析的方法获得信号[15]。得到直达脉冲信号之后，对其进行频谱分析，结果如图3中(a)和(b)所示。信号主要频率成分集中在200kHz，与HD-310单波束标称频率一致。但是主频以外还有其他的频率成分，由此可见，在此脉宽内有环境噪声或系统噪声进入水听器，由于接收时间的重叠，这类噪声是无法通过时域的滤波剔除的。可设计带通滤波器滤除两侧的干扰成分：通带左边界设定为195kHz,右边界设定为205kHz，衰减截止左边界设定为190kHz，右边界设定为210kHz，边带区衰减分贝值设定为0.1，截止区衰减分贝值设定为30，然后对通带内的信号进行重构，得到滤波后的信号及其频谱如图3中(c)和(d)所示。从图中不难发现，高频的噪声信号得到了有效抑制。
频率、声源级和波束角的计算
水听器端测得的自由场声压是计算声源级和波束指向性因数的主要参数。控制换能器和水听器位置，获得换能器在水平面和竖直面内不同角度处的离散声压值，通过内插可拟合成连续指向性图。
⑴根据脉冲信号稳态部分数据，采用高频数字示波器求得脉冲信号的实际频率为200.0025kHz。
⑵在满足自由场、远场测试条件的环境下，测得换能器等效声中心与水听器的测试距离r为7.506m,声轴方向脉冲信号稳态部分的开路电压有效值为3.4822V,已知RENSON TC-4014标准水听器在该频率处的接收灵敏度级为-183.2dB，根据公式(3)，求得被检仪器的声源级为SL=211.545dB。
⑶控制伺服电机以0.10°的角度间隔转动换能器，记录并计算各个角度位置处的声压有效值，绘出发射指向性图，见图4。求得下降3分贝的波束宽度2θ-3dB为6.12°。
五、结论
在利用声呐换能器来产生水下声信号的测量中，人们只习惯关注既定的水声信号处理方法是否得到验证，反而不太关心换能器本身产生的声信号是否与规定指标一致或者符合测量规范。配备有精密回旋装置和消声墙壁的大型实验水池是保证海洋声呐测量仪器计量检测精度的最先进和实用的测试平台。结合高效的信号采集和滤波处理技术，各项声学指标的测量不确定度和重复性均能够达到GB/T 7965-2002《声学水声换能器测量》中的要求。
本次实验检测HD-310单波束声脉冲频率为200.0025kHz，与其标称频率200kHz相差2.5Hz,频率检测精度优于3Hz；检测声源级为211.545dB，与其标称声源级212dB相差-0.45dB，满足国标中自由场比较法测量不确定度优于±1.0dB的要求；检测波束角为6.12°，与其标称波束角6°相差0.12°。
实验结果表明整套测试系统可完成单波束声源级、频率和波束角三项声学指标的检测，且测试数据稳定、可靠。下一步的重点是完善测试系统的集成化、自动化和简捷性，达到数据采集、信号分析、数据处理、可视性等功能一体化。最终实现适用于多波束、侧扫声呐、浅地层剖面仪等多种水声换能器声学指标测试的检测平台。
参考文献：
[1]李胜全,李宏武,高飞等.主动声呐探测效能评估的HMG法[J].海洋测绘,2015,35(3):67-70.
[2]徐新盛,姚蓝,杨继良.两种水声信号声源级的近似测量方法[J].应用科技，1992,4:17-21.
[3]阎福旺,凌青,栾经德等.水下电声测量技术[M].北京:海洋出版社.1999.
[4]林顺英,何伟.发射换能器指向性现场测试仪的设计与实现[J].电子测量与仪器学报,2009，23（6）:87-93.
[5]李国庆.单波束测深仪设计与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009.
[6]邹学海,吴柏宣,王卫东.单波束水深测量的定点取样技术实现[J].海洋测绘,2004,34(1):27-29.
[7]李一达,邓玉春,王川,等.多功能水声设备模拟信号源的设计与功能实现[J].海洋测绘,2009,29(5):67-70.
[8]王泽锋,胡永明,倪明等.脉冲声测量技术在光纤水听器测量中的应用[J].应用声学，2007,26(3):190-193.
[9]GB3223-82.水声换能器自由场校准方法[S].北京:中国标准出版社,1983.
[10]秦琴.消声水池升降/回转定位装置的伺服控制系统设计[J].机械工程与自动化，2011(4):151-152.
[11]Lanzoni J C,Weber T C.High-Resolution Calibration of a Multibeam Echosounder[J].Oceans,2010:1-7.
[12]FooteKG,ChuD,HammarTR,etal.Protocolsforcalibratingmultibeamsonar[J].AcousticalSocietyofAmericaJournal,2005,117(4):2013-2027.
[13]郑士杰,袁文俊等.水声计量测试技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,1995.
[14]苏凤武.自适应信号处理在水声中的应用[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003.
[15]邓玉芬,孙磊,王川.海洋声学调查数据处理系统的实现及关键技术[J].海洋测绘，2014,34(2):69-71.
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