側(cè)掃聲吶概述

1、側(cè)掃聲吶概述 側(cè)掃聲吶是由Side-Scan Sonar一詞意譯而來，國內(nèi)也叫旁掃聲吶、旁視聲吶。國外從五十年代起開始應(yīng)用，到七十年代已在海洋開發(fā)等方面得到了廣泛的使用，我國從七十年代開始組織研制側(cè)掃聲吶，經(jīng)歷了單側(cè)懸掛式、雙側(cè)單頻拖曳式、雙側(cè)雙頻拖曳式等發(fā)展過程。由中科院聲學(xué)所研制并定型生產(chǎn)的CS-1型側(cè)掃聲吶，其主要性能指標(biāo)已達到了世界先進水平。 側(cè)掃聲吶有許多種類型，根據(jù)發(fā)射頻率的不同，可以分為高頻、中頻和低頻側(cè)掃聲吶；根據(jù)發(fā)射信號形式的不同，可以分為CW脈沖和調(diào)頻脈沖側(cè)掃聲吶；另外，還可以劃分為舷掛式和拖曳式側(cè)掃聲吶，單頻和雙頻側(cè)掃聲吶，單波束和多波束等。 波束平面垂直于航行方向，沿航

2、線方向束寬很窄,開角一般小于2,以保證有較高分辨率；垂直于航線方向的束寬較寬，開角約為2060，以保證一定的掃描寬度。工作時發(fā)射出的聲波投射在海底的區(qū)域呈長條形，換能器陣接收來自照射區(qū)各點的反向散射信號，經(jīng)放大、處理和記錄，在記錄條紙上顯示出海底的圖像?；夭ㄐ盘栞^強的目標(biāo)圖像較黑，聲波照射不到的影區(qū)圖像色調(diào)很淡，根據(jù)影區(qū)的長度可以估算目標(biāo)的高度。 側(cè)掃聲吶的工作頻率通常為幾十千赫到幾百千赫，聲脈沖持續(xù)時間小于1毫秒，儀器的作用距離一般為300600米，拖曳體的工作航速36節(jié),最高可達16節(jié)。側(cè)掃聲吶近程探測時儀器的分辨率很高,能發(fā)現(xiàn)150米遠處直徑 5厘米的電纜。用于深海地質(zhì)調(diào)查的遠程側(cè)掃聲吶

3、工作頻率為數(shù)千赫，探測距離超過20公里。進行快速大面積測量時，儀器使用微處理機對聲速、斜距、拖曳體距海底高度等參數(shù)進行校正，得到無畸變的圖象，拼接后可繪制出準(zhǔn)確的海底地形圖。從側(cè)掃聲吶的記錄圖象上，能判讀出泥、沙、巖石等不同底質(zhì)。利用數(shù)字信號處理技術(shù)獲得的小視野放大圖象能分辨目標(biāo)的細(xì)節(jié)。1 側(cè)掃聲吶基本工作原理 工作原理示意圖如圖1和圖2所示。左、右兩條換能器具有扇形指向性。在航線的垂直平面內(nèi)開角為V，水平面內(nèi)開角為H。當(dāng)換能器發(fā)射一個聲脈沖時，可在換能器左右側(cè)照射一窄梯形海底，如圖左側(cè)為梯形ABCD，可看出梯形的近換能器底邊AB小于遠換能器底邊CD。當(dāng)聲脈沖發(fā)出之后，聲波以球面波方式向遠方傳

4、播，碰到海底后反射波或反向散射波沿原路線返回到換能器，距離近的回波先到達換能器，距離遠的回波后到達換能器，一般情況下，正下方海底的回波先返回，傾斜方向的回波后到達。這樣，發(fā)出一個很窄的脈沖之后，收到的回波是一個時間很長的脈沖串。硬的、粗糙的、突起的海底回波強，軟的、平坦的、下凹的海底回波弱。被突起海底遮擋部分的海底沒有回波，這一部分叫聲影區(qū)。這樣回波脈沖串各處的幅度就大小不一，回波幅度的高低就包含了海底起伏軟硬的信息。一次發(fā)射可獲得換能器兩側(cè)一窄條海底的信息，設(shè)備顯示成一條線。在工作船向前航行，設(shè)備按一定時間間隔進行發(fā)射/接收操作，設(shè)備將每次接收到的一線線數(shù)據(jù)顯示出來，就得到了二維海底地形地貌

5、的聲圖。聲圖以不同顏色（偽彩色）或不同的黑白程度表示海底的特征，操作人員就可以知道海底的地形地貌。圖一圖二2 側(cè)掃聲吶主要性能指標(biāo) 側(cè)掃聲吶的主要性能指標(biāo)包括工作頻率、最大作用距離、波束開角、脈沖寬度及分辨率等，這些指標(biāo)都不是獨立的，它們之間相互都有聯(lián)系。側(cè)掃聲吶的工作頻率基本上決定了最大作用距離，在相同的工作頻率情況下，最大作用距離越遠，其一次掃測覆蓋的范圍就越大，掃測的效率就越高。脈沖寬度直接影響了分辨率，一般來說，寬度越小，其距離分辯率就越高。水平波束開角直接影響水平分辨率，垂直波束開角影響側(cè)掃聲吶的覆蓋寬度，開角越大，覆蓋范圍就越大，在聲吶正下放的盲區(qū)就越小。只要了解了這些指標(biāo)，側(cè)掃聲

6、吶的性能就大致知道了。 3 側(cè)掃聲吶基本系統(tǒng)組成和功能 側(cè)掃聲吶基本系統(tǒng)的組成一般包括工作站、絞車、拖魚、熱敏記錄器或打印機（可選件）、GPS接收機（可選件）及其它外部設(shè)備等。 3.1 工作站 工作站是側(cè)掃聲吶的核心，它控制整個系統(tǒng)的工作，具有數(shù)據(jù)接收、采集、處理、顯示、存儲及圖形鑲嵌、圖象處理等功能。它由硬件和軟件兩部分組成，硬件主要包括一臺高性能的主計算機及接收機，軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 3.2 絞車與拖曳電纜 絞車是側(cè)掃聲吶必不可少的設(shè)備，由絞車和吊桿兩部分組成，其主要的作用是對拖魚進行拖曳操作。絞車有電動、手動和液壓等幾種型號，它們各有利弊，可以根據(jù)實際的使用環(huán)境來選擇。一般在淺

7、海小船作業(yè)時，可以選擇手動絞車，體積小，質(zhì)量輕，搬運比較方便，而且不需要電源。在深海大船使用時，可以選擇電動或液壓的絞車，液壓絞車收放比較方便，但價格一般都比較貴，電動絞車在性能價格比上有一定的優(yōu)勢。 拖曳電纜安裝在絞車上,其一頭與絞車上的滑環(huán)相連,另一頭與側(cè)掃聲吶的魚體相連。拖纜有兩個作用，第一是對拖魚進行拖曳操作，保證拖魚在拖曳狀態(tài)下的安全；第二是通過電纜傳遞信號。 拖纜有兩種類型，強度增強的多芯輕型電纜和鎧裝電纜。沿岸比較淺的海區(qū)，一般使用輕型電纜，其長度從幾十米到一百多米左右。 輕型電纜便于甲板上的操作，可由一個人搬動。其負(fù)荷一般在4001000 Kg之間，取決于內(nèi)部增強芯的尺寸。鎧裝

8、電纜用于較深的海區(qū)，大部分側(cè)掃聲吶鎧裝電纜是“力矩平衡”的“雙層鎧裝”，這意味著鎧裝電纜具有兩層反方向螺旋繞成的金屬套，鎧裝層可以水密，也可以不水密，由鎧裝的材料來決定。不管鎧裝層水不水密，導(dǎo)線還得由絕緣層來水密。3.3 拖魚 側(cè)掃聲吶的拖魚是一個流線型穩(wěn)定拖曳體，它由魚前部和魚后部組成。魚前部由魚頭、換能器艙和拖曳鉤等部分組成；魚后部由電子艙、魚尾、尾翼等部分組成。尾翼用來穩(wěn)定拖魚，當(dāng)它被魚網(wǎng)或障礙物掛住時可脫離魚體，收回魚體后可重新安裝尾翼。拖曳鉤用于連接拖纜和魚體的機械連接和電連接。根據(jù)不同的航速和拖纜長度，把拖魚放置在最佳工作深度。 3.4 GPS接收機GPS接收機是側(cè)掃聲吶的外部設(shè)備

9、，主要是為側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)提供定位數(shù)據(jù)，用戶可以根據(jù)需要，配置不同型號和不同功能的GPS，系統(tǒng)留有標(biāo)準(zhǔn)接口，可以方便地與有NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)接口的定位設(shè)備連接。4 應(yīng)用特點編輯1、STARFISH側(cè)掃聲納在海底調(diào)查領(lǐng)域的最新發(fā)展英國Tritech公司宣布推出全新高性能側(cè)掃聲納系統(tǒng)StarFish 450H。高性價比、高效能、船體固定式側(cè)掃聲納系統(tǒng)為你呈現(xiàn)出壯觀的海底圖像。StarFish 450H系統(tǒng)采用了超薄設(shè)計，靈活安裝固定支架使其可以固定在任何船只底部，在任何航行過程中都可隨時觀察有趣的海底目標(biāo)。2、換能器安裝在船底，使用5m（16ft）或20m（65ft）拖拽電纜航速25節(jié)聲納測量范圍100m（320ft）顯示海底微小目標(biāo)（如電纜或錨鏈）可測量微小到2.5cm（1”）的物體 船體固定式側(cè)掃聲納操作非常安全簡便，無須擔(dān)心在淺水或急流區(qū)域應(yīng)用時拖纜被刮壞或絞斷的發(fā)生。3、系統(tǒng)簡單易操作是滿足任何想捕獲海底圖像完成對海底勘察工作者的理想工具。利用先進的數(shù)字CHIRP聲學(xué)技術(shù)結(jié)合水下調(diào)查行業(yè)的專業(yè)經(jīng)驗，StarFish 450H側(cè)掃