好吧。面對(duì)這個(gè)問題一開始感到很激動(dòng)，因?yàn)槭俏覀兙褪亲鲞@行的，但是想寫答案的時(shí)候，突然發(fā)現(xiàn)，內(nèi)容實(shí)在太多了，很難一開始直接回答。其實(shí)關(guān)于設(shè)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。
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需要明確幾點(diǎn)，首先，所有設(shè)備都是系統(tǒng)運(yùn)作，也就是說需要若干輔助設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)其功能；其次，設(shè)備沒有好壞之分，只有適用環(huán)境、任務(wù)目標(biāo)的差別，即沒有絕對(duì)好的設(shè)備，只有適用的設(shè)備；再次，所有的探測(cè)數(shù)據(jù)都有多解性，小到對(duì)信號(hào)的甄別，大到對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)的提取，都需要技術(shù)人員在熟悉儀器原理和區(qū)域環(huán)境的基礎(chǔ)上付出大量的工作才能獲得準(zhǔn)確可靠的成果，不存在所謂的“完全自動(dòng)化”。
1. 測(cè)深儀（或稱單波束）
系統(tǒng)配置：測(cè)深儀換能器、工控機(jī)，定位系統(tǒng)（GPS），需要實(shí)時(shí)驗(yàn)潮
作業(yè)方式：船體安裝，走航測(cè)量，岸上驗(yàn)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(guān)鍵詞：時(shí)深轉(zhuǎn)換 聲速改正 波束角 運(yùn)動(dòng)改正
單波束可以說是所有聲學(xué)探測(cè)設(shè)備的鼻祖了，其原理非常簡單，就是前文中所提到的時(shí)深轉(zhuǎn)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(chǎng)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(huì)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(huì)使數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。
對(duì)于單波束而言，聲速改正是比較簡單的，因?yàn)槠渎曒S是豎直方向的，不牽涉聲波的折射偏移，只需要對(duì)沿深度方向的水體聲速進(jìn)行分層定值或平均再做計(jì)算就可以獲得精確水深；由于單波束是記錄較短的信號(hào)往返時(shí)間進(jìn)行水深計(jì)算，所以目前的單波束都在努力減小波束角，使到達(dá)海底的信號(hào)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(fù)雜的區(qū)域，即使減小波束角，單波束測(cè)得的水深仍然會(huì)存在較大誤差（圖1）；對(duì)于運(yùn)動(dòng)改正問題，目前在單波束測(cè)深系統(tǒng)中運(yùn)用比較少，其原因在于單波束是記錄較短的信號(hào)往返時(shí)間進(jìn)行水深計(jì)算的，因此在船體的橫搖（roll）、縱搖(pitch)小于波束角時(shí)儀器測(cè)得的水深是不受這兩種運(yùn)動(dòng)影響的，只有船體起伏(heave)會(huì)對(duì)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(cè)量艇作業(yè)時(shí)受浪的作用起伏多是低頻的，這種船體起伏對(duì)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(dá)到測(cè)量精度要求，因此，只要選擇合適的測(cè)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(cè)量的需要了。需要注意的是，當(dāng)船體晃動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，波束發(fā)射會(huì)變成斜向，由此產(chǎn)生的誤差會(huì)是相當(dāng)可觀的，且水深越大這種誤差越大。
TIPS：雖然單波束目前市場(chǎng)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(lǐng)域，試用雙頻測(cè)深儀進(jìn)行浮泥厚度探測(cè)就是一種經(jīng)濟(jì)、高效的手段，由前文可知，高頻信號(hào)分辨能力強(qiáng)，但穿透性弱，相反低頻信號(hào)分辨能力弱而穿透性強(qiáng)，通過記錄兩種特定頻率信號(hào)的反射圖像就可以很容易地識(shí)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(cè)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(cè)掃聲納系統(tǒng)
系統(tǒng)配置：聲納拖體、工控機(jī)，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(cè)量，
著名廠商：美國Klein公司（已被L3收購） 美國EdgeTech公司
關(guān)鍵詞：半定量設(shè)備 探測(cè)面積大 動(dòng)員時(shí)間短 目標(biāo)識(shí)別快
自二戰(zhàn)以來，聲納就是各國海軍發(fā)展的重點(diǎn)，尤其是冷戰(zhàn)期間的反潛，反水下滲透破壞，側(cè)掃聲納的識(shí)別精度、勤務(wù)性、作業(yè)航速大幅度提高，以Klein 8000型側(cè)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(dāng)然，這玩意兒目前依舊對(duì)華禁運(yùn)。側(cè)掃聲納利用拖體兩側(cè)的換能器發(fā)射、并接收信號(hào)，然后根據(jù)信號(hào)強(qiáng)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(jìn)行推廣。
但是必須清楚，側(cè)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(hào)相對(duì)強(qiáng)度的差異，而無法獲得海床上點(diǎn)的精確水深！因此它屬于“半定量探測(cè)設(shè)備”。由于側(cè)掃聲納探測(cè)面積大，動(dòng)員時(shí)間短，且對(duì)于具有特殊外形的目標(biāo)物識(shí)別能力強(qiáng)，因此在海洋工程探測(cè)，搶險(xiǎn)搜救，考古探寶等領(lǐng)域廣泛使用，尤其是搭載磁力儀之后，對(duì)于金屬物的探測(cè)顯示出了其他儀器、作業(yè)方式無法比擬的優(yōu)勢(shì)。目前的側(cè)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(cè)掃聲納的圖像也會(huì)具有欺騙性，例如當(dāng)海床上的沙紋小于側(cè)掃聲納的較小分辨尺寸時(shí)，聲納圖像上會(huì)顯示一片強(qiáng)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(shí)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(zhǔn)，可以通過變換測(cè)線方向，比對(duì)同一區(qū)域圖像的方式進(jìn)行甄別，如果是極硬底質(zhì)，多次測(cè)得的圖像會(huì)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(gè)樣，毫無規(guī)律。TIPS：側(cè)掃聲納也有淺水型和深水型之分，因此不能將水深作為側(cè)掃聲納的適用范圍區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)！重量輕、體積小，換能器頻率相對(duì)較高是淺水型側(cè)掃聲納的主要特點(diǎn)，通常一個(gè)成年男子就可以搬動(dòng)聲納拖體，如Klein3900型，拖體長度為1.22m，干重僅有29kg,工控機(jī)就是一臺(tái)筆記本電腦，整體輕便，部署作業(yè)簡便，因此這類側(cè)掃聲納對(duì)作業(yè)平臺(tái)的要求也相對(duì)低一些（圖4）。3.條帶測(cè)深系統(tǒng)上世紀(jì)7、80年代，國外廠商開發(fā)出了“條帶測(cè)深系統(tǒng)”，此類系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航跡線兩側(cè)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(cè)量的效率。對(duì)于此類系統(tǒng)，解算水深時(shí)較關(guān)鍵的物理量莫過于斜距和波束發(fā)射角。斜距相對(duì)而言比較容易獲得，就是較基本的時(shí)深轉(zhuǎn)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(cè)深系統(tǒng)。3.1多波束條帶測(cè)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(jì)，工控機(jī)，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(shí)時(shí)驗(yàn)潮作業(yè)方式：船體安裝，走航測(cè)量，岸上驗(yàn)潮或RTK潮位修正著名廠商：丹麥Reson公司 挪威Konsberg公司
關(guān)鍵詞：束控 時(shí)深轉(zhuǎn)換 全覆蓋 聲速改正 波束角 運(yùn)動(dòng)改正
將若干個(gè)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(jì)，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(shí)間，這樣不但能探測(cè)更寬的區(qū)域，還能縮小換能器的體積，在這一思路的指導(dǎo)下，第一代模擬多波束條帶測(cè)深系統(tǒng)誕生了（圖5），當(dāng)然多波束也是目前較為復(fù)雜，作業(yè)控制要求較高的系統(tǒng)。
多波束系統(tǒng)出廠時(shí)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(gè)完整的系統(tǒng)。波束（Beam）是通過多震源以不同位置和時(shí)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(shí)時(shí)測(cè)量換能器附近的水體聲速；同時(shí)為了使波束穩(wěn)定低指向海底，減弱船體的晃動(dòng)對(duì)波束的影響，形成均勻整齊的腳印（Footpoint）,實(shí)現(xiàn)“船動(dòng)我不動(dòng)”,需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)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(cè)水體聲速來修正水深數(shù)據(jù)……
由此可見多波束條帶測(cè)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(zhǔn)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)延時(shí)、定位導(dǎo)航信息、聲源處水體聲速、水深剖面聲速、信號(hào)往返時(shí)間、回波信號(hào)相位，以及船體的三向運(yùn)動(dòng)等，把所有這些值全部輸入工控機(jī)，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(shí)儀器的覆蓋面積也會(huì)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(shù)的進(jìn)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(gòu)架更接近深水設(shè)備，比如，將發(fā)射器和接收器分置，換能器不僅要記錄信號(hào)往返時(shí)間，還要記錄返回聲信號(hào)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(shì)的基礎(chǔ)上，都實(shí)現(xiàn)了波束分布的動(dòng)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(cè)深系統(tǒng)
系統(tǒng)配置：換能器、表層聲速計(jì)，高度計(jì)（單波束），工控機(jī)，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(shí)時(shí)驗(yàn)潮
作業(yè)方式：船體安裝，或拖曳式，岸上驗(yàn)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(jí)別的側(cè)掃聲吶都有相干功能，3500更讓人感覺是笨騷死C3D的翻版……）
關(guān)鍵詞：輕量化淺水 相干計(jì)算 寬覆蓋 聲速改正 運(yùn)動(dòng)改正
在多波束發(fā)展過程中，有人設(shè)想，能否結(jié)合側(cè)掃聲納和多波束條帶測(cè)深系統(tǒng)二者的優(yōu)點(diǎn)，制造一種小型輕便，既能測(cè)量確切水深，又在淺水中有較大覆蓋寬度的儀器，通過實(shí)驗(yàn)，相干聲納系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生（圖7）。
由于這種設(shè)備是基于側(cè)掃聲納原型的，聲軸無法垂直指向海底，在其正下方信號(hào)強(qiáng)度很弱，因此需要在水下單元安裝一個(gè)單波束測(cè)深儀來補(bǔ)充數(shù)據(jù)空白。
相干聲納條帶測(cè)深系統(tǒng)在淺水環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)極大的覆蓋寬度，但其硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)是存在先天不足的，因?yàn)樗峭ㄟ^很少的換能器（相對(duì)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(hào)，然后利用多個(gè)接收器記錄回波信號(hào)的相位差來計(jì)算回波指向角，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)水深測(cè)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(jì)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(shí)測(cè)值，因此在海床起伏劇烈的水域，相干聲納測(cè)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(shí)際測(cè)量過程中可采用“非等距”的方式布設(shè)測(cè)線，即每兩條測(cè)線間距較小，保證測(cè)艇上線施測(cè)時(shí)兩舷換能器聲軸方向正好可以覆蓋另一條測(cè)線正下方的海底，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。
TIPS：對(duì)于很多人而言，區(qū)分拖體式相干聲納條帶測(cè)深系統(tǒng)和側(cè)掃聲納系統(tǒng)是很難的，因此鬧出過不少笑話，其實(shí)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(cè)掃聲納的換能器是拖體兩側(cè)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(huì)安裝聲速計(jì)或CTD以記錄或計(jì)算換能器處的水體聲速。這類產(chǎn)品比較典型的當(dāng)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(duì)算法的改進(jìn)，降低了信號(hào)多解性，在目標(biāo)物識(shí)別方面明顯優(yōu)于同類產(chǎn)品，但原理上沒有實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。
4.淺地層剖面儀（簡稱淺剖）
系統(tǒng)配置：換能器、工控機(jī)，定位系統(tǒng)（ＧＰＳ）
作業(yè)方式：拖曳式走航測(cè)量或采用船體安裝
著名廠商：瑞典Konsberg公司 美國Benthos公司
關(guān)鍵詞：低頻 穿透 參量陣技術(shù) ＣＨＩＲＰ技術(shù) 鉆孔修正
當(dāng)我們需要獲知海床以下淺部地層、災(zāi)害地質(zhì)因素、埋設(shè)物等的分布情況時(shí)，需要使用一種工作頻率相對(duì)較低，對(duì)海底地層有一定穿透能力的設(shè)備來實(shí)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(hào)頻率更低，能量更強(qiáng)，信號(hào)在各個(gè)聲速界面上形成反射，水聽器接收回波信號(hào)后即可形成聲學(xué)地層圖像。按信號(hào)頻率從高到低排列，震源類型主要包括：壓電陶瓷（晶體振動(dòng)）、Boomer（金屬撞擊）、電火花（等離子體）等，當(dāng)然這不是絕對(duì)的，比如參量陣技術(shù)，就是通過兩個(gè)相對(duì)高頻的信號(hào)通過相位疊加較終形成若干個(gè)不同頻率的信號(hào)，其中就包含了頻率極低的信號(hào)。
在波束控制方面，目前有兩個(gè)方向：在海洋地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域，科學(xué)家往往關(guān)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(shí)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(duì)聲學(xué)圖像的影響（圖8）；
在海洋工程調(diào)查領(lǐng)域，淺剖為了獲得具有特征的目標(biāo)物回波信號(hào)，通常不會(huì)一味地減小波束角，換句話說，它發(fā)射的信號(hào)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(shí)形成的類似于拋物線的聲學(xué)圖像（圖 9）。
