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一、引言 工作频率、波束宽度、距离分辨力、成像距离以及鉴别阈是表征成像声呐性能的主要指标，关乎水下探测整体作业效率和数据质量。 实际工程应用中，水下成像声呐校准工作主要是在江海湖泊寻找特殊地形或水下特征物进行自校，或者与公认“好产品”进行比测校准。涌浪、声速剖面、拖曳速度等影响因素给校准结果引入较大误差，无法保证量值溯源性和复现性。国内外针对水下成像声呐开展的计量研究聚焦基本声学量值的检测，主要在室内六面消声水池中进行，美国WoodsHole海洋研究所、中国科学院声学研究所、中国船舶重工集团公司第715研究所（国防水声计量一级站）、哈尔滨工程大学（水声技术国防科技重点实验室）等机构的相关学者从产品研发角度对此进行了深入研究。从设备实际应用角度，国家水运工程检测设备计量站、山东科技大学、国家海洋局第一海洋研究所等机构初步开展水下成像声呐几何量值的计量技术研究，取得了一批服务行业高质量发展的支撑成果。 水下成像声呐计量测试需要大型试验水池的支撑，由于室内水池建设规模限制，测量范围一般小于50m，难以满足扫宽、量程、GNSS定位、拖曳速度（侧扫声呐）等测试条件要求。 本文依托室外原型深水港池（长180m，宽25m，深10m）和局部消声水池（长40m，宽11m，深5m～8m），开展水下成像声呐计量测试方法及溯源技术研究，旨在解决声呐设备在水下目标探测性能方面的量值评定问题。原型深水港池地形规则平坦，水域宽阔纵深，可实现水下180m范围内成像扫测；消声水池长侧壁敷设消声材料，池底布设不同材质、不同尺寸和不同形状的标准目标物，以及卵石、细沙、淤泥等不同底质。2座水池均配备试验行车和精密回转/升降装置等辅助设备，与海上环境相比，试验水池无浪潮流沙等环境因素影响，是开展水下成像声呐计量测试的优良环境条件。 二、水下成像声呐计量测试方法 侧扫声呐和扫描声呐是常用的水下成像声呐，在港口建设及航道疏浚、水下救捞、海洋测绘、海洋资源开发等方面有广泛应用。声呐设备性能的提高、频率范围的扩展和类型的增多等对水声计量提出了许多新的要求，为保证海洋测量数据准确度，定期检校其探测性能具有实际的研究与应用价值。工作频率、波束宽度（扇区开角）、距离分辨力、鉴别阈是表征水下成像声呐性能的主要指标，且指标间具有相互的内在影响规律，应作为计量测试方法与溯源技术研究的主要内容。 ⒈计量性能要求 工作频率和波束宽度属于水下成像声呐基本的声学参数，与其鉴别阈、分辨力、成像距离等几何探测性能紧密相关。分辨力是指引起声呐图像上可量测到变化的被测特征物之间距离的最小值，鉴别阈是指声呐图像上可量测到变化的被测特征物的最小尺寸。波束宽度是指在声呐最大辐射方向两侧，辐射功率下降3dB的两个方向的夹角，是影响测量效率的主要因素，开角越大，测量条带越宽，扫幅面积越大。工作频率是关系成像声呐分辨力的重要参数，是影响声呐精细化测量的主要因素。依据参考相关国家标准规范及文献，确定水下成像声呐示值误差与鉴别阈的计量性能要求，如表1所示。其中鉴别阈可分为3级，测试距离为声呐换能器距标准目标块垂直距离5m和水平距离5m。 表1扫描声呐计量性能要求 $ o6 ^- {+ F# g( [; S! ]
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⒉计量测试条件 水下成像声呐计量测试条件包括测试环境、计量标准器具和配套设备等方面的要求。 ⑴测试环境 测试环境条件的规定主要考虑温度与湿度环境应能保证声呐设备检定试验过程的正常进行。确定水下成像声呐计量测试环境要求，温度：20℃±15℃；相对湿度：应不大于90%。 ⑵计量标准器具 ①标准水听器：频率范围0.1MHz～2.5MHz，扩展不确定度U=0.9dB（k=2）；②信号采集器：最高采样频率为10MHz，电压测量扩展不确定度U=2mV（k=2）；③全站仪（或GNSS）：定位最大允许误差±（8＋1×10-6×D）mm，D为测量距离，单位为m；④钢卷尺：2级。 ⑶配套设备 ①消声水池：长度应不小于30m，宽度应不小于10m，深度应不小于8m；②试验水池（或海上试验场）：长度应不小于150m，宽度应不小于20m，深度应不小于10m；③试验行车：应配有回转/升降装置，可用于安装成像声呐和标准水听器，角度控制最大允许误差±0.1°，位移控制最大允许误差±0.5cm；④标准目标块套组：边长为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、50cm的目标块，边长最大允许误差±0.2cm；⑤声速剖面仪：最大允许误差±0.2m/s。 ⒊计量测试方法 水下成像声呐计量测试的核心是用计量标准对测量仪器的计量性能进行评估，获得仪器量值的溯源性与一致性，以保证其测量的准确可靠，水声计量测试原理与方法已相对成熟，但准确度不高，因为水声计量测试既要用到机械装置和电测量装置，又要涉及到水介质中声场，其量值不确定度要远大于单纯的几何、电磁、光学测量。本文的试验方法与试验设备充分考虑脉冲声技术和边界消声技术的综合应用，采用比较校准法，进行相关试验。 ⑴工作频率 ①将成像声呐竖直安装至消声水池试验行车的回转支架底端，保持发射扇面垂直于水面，试验示意图见图1；②将标准水听器安装在升降支架底端，使其与声呐发射扇面处于同一平面，且测试距离满足自由场远场条件；③连接标准水听器与信号采集器，调节声呐发射模式参数（频率，脉宽），水听器端采集直达脉冲信号并由显控电脑记录保存；④对脉冲信号进行频谱分析，读取其频率值作为标准值，与声呐设定的工作频率作差，求得示值误差；⑤按上述方法对声呐所有标称工作频率进行测量，取所有示值误差中绝对值最大的误差值作为检定结果。
图1 成像声呐声学指标计量测试示意图 ⑵波束宽度 ①调整声呐发射扇面至水平，使标准水听器与扫描声呐处于同一深度，水平距离10m；②以0.5cm的步进间隔升降调节标准水听器，采集水平波束角内各个角度位置处的开路电压，按公式⑴计算发送电压响应级； SV＝20lg(Uoc/Ux)＋20lgd－M⑴ 式中：SV是发送电压响应级，dB（基准值：1uPa·m/V）；Uoc是标准水听器开路电压，V；Ux是施加在被检声呐换能器两端电压，V；d是标准水听器与被检声呐换能器的距离，m；M是标准水听器的灵敏度级，dB（基准值：1V/uPa）。③绘制直角坐标图表示声呐水平波束角的指向性图，横坐标表示方向角，纵坐标表示响应值。响应值用分贝值表示，响应级的最大值取为0dB。从主轴的最大响应下降3dB时的左右两个方向间的角度，作为水平波束角的波束宽度，与声呐标称波束宽度作差，计算示值误差；④保持标准水听器在水平波束角声轴线上静止，以0.1°的步进间隔水平调节声呐扇面旋转，采集垂直波束角内各个角度位置处的开路电压，换算成发送电压响应级；⑤绘制极坐标图表示声呐垂直波束角的指向性图，计算垂直波束角的波束宽度，与扫描声呐标称波束宽度作差求得示值误差。 ⑶距离分辨力 ①将声呐安装在试验车的支架底端，在水池底部布设标准目标块套组，相邻目标块间距从5cm至50cm依次增大，调节声呐入水深度3m，距标准目标块垂直距离5m、水平距离5m；②调节声速剖面仪与声呐位于同一水深位置，获取声速值并输入到声呐系统；③成像声呐匀速扫测标准目标块套组，判读分辨声图上两个目标块，量取目标块之间的距离3次，取最大值作为声呐的距离分辨力，与目标块之间标准距离值作差，计算距离分辨力示值误差，距离分辨力检定示意图见图2。
图2 距离分辨力计量测试示意图 ⑷成像距离 ①将声呐安装至试验水池试验行车（或海上试验船），使发射扇面垂直于水面，通过判读声呐图像，确定试验水池短边壁（或海上凸起目标边界）是否在声呐成像距离范围内，试验水池计量测试示意图见图3；②逐步扩大试验行车（或海上试验船）与试验水池短边壁（或海上凸起目标边界）距离，直至声呐图像无法显示试验水池短边壁（或海上凸起目标边界）；③使用全站仪（或GNSS）定位扫描声呐与试验水池短边壁（或海上凸起目标边界）之间水平距离，作为扫描声呐最大成像距离标准值，与扫描声呐标称值作差求得示值误差。
图3 成像距离计量测试示意图 ⑸鉴别阈 ①采用准确度等级二级的钢卷尺量取各标准目标块大小及其间隔；②将声呐安装至试验水池试验行车的支架底端，在水池底部铺设边长为5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、50cm的标准目标块套组，调节扫描声呐入水深度3m，距标准目标块垂直距离5m、水平距离5m；③控制声呐以最小步进间隔匀速扫测目标块，鉴别声图中可量测到的最小目标块。 三、计量测试结果 采用上述计量测试方法，对扫描声呐和侧扫声呐进行计量测试。以MS1000扫描声呐为例，采集被检声呐直达脉冲信号，截取稳态部分数据进行频谱分析，获得信号的各个频率成分和频率分布范围，求取各个频率成分的幅值分布和能量分布，通过滤波、FFT等数字信号处理技术获得成像声呐的工作频率值674.941kHz，示值误差0.059kHz，未超出最大允许误差±1%；被检扫描声呐水平方向波束宽度（0.97°），示值误差0.07°，未超出最大允许误差±0.1°，垂直方向波束开角（30.3°），示值误差0.3°，未超出最大允许误差±2°。 在原型深水港池中进行声呐成像距离试验，被检扫描声呐可清晰检测到长182.5m，宽24.8m的水池轮廓。在试验水池中开展声呐鉴别阈计量测试，被检MS1000扫描声呐声呐可清晰鉴别直径5cm～30cm的6个目标小球或方体，可鉴别直径20cm、长2m的T型钢管，可鉴别高度1.2m、直径20cm竖直钢管，可分辨池底沉船与木箱。 以Klein4900侧扫声呐为例，可清晰分辨直径38cm、高58cm的圆桶，可清晰分辨长×宽×高＝60cm×50cm×90cm的矩形目标。 四、量传溯源与不确定度评定 量传溯源是通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果或测量标准的值能够与规定的参考标准（通常是国家计量基准或国际计量基准）联系起来的特性。水下成像声呐工作频率、波束宽度、距离分辨力/鉴别阈、成像距离等均可溯源至更高等级的计量标准或国家基准。水下成像声呐计量标准装置中，工作频率溯源至标准数字时钟，不确定度U=3×10-6s（k=2）；波束宽度溯源至三等测角标准装置，不确定度U=5″（k=2）；成像距离溯源至标准基线场，不确定度U=1mm（k=2）；距离分辨力和鉴别阈溯源至标准钢卷尺，最大允许误差±（0.03+0.03L）mm，L为测量值。 测量不确定度是衡量计量标准可靠性的重要指标，是表征赋予被测量值分散性的非负参数。依据JJF1059.1《测量不确定度评定与表示》评定水下成像声呐计量标准装置的不确定度。 影响成像声呐计量准确度的误差来源主要有：①被检声呐重复性；②计量标准器误差；③仪器安装误差。综合考虑以上因子的测量不确定度，建立数学模型评定测量结果的扩展不确定度，结果如表2所示。 表2 测量不确定度综合分析表 五、结束语 计量、标准、合格评定共同构成国家质量基础。由于我国缺少行之有效的水下探测设备的计量溯源方法、标准规范和检定装置，国外产品以次充好流入我国，高精尖设备对我国技术封锁的现象依然存在。成像声呐作为水下精细化探测装备，在海洋测绘领域应用较为广泛。研究水下工作计量器具与国家计量基准的溯源链，建设成像声呐计量标准，对设备性能进行规范的计量检定，是推动水下探测装备产品国产化进程，保障水下探测量值准确可靠的有效措施。本文通过采用更高等级的计量标准，对水下成像声呐的关键性能指标进行了规范化的计量测试，保障了设备在出厂检验、后续检定、使用中检查等环节的量值统一与准确可靠，有效减少了海上自校准过程中众源误差的引入，经测量不确定度评定，本文校准结果不确定度优于被检设备最大允许误差的1/3～1/5。在后期水下探测装备计量标准建设方面，还需要进一步做以下几方面的工作。 ⑴建立健全海洋测绘产品计量技术体系和标准体系，研发计量技术，制定标准规范，保障水下成像声呐、多波束测深系统、超短基线水声定位系统等工作计量器具有据可依，有法溯源，有地送检。 ⑵基于水声传播规律，开展目标模拟校准技术研究，通过matlab软件仿真，分析不同误差（海洋环境、目标特性、声呐参数）对成像距离的影响，实现水下成像声呐等设备全量程、极端量的计量溯源。 ⑶为更加契合实际工程应用环境，选取深水特征海区，建立海上标准化计量综合试验场，结合智能传感器、大数据及移动互联技术，实现水下探测装备的原位、在线和远程计量。 % k, L; v3 I2 L4 l
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