好吧。面對這個問題一開始感到很激動，因為是我們就是做這行的，但是想寫答案的時候，突然發(fā)現(xiàn)，內(nèi)容實在太多了，很難一開始直接回答。其實關于設備，我們有略為專業(yè)的回答和描述，所以我先占坑，回頭從我們網(wǎng)站上慢慢的網(wǎng)上加吧。
如果有心急的朋友可以先去我們海洋圈-國內(nèi)首家海洋儀器互動平臺里面去查看，里面有對設備專業(yè)/吐槽等
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需要明確幾點，首先，所有設備都是系統(tǒng)運作，也就是說需要若干輔助設備才能實現(xiàn)其功能；其次，設備沒有好壞之分，只有適用環(huán)境、任務目標的差別，即沒有絕對好的設備，只有適用的設備；再次，所有的探測數(shù)據(jù)都有多解性，小到對信號的甄別，大到對目標數(shù)據(jù)的提取，都需要技術人員在熟悉儀器原理和區(qū)域環(huán)境的基礎上付出大量的工作才能獲得準確可靠的成果，不存在所謂的“完全自動化”。
1. 測深儀（或稱單波束）
系統(tǒng)配置：測深儀換能器、工控機，定位系統(tǒng)（GPS），需要實時驗潮
作業(yè)方式：船體安裝，走航測量，岸上驗潮或RTK潮位修正
著名廠商：加拿大KNUDSEN公司 美帝ODOM公司 天朝海鷹公司
關鍵詞：時深轉換 聲速改正 波束角 運動改正
單波束可以說是所有聲學探測設備的鼻祖了，其原理非常簡單，就是前文中所提到的時深轉換。但是原理簡單并不代表著儀器操作簡單，為了獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)和清晰的反射圖像，現(xiàn)場控制依然有很高的要求，拿換能器吃水來說，太深的話不僅會受二次反射波影響，還可能威脅到行船安全，太淺的話水體噪聲又太大，信噪比降低也會使數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。
對于單波束而言，聲速改正是比較簡單的，因為其聲軸是豎直方向的，不牽涉聲波的折射偏移，只需要對沿深度方向的水體聲速進行分層定值或平均再做計算就可以獲得精確水深；由于單波束是記錄較短的信號往返時間進行水深計算，所以目前的單波束都在努力減小波束角，使到達海底的信號覆蓋區(qū)域盡量縮小，以獲得更為精確的水深數(shù)據(jù)，但是在海床形態(tài)非常復雜的區(qū)域，即使減小波束角，單波束測得的水深仍然會存在較大誤差（圖1）；對于運動改正問題，目前在單波束測深系統(tǒng)中運用比較少，其原因在于單波束是記錄較短的信號往返時間進行水深計算的，因此在船體的橫搖（roll）、縱搖(pitch)小于波束角時儀器測得的水深是不受這兩種運動影響的，只有船體起伏(heave)會對水深值產(chǎn)生影響（圖2），但是一般在能夠接受的海況條件下測量艇作業(yè)時受浪的作用起伏多是低頻的，這種船體起伏對數(shù)據(jù)的影響可以在后期處理過程中通過分段平均的方式減弱，從而達到測量精度要求，因此，只要選擇合適的測量艇，并將單波束固定安裝在其重心位置處，就可以滿一般測量的需要了。需要注意的是，當船體晃動嚴重時，波束發(fā)射會變成斜向，由此產(chǎn)生的誤差會是相當可觀的，且水深越大這種誤差越大。
TIPS：雖然單波束目前市場逐步縮小，但其在一些特殊條件下仍有不可替代的作用。比如海洋工程領域，試用雙頻測深儀進行浮泥厚度探測就是一種經(jīng)濟、高效的手段，由前文可知，高頻信號分辨能力強，但穿透性弱，相反低頻信號分辨能力弱而穿透性強，通過記錄兩種特定頻率信號的反射圖像就可以很容易地識別浮泥層頂、底界面，例如，在黃河三角洲海域，試用24kHz和100kHz頻率組合的雙頻測深儀反射圖像，剔除不可理數(shù)值后取平均值即可獲得懸浮淤泥厚度。
2. 側掃聲納系統(tǒng)
系統(tǒng)配置：聲納拖體、工控機，定位系統(tǒng)（GPS），姿態(tài)傳感器（可選配），
作業(yè)方式：拖曳式走航測量，
著名廠商：美國Klein公司（已被L3收購） 美國EdgeTech公司
關鍵詞：半定量設備 探測面積大 動員時間短 目標識別快
自二戰(zhàn)以來，聲納就是各國海軍發(fā)展的重點，尤其是冷戰(zhàn)期間的反潛，反水下滲透破壞，側掃聲納的識別精度、勤務性、作業(yè)航速大幅度提高，以Klein 8000型側掃聲納為例，可在航速20節(jié)的條件下獲得高清晰度的海底圖像，當然，這玩意兒目前依舊對華禁運。側掃聲納利用拖體兩側的換能器發(fā)射、并接收信號，然后根據(jù)信號強弱反演海床形態(tài)（圖3），因此也被商家冠以“地貌儀”的噱頭進行推廣。
但是必須清楚，側掃聲納只能獲得海底的高低起伏，也就是說它記錄的是地形變化引起的反射信號相對強度的差異，而無法獲得海床上點的精確水深！因此它屬于“半定量探測設備”。由于側掃聲納探測面積大，動員時間短，且對于具有特殊外形的目標物識別能力強，因此在海洋工程探測，搶險搜救，考古探寶等領域廣泛使用，尤其是搭載磁力儀之后，對于金屬物的探測顯示出了其他儀器、作業(yè)方式無法比擬的優(yōu)勢。目前的側掃聲納系統(tǒng)多采用雙頻換能器，在滿足大覆蓋寬度的前提下提高分辨率。但是在一些特殊條件下，側掃聲納的圖像也會具有欺騙性，例如當海床上的沙紋小于側掃聲納的較小分辨尺寸時，聲納圖像上會顯示一片強反射，在沒有其他資料的條件下，作業(yè)人員很容易將這種區(qū)域識別為極硬底質(zhì)甚至是礁石露頭。這種現(xiàn)象是儀器原理決定的，如果拿不準，可以通過變換測線方向，比對同一區(qū)域圖像的方式進行甄別，如果是極硬底質(zhì)，多次測得的圖像會表現(xiàn)出相似性和規(guī)律性，如果是由于超出儀器分辨能力產(chǎn)生的假波圖像，則一次一個樣，毫無規(guī)律。TIPS：側掃聲納也有淺水型和深水型之分，因此不能將水深作為側掃聲納的適用范圍區(qū)分標準！重量輕、體積小，換能器頻率相對較高是淺水型側掃聲納的主要特點，通常一個成年男子就可以搬動聲納拖體，如Klein3900型，拖體長度為1.22m，干重僅有29kg,工控機就是一臺筆記本電腦，整體輕便，部署作業(yè)簡便，因此這類側掃聲納對作業(yè)平臺的要求也相對低一些（圖4）。3.條帶測深系統(tǒng)上世紀7、80年代，國外廠商開發(fā)出了“條帶測深系統(tǒng)”，此類系統(tǒng)可以實現(xiàn)對航跡線兩側一定寬度海底水深值的高密度采集，從而大大提高了水深地形測量的效率。對于此類系統(tǒng)，解算水深時較關鍵的物理量莫過于斜距和波束發(fā)射角。斜距相對而言比較容易獲得，就是較基本的時深轉換，而波束發(fā)射角的獲得方式在基于不同原理開發(fā)出來的產(chǎn)品中就存在一定差異了，下面就來說說目前比較流行的兩種條帶測深系統(tǒng)。3.1多波束條帶測深系統(tǒng)（簡稱多波束，或束控多波束）系統(tǒng)配置：多波束換能器、表層聲速計，工控機，定位系統(tǒng)（GPS），定向系統(tǒng)（羅經(jīng)），姿態(tài)傳感器（三軸MRU），聲速剖面儀（SVP），需要實時驗潮作業(yè)方式：船體安裝，走航測量，岸上驗潮或RTK潮位修正著名廠商：丹麥Reson公司 挪威Konsberg公司
關鍵詞：束控 時深轉換 全覆蓋 聲速改正 波束角 運動改正
將若干個單波束成排放置，就可以得到完全覆蓋其下方的水深值，但這樣顯然不夠經(jīng)濟，覆蓋寬度有限，且需要的換能器也太多。如果我們將一系列不同發(fā)射角的波束集中起來，使其向海底發(fā)射，然后記錄往返時間，這樣不但能探測更寬的區(qū)域，還能縮小換能器的體積，在這一思路的指導下，第一代模擬多波束條帶測深系統(tǒng)誕生了（圖5），當然多波束也是目前較為復雜，作業(yè)控制要求較高的系統(tǒng)。
多波束系統(tǒng)出廠時只能算是“半成品”，其換能器、定位、定姿裝置、操控單元只有和載具完成安裝后，才能算是一個完整的系統(tǒng)。波束（Beam）是通過多震源以不同位置和時間序列發(fā)射聲波（Sounding），利用相位疊加原理形成的，為了精確控制波束指向性，多波束系統(tǒng)需要實時測量換能器附近的水體聲速；同時為了使波束穩(wěn)定低指向海底，減弱船體的晃動對波束的影響，形成均勻整齊的腳印（Footpoint）,實現(xiàn)“船動我不動”,需要實時監(jiān)測并記錄船體的橫搖（roll）、縱搖(pitch)、船體起伏(heave)，以及航向，并調(diào)整不同位置震源的發(fā)射時間；由前文可知，入射角越大，在聲速界面處聲波的折射越明顯，所以在作業(yè)過程中需要經(jīng)常量測水體聲速來修正水深數(shù)據(jù)……
由此可見多波束條帶測深系統(tǒng)所記錄的物理量是非常多的，包括：換能器安裝姿態(tài)校準數(shù)據(jù)、系統(tǒng)延時、定位導航信息、聲源處水體聲速、水深剖面聲速、信號往返時間、回波信號相位，以及船體的三向運動等，把所有這些值全部輸入工控機，才能獲得正確的水深數(shù)據(jù)（圖6）。
TIPS：早期的多波束為了獲得較大的覆蓋面積，通常換能器的體積都很大，即使如此，在水深較小時儀器的覆蓋面積也會受到影響，因此多數(shù)情況下都是在深水、中深水環(huán)境使用的，但隨著傳感器原理和技術的進步，逐漸出現(xiàn)了一些“淺水多波束”，雖然名字接近，但其原理和硬件構架更接近深水設備，比如，將發(fā)射器和接收器分置，換能器不僅要記錄信號往返時間，還要記錄返回聲信號的振幅、相位，以獲得更寬范圍的精確水深，代表產(chǎn)品有Reson公司的7125，Konsberg公司的2040A，R2sonic公司的2024等，這類產(chǎn)品在繼承了前代產(chǎn)品優(yōu)勢的基礎上，都實現(xiàn)了波束分布的動態(tài)調(diào)節(jié)，以及在不損失數(shù)據(jù)密度前提下的指向性、覆蓋寬度調(diào)節(jié)，使用更為靈活。
3.2相干聲納條帶測深系統(tǒng)
系統(tǒng)配置：換能器、表層聲速計，高度計（單波束），工控機，定位系統(tǒng)（GPS），定向系統(tǒng)（羅經(jīng)），姿態(tài)傳感器（三軸MRU），聲速剖面儀（SVP），需要實時驗潮
作業(yè)方式：船體安裝，或拖曳式，岸上驗潮或RTK潮位修正
著名廠商：英國GeoSwath（已被坑死波哥收購） 美國Klein公司（目前5000及以上級別的側掃聲吶都有相干功能，3500更讓人感覺是笨騷死C3D的翻版……）
關鍵詞：輕量化淺水 相干計算 寬覆蓋 聲速改正 運動改正
在多波束發(fā)展過程中，有人設想，能否結合側掃聲納和多波束條帶測深系統(tǒng)二者的優(yōu)點，制造一種小型輕便，既能測量確切水深，又在淺水中有較大覆蓋寬度的儀器，通過實驗，相干聲納系統(tǒng)應運而生（圖7）。
由于這種設備是基于側掃聲納原型的，聲軸無法垂直指向海底，在其正下方信號強度很弱，因此需要在水下單元安裝一個單波束測深儀來補充數(shù)據(jù)空白。
相干聲納條帶測深系統(tǒng)在淺水環(huán)境下能夠實現(xiàn)極大的覆蓋寬度，但其硬件架構設計是存在先天不足的，因為它是通過很少的換能器（相對于束控多波束系統(tǒng)而言）發(fā)射接近球面的開角極大的繩波信號，然后利用多個接收器記錄回波信號的相位差來計算回波指向角，實現(xiàn)多點水深測量的，也就是說相干聲納獲得的水深值都是經(jīng)過多重相干計算的，雖然可以獲得極大的覆蓋寬度的水深地形數(shù)據(jù)，但非實測值，因此在海床起伏劇烈的水域，相干聲納測深系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量很容易出問題，比如換能器正下方海床異常突起等，因此，在實際測量過程中可采用“非等距”的方式布設測線，即每兩條測線間距較小，保證測艇上線施測時兩舷換能器聲軸方向正好可以覆蓋另一條測線正下方的海底，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。
TIPS：對于很多人而言，區(qū)分拖體式相干聲納條帶測深系統(tǒng)和側掃聲納系統(tǒng)是很難的，因此鬧出過不少笑話，其實只要清楚二者原理上的差異，可以很容易地區(qū)分它們。簡言之，從外觀上來說，側掃聲納的換能器是拖體兩側水平安裝的，就好像“H”的兩道豎線，而相干聲納的換能器則是呈“V”形分布的，而且旁邊會安裝聲速計或CTD以記錄或計算換能器處的水體聲速。這類產(chǎn)品比較典型的當數(shù)Benthos公司的C3D系統(tǒng)和Klein公司的3500系統(tǒng)，此類系統(tǒng)通過對算法的改進，降低了信號多解性，在目標物識別方面明顯優(yōu)于同類產(chǎn)品，但原理上沒有實質(zhì)性改進。
4.淺地層剖面儀（簡稱淺剖）
系統(tǒng)配置：換能器、工控機，定位系統(tǒng)（ＧＰＳ）
作業(yè)方式：拖曳式走航測量或采用船體安裝
著名廠商：瑞典Konsberg公司 美國Benthos公司
關鍵詞：低頻 穿透 參量陣技術 ＣＨＩＲＰ技術 鉆孔修正
當我們需要獲知海床以下淺部地層、災害地質(zhì)因素、埋設物等的分布情況時，需要使用一種工作頻率相對較低，對海底地層有一定穿透能力的設備來實現(xiàn)，這就是淺地層剖面系統(tǒng)（圖8）。這種系統(tǒng)的工作原理也是非常簡單的，只是信號頻率更低，能量更強，信號在各個聲速界面上形成反射，水聽器接收回波信號后即可形成聲學地層圖像。按信號頻率從高到低排列，震源類型主要包括：壓電陶瓷（晶體振動）、Boomer（金屬撞擊）、電火花（等離子體）等，當然這不是絕對的，比如參量陣技術，就是通過兩個相對高頻的信號通過相位疊加較終形成若干個不同頻率的信號，其中就包含了頻率極低的信號。
在波束控制方面，目前有兩個方向：在海洋地質(zhì)調(diào)查領域，科學家往往關注地層的產(chǎn)狀，以及淺部的特殊地質(zhì)現(xiàn)象，因此需要在波束角盡可能小的情況下，實現(xiàn)波束穩(wěn)定，使其始終垂直指向海床，壓制繞射，減小地層產(chǎn)狀變化對聲學圖像的影響（圖8）；
在海洋工程調(diào)查領域，淺剖為了獲得具有特征的目標物回波信號，通常不會一味地減小波束角，換句話說，它發(fā)射的信號更接近于扇面波或球面波，例如老外吹牛逼的“管線儀”，橫跨海底管道時形成的類似于拋物線的聲學圖像（圖 9）。
