侧扫声呐概述

侧扫声呐概述侧扫声呐是由Side-ScanSonar一词意译而来，国内也叫旁扫声呐、旁视声呐。国外从五十年代起开始应用，到七十年代已在海洋开发等方面得到了广泛的使用，我国从七十年代开始组织研制侧扫声呐，经历了单侧悬挂式、双侧单频拖曳式、双侧双频拖曳式等发展过程。由中科院声学所研制并定型生产的CS-1型侧扫声呐，其主要性能指标已达到了世界先进水平。侧扫声呐有许多种类型，根据发射频率的不同，可以分为高频、中频和低频侧扫声呐；根据发射信号形式的不同，可以分为CW脉冲和调频脉冲侧扫声呐；另外，还可以划分为舷挂式和拖曳式侧扫声呐，单频和双频侧扫声呐，单波束和多波束等。波束平面垂直于航行方向，沿航线方向束宽很窄,开角一般小于2°,以保证有较高分辨率；垂直于航线方向的束宽较宽，开角约为20°～60°，以保证一定的扫描宽度。工作时发射出的声波投射在海底的区域呈长条形，换能器阵接收来自照射区各点的反向散射信号，经放大、处理和记录，在记录条纸上显示出海底的图像。回波信号较强的目标图像较黑，声波照射不到的影区图像色调很淡，根据影区的长度可以估算目标的高度。侧扫声呐的工作频率通常为几十千赫到几百千赫，声脉冲持续时间小于1毫秒，仪器的作用距离一般为300～600米，拖曳体的工作航速3～6节,最高可达16节。侧扫声呐近程探测时仪器的分辨率很高,能发现150米远处直径5厘米的电缆。用于深海地质调查的远程侧扫声呐工作频率为数千赫，探测距离超过20公里。进行快速大面积测量时，仪器使用微处理机对声速、斜距、拖曳体距海底高度等参数进行校正，得到无畸变的图象，拼接后可绘制出准确的海底地形图。从侧扫声呐的记录图象上，能判读出泥、沙、岩石等不同底质。利用数字信号处理技术获得的小视野放大图象能分辨目标的细节。1侧扫声呐基本工作原理工作原理示意图如图1和图2所示。左、右两条换能器具有扇形指向性。在航线的垂直平面内开角为ΘV，水平面内开角为ΘH。当换能器发射一个声脉冲时，可在换能器左右侧照射一窄梯形海底，如图左侧为梯形ABCD，可看出梯形的近换能器底边AB小于远换能器底边CD。当声脉冲发出之后，声波以球面波方式向远方传播，碰到海底后反射波或反向散射波沿原路线返回到换能器，距离近的回波先到达换能器，距离远的回波后到达换能器，一般情况下，正下方海底的回波先返回，倾斜方向的回波后到达。这样，发出一个很窄的脉冲之后，收到的回波是一个时间很长的脉冲串。硬的、粗糙的、突起的海底回波强，软的、平坦的、下凹的海底回波弱。被突起海底遮挡部分的海底没有回波，这一部分叫声影区。这样回波脉冲串各处的幅度就大小不一，回波幅度的高低就包含了海底起伏软硬的信息。一次发射可获得换能器两侧一窄条海底的信息，设备显示成一条线。在工作船向前航行，设备按一定时间间隔进行发射/接收操作，设备将每次接收到的一线线数据显示出来，就得到了二维海底地形地貌的声图。声图以不同颜色（伪彩色）或不同的黑白程度表示海底的特征，操作人员就可以知道海底的地形地貌。图一图二2侧扫声呐主要性能指标侧扫声呐的主要性能指标包括工作频率、最大作用距离、波束开角、脉冲宽度及分辨率等，这些指标都不是独立的，它们之间相互都有联系。侧扫声呐的工作频率基本上决定了最大作用距离，在相同的工作频率情况下，最大作用距离越远，其一次扫测覆盖的范围就越大，扫测的效率就越高。脉冲宽度直接影响了分辨率，一般来说，宽度越小，其距离分辩率就越高。水平波束开角直接影响水平分辨率，垂直波束开角影响侧扫声呐的覆盖宽度，开角越大，覆盖范围就越大，在声呐正下放的盲区就越小。只要了解了这些指标，侧扫声呐的性能就大致知道了。3侧扫声呐基本系统组成和功能侧扫声呐基本系统的组成一般包括工作站、绞车、拖鱼、热敏记录器或打印机（可选件）、GPS接收机（可选件）及其它外部设备等。3.1工作站工作站是侧扫声呐的核心，它控制整个系统的工作，具有数据接收、采集、处理、显示、存储及图形镶嵌、图象处理等功能。它由硬件和软件两部分组成，硬件主要包括一台高性能的主计算机及接收机，软件包括系统软件和应用软件。3.2绞车与拖曳电缆绞车是侧扫声呐必不可少的设备，由绞车和吊杆两部分组成，其主要的作用是对拖鱼进行拖曳操作。绞车有电动、手动和液压等几种型号，它们各有利弊，可以根据实际的使用环境来选择。一般在浅海小船作业时，可以选择手动绞车，体积小，质量轻，搬运比较方便，而且不需要电源。在深海大船使用时，可以选择电动或液压的绞车，液压绞车收放比较方便，但价格一般都比较贵，电动绞车在性能价格比上有一定的优势。拖曳电缆安装在绞车上,其一头与绞车上的滑环相连,另一头与侧扫声呐的鱼体相连。拖缆有两个作用，第一是对拖鱼进行拖曳操作，保证拖鱼在拖曳状态下的安全；第二是通过电缆传递信号。拖缆有两种类型，强度增强的多芯轻型电缆和铠装电缆。沿岸比较浅的海区，一般使用轻型电缆，其长度从几十米到一百多米左右。轻型电缆便于甲板上的操作，可由一个人搬动。其负荷一般在400－1000Kg之间，取决于内部增强芯的尺寸。铠装电缆用于较深的海区，大部分侧扫声呐铠装电缆是“力矩平衡”的“双层铠装”，这意味着铠装电缆具有两层反方向螺旋绕成的金属套，铠装层可以水密，也可以不水密，由铠装的材料来决定。不管铠装层水不水密，导线还得由绝缘层来水密。3.3拖鱼侧扫声呐的拖鱼是一个流线型稳定拖曳体，它由鱼前部和鱼后部组成。鱼前部由鱼头、换能器舱和拖曳钩等部分组成；鱼后部由电子舱、鱼尾、尾翼等部分组成。尾翼用来稳定拖鱼，当它被鱼网或障碍物挂住时可脱离鱼体，收回鱼体后可重新安装尾翼。拖曳钩用于连接拖缆和鱼体的机械连接和电连接。根据不同的航速和拖缆长度，把拖鱼放置在最佳工作深度。3.4GPS接收机GPS接收机是侧扫声呐的外部设备，主要是为侧扫声呐数据提供定位数据，用户可以根据需要，配置不同型号和不同功能的GPS，系统留有标准接口，可以方便地与有NMEA-0183标准接口的定位设备连接。4应用特点编辑1、STARFISH侧扫声纳在海底调查领域的最新发展英国Tritech公司宣布推出全新高性能侧扫声纳系统StarFish450H。高性价比、高效能、船体固定式侧扫声纳系统为你呈现出壮观的海底图像。StarFish450H系统采用了超薄设计，灵活安装固定支架使其可以固定在任何船只底部，在任何航行过程中都可随时观察有趣的海底目标。2、换能器安装在船底，使用5m（16ft）或20m（65ft）拖拽电缆航速2—5节声纳测量范围100m（320ft）显示海底微小目标（如电缆或锚链）可测量微小到2.5cm（1”）的物体船体固定式侧扫声纳操作非常安全简便，无须担心在浅水或急流区域应用时拖缆被刮坏或绞断的发生。3、系统简单易操作是满足任何想捕获海底图像完成对海底勘察工作者的理想工具。利用先进的数字CHIRP声学技术结合水下调查行业的专业经验，StarFish450H侧扫声纳可以在不牺牲图像质量的情况下在更长的作业区域进行海底目标物扫描。4、StarFish450H固定式侧扫声纳即插即用，通过USB接口与您的PC机连接。简单的一次性安装到船只上，你即刻具有在每次航行中时时捕获海底数字图像的能力。StarFish450H操作简单，软件界面友好让海底图像轻松清晰呈现。