声呐中的重要参数——“频率”

见过水声设备的小伙伴们都知道“频率”是一个非常重要的技术指标。通常测深仪这种最常见的水声设备，第一条技术指标就是“工作频率：200kHz”。这里的工作频率是指水声换能器的声学频率，但细心的小伙伴们还会发现除了工作频率，还有诸如发射频率，ping率，水深采样率，以及各种“调频”涉及到的频率。那么这些多种多样的“频率”，在水声设备中到底都是神马意思，它们各自代表了咋样的物理意义，今天我们就来盘点一下水声设备中那些容易搞混的“频率”。

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1.最好理解的“频率”——Ping Rate

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大家应该都玩过射击游戏，假如射击目标就在你前面不远处，给你一把单发手枪和一支连发自动步枪，你会选哪个？

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图1. 沙漠之鹰

图2. AK-47

作为曾经的CS高（cai）手(niao)们，大家在沙漠之鹰和AK-47之间通常会做出正确的选择，那就是“我全都要”，毕竟在CS游戏中这两把枪可以兼得！但在面对敌人的场景时，你还是会首选用AK射击目标。因为作为连发的步枪，有更大的概率会命中目标。用枪支类比水声设备，很好理解它们都是发射装置，无非就是一个发射的是子弹，另一个发射的是声波。而水声设备发射的声波就像子弹一样，是一个Ping接着一个Ping的发。一支枪每秒钟发射的子弹数量，我们可以叫它子弹发射率，而水声设备每秒钟发射Ping的数量，就是Ping Rate ，单位是pings/s 或者Hz 。中文翻译过来名字一大把：Ping率，发射率，采样率，水声采样速率等等。Ping率代表水声设备发射“子弹”的快慢，Ping率越大，单位时间发射的“子弹”就越多，当然在水下目标探测的场景中，也就越容易命中目标。咱们还是以Teledyne ODOM单波束测深仪为例，在下图E20型测深仪最后一行的参数有个Max Ping Rate =50Hz ，代表了这款测深仪最大的Ping率是每秒钟发射50个Ping。

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图3. Teledyne ODOM 单波束测深仪技术指标（Ping率祥见最后一行）

而在Teledyne Reson多波束测深仪中，Ping Rate使用了pings/s这个单位（见图4.所示），而且厂家官方指标也是给出了一个最大值，即每秒钟最多发射50个Ping。由此可见，Ping率这个参数是一个变量，通常是随着水深情况而变化的。还是拿AK47做个类比，我们射击的时候未必每次都要使用最大发射速度来攻击目标。真正的射击高手都是根据目标距离和动态来选择“连射”或者“点射”。

图4. Teledyne Reson T51-R多波束测深仪技术指标（Ping率祥见最后一行）

不知道大家是否发现远距离用AK47射击的时候，点射更容易集中目标，而近距离遭遇战往往“连射”更容易将敌人置于死地。测深仪随着探测距离增加，Ping率的变化同样遵循了上述“AK法则”。正如表1所示，随着水深增大，多波束测深仪的Ping率在减少。那是因为我们发射声波不但要命中目标，还需要接收反射回来的回波信号。为了使每一Ping信号之间不发生干扰，小学上过奥数班的老铁们可以自己计算一下，量程和Ping率应该是怎样的一个函数关系。

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当然，我们在测量作业时，往往不用在意Ping率的设置，因为大多数水声设备会自己计算出来一个合适的Ping率。尤其是Reson多波束双探头版本，为了让2个换能器发出Ping们不相互干扰，系统会采用全ping率双探头模式，X-range (FM)调频技术实现双探头操作，同时提高覆盖宽度和ping率，实现系统同步和高ping率。

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表1.Teledyne Reson 7125多波束Ping Rate Table

1075.050.0Realized ping rate [Hz], nominal200kHz,256 EA beams400kHz,512 ED beams2530.023.721.13025.020.018.03521.417.515.44018.815.413.65015.012.411.07510.08.57.31007.56.45.51256.05.04.41505.04.43.71754.33.73.12003.83.32.62503.02.52.13002.52.11.83502.11.8n/a4001.91.7n/a5001.51.3n/a7501.00.9n/a

小结一下，水声设备中的Ping率是一个既简单又重要的技术指标。在测量型测深仪中，Ping率越高越容易命中探测目标，这样可以最大概率上减少目标反射信号因为各种原因丢失或无法接收。当然Ping率越高对测深仪的系统设计和硬件性能的要求也越高，用于水深测量的测深仪通常Ping率要＞10Hz。

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2.声学频率究竟是个啥

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所有的水声设备都会有声学频率这么一个指标，可以说这个参数是必要的，无论是主动声呐的发射声学频率还是被动声呐的响应声学频率，那这个声学频率究竟是个啥？其实简单说来，它就是水声换能器振源的频率。说到声学频率，可能大家不是很好想象，那么我们还是来类比一下光学频率。毕竟大家都知道光是电磁波，是由电磁振荡产生的。不同的电磁振荡可以产生不同频率的电磁波，可见光是我们肉眼可见的一段电磁波，对应很窄的一段电磁波谱频率范围。我们眼睛看见不同频率的光，会产生不同颜色的色觉感受。

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图5. 电磁波谱外在观感

声学频率和光学频率虽然在物理原理上不一样，但是这不妨碍我们讲二者作类比，以便更好的理解这个概念。声学频谱和光学频谱一样有一个相当宽的频谱范围，而且不同频段对应这不同的应用场景。水声设备中，低频段声波具有很强的穿透性和远距离传播能力，因此用于地质地层勘测设备，例如（1Hz-1kHz）频段的单道地震设备。1kHz-1MHz这个频段的水声设备常用于测量地形地貌和海底图像的声呐设备，例如测深仪，侧扫声呐和浅地层剖面仪。

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图6. 声学频谱应用场景

说到这里，大家应该能理解所谓声学频率是声学设备的一个固有属性。通常情况下，你发射一道绿光到你兄弟的头上，别人看到他头上就是冒绿光的，绝不会看见红光（前面强调了“通常情况”，多普勒同学请坐好别抬杠）。同理，测深仪发射200kHz的声波到水中，水底反射回来声波也是200kHz,不会变成400kHz。可以说，在水声换能器制造好的那一刻，水声设备的声学频率就已经确定了。决定水声换能器的声学频率的要素是换能器材料，几何形状和物理尺寸。由于水声换能器在生活中不是很常见，因此我们还是拿一个生活中常见的声源“锣”做个类比。

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图7. 锣

我们的耳朵就是一个很好的换能器，耳朵对声音频率的感受可能不像眼睛对颜色的感受那么明显，但我们还是能听的出来高频声音更尖锐，低频声音更深沉，不同乐器对应的频段不一样。但是同一个锣，无论是谁来敲，声音的大小强弱可能会有不同，但听起来的感觉都是“锣”的声音，但凡能把锣敲出来钢琴的声音那真是逆天了。只有把铜锣换成金锣（改变材料），把小锣换成大锣（改变尺寸），圆形锣换成三角形锣（改变形状），声音听起来才可能不一样。

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同样的道理，水声换能器的声学频率也是取决于材料，尺寸和形状几个固有的因素。在我们的印象中，像浅地层剖面仪这种低频换能器通常体积会大一些，而高频的测深仪和图像声呐体积就会小很多。当然还有一种多波束测深仪，频率虽然高，但换能器也不小。这主要是由于水声换能器的直径（以圆形换能器为例）与声学频率和波束角这两个因素有关。它们之前关系如图8所示，换能器频率越低对应的换能器直径越大，同一个频率波束角越小对应的换能器直径也越大。对应现实中的物理意义就是声学频率越低能量传播越远，要求换能器直径越大，声学波束角小意味着观测目标分辨力越高，也要求换能器直接大。

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图8. 换能器直径与频率和波束角的关系

这里补充说明一下上面提到的波束角，也有叫它波束宽度的，就是图8里的Beamwidth。小时候家里停电玩过手电筒的都知道一个现象，那就是随着距离增加，手电筒打在墙上的光圈会变大，那是因为光源发射有个角度，咱可以把这个角度理解为波束角。大家知道激光的波束角很小，所以能量集中，三维激光扫描仪的点云数据分辨率很高。声学的波束角和激光是一样的道理，为了让水声设备达到高分辨率测量效果，通常对波束角都是有严格的要求的。

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3.信号频率与调频技术

为了跟上面讲的“声学频率”做区分，我们把“信号频率”这个概念又拿了出来，虽然你在水声设备的技术参数和说明书里都找不到信号频率这个参数，但这确实是一个最容易让人搞不明白和弄混淆的概念。这里的信号频率可以指声波信号的频率也可以指电脉冲信号频率，可能参与设计和研发水声设备的老铁们，更容易明白信号频率的重要意义。下面还是类比光信号的频率来学习理解声学信号频率的概念。首先，请各位老铁们找一下家里小学三年级教材《量子力学》，书里面讲的很清楚，你兄弟头上那一束绿光是由一个个光量子组成，每个光量子都有一个固定的光学频率，那个固有的频率决定了它是绿色的光。于是你决定帮兄弟一把，用那束绿光给他传递一个消息。这束绿光被你先编译一个具有完美正玄波的光信号，然后通过采样，编码变成了“三长一短”和“三短一长”摩斯码出现在你兄弟的小本本上，他再拿出译码本翻译出“你-被-绿-了”这几个字，就算完成了整个信号的收发过程。

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虽然我们无法用颜色这么直观的感受来定义声源的频率，但还是可以跟光学频率对比一下。一旦你发出了一道绿色的光，它的颜色就是绿色通常不会变成红色，同理水声换能器发出200KHz的声波，它也不会随便变成400KHz。而水声设备里的调频技术指的是通过调制解调和脉冲压缩等技术来改变信号的频率。信号的频率和振源的频率完全是两个不同的概念，但是却常常令人混淆。因为在水声设备中“调频技术”是能优化设备性能的一大亮点，总是被写到各种产品宣传册里。当然针对信号的调频技术无可厚非可以用来宣传，只是有些别有用心或者自己没搞清楚水声设备参数概念的厂家把“声学选频”和“信号调频”给弄混淆了。

其实Teledyne Reson Seabat T50-P的说明书里表述的还是很准确的，对于声学频率给出的指标的是190kHz—420kHz范围Frequency Selection，也就是频率可选的意思。而真正的调频功能是在Pulse type里选择FM，这里CW（连续波）是多波束测量的传统脉冲类型，选择FM（调频或X-Range）可以在要求有抗干扰度的情况下，有更好的量程表现。由于在多波束操作UI中，“声学选频”和“信号调频”挨得很近，这样会给大家一种错觉，那就是用鼠标选择不同的Center frequency 就好像是改变了声学频率，从而实现了声学调频的功能。

图9. Reson多波束7K-UI控制软件界面

事实上，你点鼠标只能做到“选频”，T50-P多波束换能器是宽频的，宽频换能器类似光学里多光谱的概念。无论你点不点鼠标，190-420KHz的宽频频段就在那里，假如你选择了300KHz,那你只是选择了这个中心频率附近的一个频段。在诸多浅水多波束中，都是以200KHz和400KHz为中心频率的，只是过去换能器通常不是宽频的，也就是中心频率附近的频段比较窄。当然宽频和窄频也是一个相对的概念，通常窄频带的水声换能器也会有1KHz左右的频带宽度，但宽频带换能器至少要高出一个量级，通常有20-100KHz左右的频带宽度。宽频带换能器具有诸多优点，尤其要使用脉冲压缩技术FM&Chirp是离不开宽频带换能器的支持。图10所示B260型窄频带换能器和B265LH型宽频带换能器频谱的对比，那是80KHzVS.1KHz的差别。

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图10.宽频换能器VS窄频换能器

居然已经讲到了宽频换能器，那下次咱们就来研究一下脉冲压缩FM和Chirp等信号处理方面的技术。最后文末还是分享一个视频，讲解一下“奈奎斯特采样定理”，里面涉及到的采样频率虽然在水声设备技术参数里很少出现，但是对理解信号与系统相关概念还是十分重要的。

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