今天聊聊仪器设备受海洋环境影响在使用过程中出现的各种幺蛾子。
我们知道，“原理－系统－设备－技术方法”四个层次，这里的逻辑关系，可以参看上一期内容（不误正业话海洋——百花开尽看载荷（上）），想要理解那些奇奇怪怪的数据表现是啥成因，就得懂设备的基本原理，然后结合实际作业方法进行分析。
所以我们就从技术方法出发，把那些和实际作业紧密相关的声学原理抽丝剥茧掰碎了碾细了好好说一说。
同时，通过声学了解机械波的特性，也有助于我们理解光学、微波射频设备的部分类似原理。
每次说到“原理”，很多人脑子里就是各种高大上的定理，然后一大堆公式推导，想想脑仁儿都疼……
But，非常负责任地说，涉及应用实践，尤其是数据表现层面的问题，从声学原理出发，分析起来所用的数理工具不会超过中学的知识。
也就是说只要数理基础不是太差，都能通过观察和分析把问题根源找到。
So，难不可怕，怕才可怕。
“那年我双手插兜，不知道什么是对手……”
声学原理：
1.声学方程：
这是一个以能量平衡为基础建立的公式，各参量以分贝为单位，以1 µPa的声强为参数基础。下面让我们认识一下各个参量。
仪器参量：
SL——发射器声源级，发射能量大小，通常在一定范围内可调；
NL1——自噪声级，和换能器元件、电子电路、供电和接地等有关，通常是一个定值，且随着设备使用时间增长而增大；
DI——接收指向性指数，在声轴上接收器灵敏度最大；
DT——检测阈值，接收器所能识别的信号强度下限；
介质参量：
TL——信号传播损失，声波振动在介质中传递的能量损失；
RL——混响级，介质的共振所产生的假波；
NL2——环境噪声级，介质中存在的声阻抗产生的反射等；
目标参量：
TS——目标反射强度，与目标物外表面的材料有关，主要涉及与外部介质的声阻抗差异；
SL*——目标声源级（与被动声呐、水下定位系统有关）
我们使用的声学探测设备，声源（换能器）即发射器，将声轴上1m处的信号强度作为基准，信号到达目标时强度为：SL-TL，返回时为：SL-2TL+TS，在考虑环境背景的情况下，噪声的声强为：NL1+NL2-DI。
分析可知，如果想要使接收器检测到回声信号，则有：
DT=SL-2TL+TS-NL1-NL2+DI
所有声学探测设备的指标、参数、实际工况下的性能表现都与上面这个等式有关。在接收器所能识别的信号强度下限固定时，不同的环境条件下通过调节设备参数获得最优声学图像就是改变等式右侧各个仪器参量的过程。
老物件上的各种调节按键更直观
2.分辨力（目标物的可识别尺寸）：
从声学方程中我们知道了声信号在换能器—目标物之间的传递过程，但是对于目标物的探测而言，仅仅有信号返回是远远不够的，那么，如何才能实现信号对物体的识别呢，或者说，信号的物理特性和目标物之间应满足什么条件时，我们才能得到清晰、准确的反射图像呢？
在理想状态下，声波在传播过程中遇到遮蔽物时，如果声波波长远大于遮蔽物特征尺寸，会发生透射，即直接穿过遮蔽物，当波长接近遮蔽物特征尺寸时，会发生衍射或绕射，只有当声波波长小于遮蔽物特征尺寸时才会发生反射。
但是，由于水体自身存在声阻抗，信号在传播过程中会不可避免地发生衰减和变形，这一现象在远距离情况下尤为突出，因此简单地将声信号波长当作仪器分辨率是不合理的，通常我们会使用一个经过简化的计算参量——第一菲涅尔带半径作为衡量仪器可识别尺寸的指标：
式中，λ为声信号波长，h为水深，只有当
Rf1*小于目标物特征尺寸时，声信号才能对其进行识别。
3.时深转换：
发射器产生的声信号，到达目标物后发生反射回到接收器，从发射到接收的时间差与声速相乘再除以2，即为发射器到目标物的距离。
D=Vt/2
这个公式看似简单，但实际作业过程中最容易被忽视，或者说海洋环境影响最显著的，恰恰就是这里的V和t，后面会用实例来讲解。
时深转换的典型应用
早期的单波束测深仪（模拟记录上肉眼可见的多次波）
4.多普勒频移：
当声源和目标物存在相对位移时，回波信号的频率会发生改变，这就是著名的多普勒效应，具体表现为反射信号的频率在声源接近目标物时会升高，当声源远离时则会降低。
这一现象对很多设备都会产生影响，尤其是需要记录回波信号相位的设备，当然，可以通过算法予以减弱，但仅仅是减弱而已。有的设备则是利用这一物理现象来工作的，比如ADCP、安德拉海流计等，通过记录信号频率的变化，反算目标物的相对移动速度。
多普勒频移
5.波的折射偏移：
由于温度、盐度的差异，海洋中存在一系列声速界面，即上下层声速不等的水体，当声信号通过这些界面时，传播方向会发生改变。
式中V1，V2分别为上下两层水体的声速，ɑ和β
为声信号的入射角和折射角，可以看出：首先，垂直入射的信号是不会发生折射偏移的；其次，入射角越大，偏移量就越大。
这一现象对条带测深系统的影响非常明显，在没有水体声速改正的情况下，条带测深系统获得的数据反演出的海底是呈“V”形或倒“V”的，也就是说测线两侧越接近边缘部分测得的水深越浅或越深，海底图像发生了极具规律的变形。
波的折射
6.阵
通常声学设备不论发射还是接收，都不是单个换能器工作，而是某种组合，也就是说一系列换能器按一定规则分布在空间中，通过发射、接收时的信号叠加来达到更好的效能，也就是利用机械波相长干涉、相消干涉的特性，达到设计目标。对于发射端，可以增大能量、改善指向性，对于接收端可以提高抗噪能力和信噪比，这就是“阵（Array）”。
发射阵如何改善指向性
接收阵如何提高信噪比
案例分析
能坚持看到这里的我相信都是业内人士了，所以这部分就跳过各种设备，咱们直接看数据。
（对各种常用声学设备不熟悉的可以查阅我之前的文章：常用声学探测设备原理及方法、也说浅地层剖面测量）。
1.噪声源在哪里
通过声呐方程我们知道，影响声学系统性能表现的噪声包括自噪声和环境噪声。自噪声的主要来源之一是电子部分，比如设备内部的电感，供电的纹波、相位差等，这种噪声在数据上的表现是比较规律的，不论空间、时间，都比较容易辨识，满屏雪花点，或者一道道接近饱和的黑线。
典型电噪声产生的“谐波”
对于这种情况，如果作业船不是正经调查船，没有直流母排、末端隔离的供电系统，那除了要有UPS一类能稳压稳流的装置以外，我只能说：
接地要干净！
接地要干净！
接地要干净！
另一种来源是设备发射之后在近端被反射回来的波。通常是旁瓣达到水面或船体等界面，形成的“二皮脸”，也有因为能量偏大“往复震荡”产生的多次波，对这种噪声的辨识就要利用时深转换来分析了，因为噪声出现的位置一定在距离上有规律，比如海底地形的变化趋势会被放大。
典型的多次波
这种情况只要能分析得清楚多次波来源，通常是可以接受的，而且通过后期处理把影响削弱也能让图像更容易判读，但如果多次波把真实数据给湮没了，那就抓紧想辙现场整改吧……
分频增益+组合压噪+按时序消噪的处理
环境噪声相对就要复杂一些，和水体中的含沙量、含气量，设备湿端附近水面气－液界面、换能器阵面固-液界面的两相耦合，声信号在水体中的混响以及平台自身的振动、噪声都有关系。
比如在河口区域，由于来水携沙，水体含沙量较高，同时营养盐又会滋养大量的浮游生物，因此含气量也高，水柱里“繁星点点”、“漫天飞雪”，尤其是相对高频的设备，满屏“芝麻糊”是常有的事。
冬季大风后黄河口糊到令人发指的侧扫图像
多相介质耦合产生的噪声说起来就比较复杂了，比较典型的有航行过程中艏兴波、冷却水排出、水线下凸出结构等产生的水花、气泡等，尤其是气泡和固体界面摩擦破碎后形成类似乳浊液的高含气水体，可能直接隔绝声信号；还有水下一些不合理的结构在流体作用下产生的湍流、涡旋，在换能器表面造成“敲锣打鼓”的效果，比如某些卧龙凤雏以“保护设备”之名在换能器迎流侧加装的风格非常free style的钢条、铁框，很容易就制造了一个固定的近端噪声源。
好像“狗啃了”的多波束图像
再说水体混响，这个可能就更复杂了。这种噪声主要出现在正对海底发射的设备上，简单地用物理现象作类比可以想象一根长弹簧，用局部变形模拟机械波，这种变形沿着弹簧传导的时候，终点处返回的形变会影响、削弱向前的形变。
所以经验丰富的老法师装设备的时候通常会有意让换能器阵面在航向方向上有一定的倾角，比如高频多波束的话来个2°~4°，固定安装的高频浅剖来个5°~10°，拖体的话调调重心来个10°左右的艏倾。
最后是搭载平台自身的振动、噪声，这里先不讲了，回头在烤海鲜那部分说。
2.测量值VS计算值
某年月日在青岛参加国外某大厂的产品推介会，看了浅水多波束和参量阵浅剖的海上演示，跟厂商的一位老工程师聊。
我说“另一个品牌的浅水多波束图像比贵司同指标的型号表现更连续、细腻……”
老先生立马不高兴了，反问“你觉得丫那海底是真实的吗？”
后来接触了更多的数据，逐渐理解了为啥人不乐意。
很多厂商为了提升用户体验，实际上会把数据进行一定的修饰再呈现出来，也就是说即使是原始数据，也不是测量值，而是经过了预处理的计算值。
美图秀秀
就拿ADCP来说吧。
很多ADCP产品号称可以实现“无盲区”测量，也就是说量程以内所有位置的水流运动都可以实时捕捉。
ADCP原理
但事实真的如此么？
既然是声脉冲信号，那么两倍脉宽以内的数据肯定没法用，而且部署装置的外形结构对流场的影响也得考虑，含沙量太高还可能没数据，如果所在层位存在非水平流动，那不好意思全给你换算到水平方向上……
综上所述，所谓无盲区，多半是通过流体计算后补充进测量值的，尤其是换能器前方一定距离的数据，是计算值而非实测值，在使用时需要格外注意。
这也就是上回书说的，水深极浅的时候ADCP基本就歇逼class了。
ADCP盲区示意图
类似的原理，利用微波射频观测波浪的设备也存在这个问题。
微波测波雷达原理示意图
首先太近肯定是测不到了，太远的话又可能受掠射角影响回波能量太弱也测不到；其次，如果是面对水深较大、水质点运动轨迹呈圆形，接近于规则波的深水波，这种方法的计算准度理论上讲是可信的，但到了浅水区，水质点受海床挤压、摩擦，波浪破碎变成了不规则波，这种方法大概率会瞎……
波浪的变形和破碎
3.“鬼波”出没请注意
上回书讲了海洋调查的两大终极问题：
“这是什么？”
“这TM又是什么？”
高质量的数据能成就人，糟糕的数据能教育人，看不明白的数据能急死人……
比如下面这测扫声呐图像，乍一看是不是好几个“海底”啊？到底哪个是真的？是不是设备故障了？
这是什么？
这TM又是什么？
首先，我可以很负责任地说，设备没问题。那么这时候就要分析海洋环境了
