声呐探鱼器探测方式的研究

陶 冶

(吉林化工学院 航空工程学院，吉林 吉林 132022)

户外垂钓为现代人提供与大自然亲密接触和感性认知的最优方式，与土地、阳光和水源相伴，寓强身健体于垂钓的全过程之中，活跃身心，使焦虑、乖戾、浮躁之气消解于大自然的怀抱.不同的季节，鱼情也有所差异.天暖的季节是鱼找饵，秋冬季气温骤降则需要饵找鱼.探鱼器可以在陌生水域帮助使用者了解鱼情、水下的地形，能积累对钓位优劣的判断，从而提供更好的垂钓体验.

1 探鱼器的发展现状

目前，现有的水下生物探测器多为探鱼器，由声呐探测器、超声波探测器和与GPS结合的高级声呐探鱼器.

国外主流声呐或超声波探测器都属于超声波技术，主要构造是由探测器、超声波换能器、信号处理电路组成.利用超声波换能器发射信号，通过空气或水的传播，利用超声波在水中接触物体反馈回来的信号，然后通过信号处理电路的处理，最后显示在屏幕上[1].与GPS结合的高级声呐探鱼器，还需要安装一个GPS卫星定位探鱼器接收器(带数据线)才能使用，其工作原理与声呐探鱼器原理相同，比声呐探鱼器定位更加精准，但价格昂贵保养困难.

近几年，国内出现的水下可视探鱼器，在标尺杆和探鱼杆上设置有定位环，电缆线穿过定位环与显示器相连，终端显示器设置在保护箱体内，在箱体内设置蓄电池，还设置有控制面板，控制面板上设置有与蓄电池相连的电源开关、摄像头开关和照明控制开关，电源开关、摄像头开关和照明控制开关均通过电缆线与电路板连接，能够显示水下鱼类和景物，而且能辨别近距离鱼类的品种和大小，但探测范围小，显示终端过于笨重，不易操作[2].

2 声呐工作原理

声呐是英文缩写“SONAR”的中文音译，其全称为：Sound Navigation and Ranging(声音导航与测距)，是利用声波在水中的传播和反射特性，通过电声转换和信息处理进行导航和测距的技术，也指利用这种技术对水下目标进行探测(存在、位置、性质、运动方向等)和通讯的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置，有主动式和被动式两种类型.在水中进行观察和测量，具有得天独厚条件的只有声波[3].这是由于其他探测手段的作用距离都很短，光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几米到几十米内的物体；电磁波在水中也衰减太快，而且波长越短，损失越大，即使用大功率的低频电磁波，也只能传播几十米.然而，声波在水中传播的衰减就小得多，在深海声道中爆炸一个几公斤的炸弹，在两万公里外还可以收到信号，低频的声波还可以穿透海底几千米的地层，并且得到地层中的信息.在水中进行测量和观察，迄今还未发现比声波更有效的手段.

3 声呐探鱼器探测方式

声呐探鱼器由声呐探头和接收器两部分组成.接收器现在已经逐步由智能手机端的相关探鱼器App所取代，如图1所示，探头与接收器的连接方式也从有线连接发展到蓝牙等无线连接，App结合声呐的组合充分发挥了声呐探鱼器的功能优势[4].

图1 声呐探头与智能手机无线连接

3.1 声呐探头的锥形扫描方式

声呐是以锥形来扫描，而不是直线.当使用者从探鱼器App界面上判读扫描结果时，通常会认为在画面上看到的所有讯息，是全部都发生在探鱼器的正下方，所以当使用者发现鱼信号时，直觉就会认为鱼一定是在探鱼器的正下面.其实这些扫描结果是从探鱼器下面更大的区域探测到的，当声呐扫描得越深，接收的数据就来自更宽广的水下区域，这都是因为声呐是以锥形来扫描的[5].声呐探头工作方式如图2所示，声呐发送声能脉冲来定位物体，声音以声波形式传播，而非线形，脉冲不是以线形而是以逐渐变宽的锥形来传播.

图2 声呐探头工作方式

3.2 扫描频率

大多数的声呐装置有不同的频率来扫描，范围从宽波(约40°～60°)到窄波(约10°～20°)，以下是关于宽和窄波的一些要点：

(1)宽波扫描主要是为了快速覆盖大面积，但较难知道鱼的确切位置；

(2)宽波扫描适合于浅水区域，因为扫描得越深，锥形覆盖的区域越广.如果使用者在14 m深的水域进行扫描，声呐将覆盖14.5 m的区域；

(3)窄波扫描更适合用来找到鱼的确切位置；

(4)窄波扫描适合更深的水域，因为锥形覆盖的区域较集中[6].

3.3 扫描“死角”及解决方案

探鱼的时候，在探测界面看到的鱼不都在探鱼器的正下方，而是位于探鱼器声呐探头下方的锥形扫描范围内.探测的深度越深，扫描的区域就越宽.尤其是使用窄波扫描时，如果鱼在较浅的位置，就会在探鱼器正下方不远处；如果鱼在较深的位置，就可能在水下更广阔的区域，距离探鱼器声呐探头也就更远[7].

所以开始探鱼时，应当先用宽波找到鱼的大概区域，然后切换到窄波并重复扫描该区域几次以探测鱼的确切位置.尽管如此，扫描区域仍会出现“死角”.声呐装置会用它探测到的第1个底部位置，作为在画面上显示底部位置的基准，但是当声呐锥探测到陡坡或断层时，可能会有一个更深的区域不被显示在扫描结果上，如图3所示，该区域就是“死角”.使用窄波扫描将使显示“死角”的概率降至最低.当探测到陡坡或断层时，可以使用窄波对该区域重复扫描几次.

图3 声呐探头扫描的死角

3.4 利用低温锂电池技术提高探测续航时间

低温锂电池是一种采用特殊材料及工艺制成的，适合于0 ℃以下的寒冷环境使用，且放电容量及工作性能表现优秀，一般都要求在-40 ℃左右环境下正常工作，放电容量保持在80%以上，最低工作温度可达到-50 ℃.低温锂电池选用VGCF和比表面积在(2 000±500)m2/g的活性炭为添加剂及与其相匹配的正负极材料，注入添加特殊添加剂的特种电解液，保证锂电池的低温放电功能，同时高温70 ℃搁置24 h体积变化率≤0.5%，具有常规锂电池的安全和存储功能[9].

低温锂电池按其使用环境分为3个系列：

(1)民用低温锂电池：-20 ℃电池0.2C放电占额定容量的90%以上；-30 ℃电池0.2C放电占额定容量的85%以上.

(2)特种低温锂电池：-40 ℃电池0.2C放电占额定容量的80%以上；

(3)极端环境低温锂电池：-50 ℃时电池0.2C放电占额定容量的50%以上.

为应对低温地区冬季垂钓的低温环境，从成本及环境因素考虑声呐探头可以采用的民用低温锂电池，可以有效应对冬季声呐探鱼器探头电量下降过快的情况.

4 扫描结果分析

声呐探鱼器App界面的扫描结果会从右向左边滚动.在最右边的是最即时的扫描结果，越向左边移动则代表扫描结果越早.要注意的是，即使探鱼器没有移动，声呐扫描结果还是会在画面上继续滚动，因为探鱼器仍会不停地发送和接收声音脉冲，了解滚动显示的概念对于理解声呐扫描结果很重要.

在判读声呐扫描结果时，最容易犯的错误之一就是把一条鱼误认为好几条鱼.探鱼器抛出后，在水里有一条静止的鱼，如果这时探鱼器跟鱼都没有移动，就会在画面上显示一连串的鱼符号，直觉反应就会认为下面有5、6条大鱼，但是事实上只有一条鱼，只是滚动的显示方式让人误解[8].

如图4所示，如果对滚动显示觉得困惑，可以打开振幅示波显示(设定>声呐>振幅示波显示)，在画面的最右端就会出现一个在冰钓时使用的垂直显示方式.这个显示方式不会滚动，代表它显示的是声呐下方的即时状况.

图4 扫描界面

另外当使用者抛出探鱼器，慢慢收回同时扫描水底结构的时候，如果暂停几秒后又开始收线，最后察看扫描结果，画面显示一段稳定的斜坡，但是中间突然有一块平坦的区域(如图5所示)，那么水底到底是否有平坦部分呢？答案是没有.水平轴画面显示的其实是时间，而不是距离.这个平坦的区域是因为在暂停收线时，声呐仍不停地扫描所以画面持续滚动，于是就出现一小段平坦的扫描结果.要避免这种情况，使用者在收线时保持稳定的速度，也可以使用岸钓GPS模式或船钓模式来扫描，这两个模式使用GPS将水底的深度级别显示到地图上，因此就算拖曳速度不一致，也不会有任何影响[9].

图5 扫描结果出现平缓区域

声呐探鱼器不仅能探测水下的底部结构，还能告诉使用者水下的底部有多硬，这是因为声呐的声能脉冲除了测量返回信号所需的时间外，也同时测量强度，显示水下物体的软硬程度，如图6所示.

图6 软硬程度扫描

松软(低密度)的物体返回较弱的信号，反之，坚硬(高密度)的物体则返回较强的信号.画面显示出不同的颜色和亮度来告诉你物体的硬度：颜色越鲜明代表返回的信号越强，物体越坚硬.在探测底部结构时，这一点尤其重要.你可以注意到画面显示的底部轮廓在某些位置(坚硬的底部)变得厚又密集，然后其他位置(松软的底部)则变得薄又松散.如果画面上显示底部的第2个声呐返回，代表这区的底部非常坚硬，所以当第1波声呐脉冲返回到水面后，因为信号强，而再次反弹到底部，最后又反弹回来，于是在画面上就出现第2层的扫描结果.底部硬度的数据非常有用，也是建立整体底部结构探测图的一部分.能够区分树枝堆和岩石、泥巴底部和硬底部，对于找到目标鱼种的钓点其实非常重要.这虽然不会直接影响探鱼结果，但是观察底部硬度以及鱼出现的位置，进而了解某些鱼的习性来预测钓点，对提高垂钓技巧还是很有帮助的[10].

5 结 论

声呐探鱼器实现水下生物的识别及数据的无线可靠传输，同时以智能手机作为终端，简化大部分的硬件，提高设备的处理效率.根据天气、温度等自然情况，合理地利用声呐探鱼器的功能，可以有效解决探测“死角”；熟练掌握扫描界面的显示信息并灵活运用相关技巧，能够有效提升探测及垂钓技巧，进而扩大受众人群提高经济效益.