技術(shù)聚焦：側(cè)掃聲吶深度剖析

時(shí)間：2022-05-27作者：上海瑾瑜科學(xué)儀器有限公司瀏覽：480

雖然今天的多波束回聲測深儀具有反向散射功能，但在海底繪圖中，傳統(tǒng)的側(cè)掃聲納（Side Scan Sonar,SSS）它仍然有很多優(yōu)點(diǎn)。在過去的幾年里，側(cè)掃聲納技術(shù)發(fā)生了一系列的演變，但沒有革命性的變化。今天，我們專注于聲學(xué)成像武器側(cè)掃聲納。

側(cè)掃聲納主要用于安裝在物體和海底結(jié)構(gòu)上SSS拖魚兩側(cè)的兩個(gè)傳感器發(fā)出聲波脈沖并數(shù)字化，以獲得海底圖像。SSS沿時(shí)間線顯示回波能量強(qiáng)度，以獲得海底的連續(xù)圖像。側(cè)掃聲納可以顯示高度精細(xì)的圖像，不僅可以顯示物體的存在，還可以顯示物體的材料類別（通過強(qiáng)反射和弱反射）。

側(cè)掃聲納系統(tǒng)通常裝載在1~2米的拖魚中，一些制造商提供較小的尺寸(長度約為0.4m）的SSS該系統(tǒng)為一些不能拖動(dòng)的淺水區(qū)域設(shè)計(jì)的點(diǎn)狀側(cè)掃聲納系統(tǒng)，以及為深水圖紙準(zhǔn)備的安裝ROV／AUV上的SSS換能器。

側(cè)掃聲納和多波束測深儀

側(cè)掃聲納系統(tǒng)不提供直接的高度或深度，必須從圖像必須從圖像和深度（物體高度與拖魚高度的比例等于物體陰影長度與拖魚與陰影末端距離的比例）。一些制造商提供所謂的混合物SSS一般來說，這些系統(tǒng)利用相關(guān)的多波束測深技術(shù)產(chǎn)生全面的測深系統(tǒng)SSS圖像。側(cè)掃聲納的成像原理

相反，多波束回聲測深儀將從特殊的高精度、高分辨率波束傳感器陣列中獲得水深數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在大多數(shù)多波束系統(tǒng)也可以獲得反向散射數(shù)據(jù)。多波束反向散射和SSS不同之處在于，每個(gè)波束都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向散射值，而且SSS能產(chǎn)生(非常接近)連續(xù)信號(hào)，因此分辨率較高。

這樣，混合SSS多波束測深系統(tǒng)在高精度工作中無法替代。同樣，具有反向散射功能的多波束系統(tǒng)也無法替代搜索小物體和區(qū)分底質(zhì)類型SSS。然而，在許多工作中，無論哪個(gè)系統(tǒng)較重要，另一個(gè)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)仍然具有參考**。

量程

SSS該系統(tǒng)由一系列參數(shù)定義，其中量程和分辨率較為重要。SSS分辨率決定圖像質(zhì)量，可分為沿航跡分辨率、垂直航跡分辨率和反向散射分辨率。范圍決定SSS效率(一條線可以掃描的海底寬度)。量程實(shí)際上是SSS頻率越高，范圍越低，（GeoSide1400: 1000m@100kHz、300m@400kHz）。許多現(xiàn)代側(cè)掃聲納具有雙頻甚至三頻運(yùn)行的功能，可以獲得大量范圍（低分辨率）和小范圍（高分辨率）數(shù)據(jù)，而*切換系統(tǒng)和多跑測線。

垂直航跡分辨率

垂直航跡分辨率或量程分辨率決定了SSS兩個(gè)物體之間的較小距離可以在波束方向上看到。以前傳輸信號(hào)是CW模式，現(xiàn)在SSS傳輸是通過的FM或者CHirp信號(hào)，Chirp其主要優(yōu)點(diǎn)是考慮較大的范圍和較好的垂直航跡分辨率。

CW型SSS垂直航跡的分辨率取決于信號(hào)的脈沖長度Chirp垂直航跡的分辨率由信號(hào)的帶寬決定，**的信號(hào)脈沖較長，從而增加**能量。高頻低量程（1600kHz，35m）的Chirp型SSS，量程分辨率為亞厘米級(jí)，可獲得垂直航跡方向的圖像細(xì)節(jié)。

沿航跡分辨率

傳統(tǒng)意義上SSS沿航跡的分辨率是**聲納的水平波束角(典型的是0.2°到1.5°之間)，由有效范圍和拖動(dòng)速度決定。小波束角可以在短范圍內(nèi)檢測到航跡旁邊的小物體。鑒于在搜索物體時(shí)經(jīng)常需要**全覆蓋海底，NOAA規(guī)范指出，一米見方的物體至少需要掃描三次，導(dǎo)致一米見方的物體至少需要掃描三次SSS在這個(gè)速度下，會(huì)有較大限速，SSS連續(xù)波束/可用于拖動(dòng)ping對(duì)于常規(guī)物體，探測到相當(dāng)遠(yuǎn)的物體SSS就系統(tǒng)而言，這個(gè)速度在于4-5節(jié)。

多波束和多ping

如果能從物體上收到更多的回波，就有可能提高拖動(dòng)速度。SSS制造商使用兩種不同的解決方案來提高拖動(dòng)速度。例如，采用多波束技術(shù)SSS在一側(cè)使用5個(gè)波束，沿航跡方向的分辨率可以提高5倍，從而允許較高的拖動(dòng)速度；二是使用更多ping技術(shù)，CW型SSS無法實(shí)現(xiàn)但是Chirp如果在水中有兩個(gè)確定的量程，可以滿足型號(hào)。ping，所以有效的拖動(dòng)速度也可以提高兩倍?，F(xiàn)代多波束SSS或者多pingSSS該系統(tǒng)可在12節(jié)船速下使用。

反向散射分辨率

決定數(shù)字系統(tǒng)圖像質(zhì)量的最后一個(gè)參數(shù)是將接收到的聲學(xué)信號(hào)數(shù)字化為可用數(shù)字信號(hào)的水平。SSS數(shù)據(jù)是在紙上收集的，所以數(shù)字化沒有用。SSS拖魚數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)铰暭{處理器進(jìn)行數(shù)字化處理。要實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)字化，必須有A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，A/D對(duì)于現(xiàn)代，轉(zhuǎn)換器的數(shù)字位數(shù)決定了細(xì)節(jié)的可識(shí)別性SSS就信號(hào)獲取而言，在12到28之間，雖然它看起來很低，但我們應(yīng)該知道一個(gè)24位SSS能夠獲取**過1600萬不同的灰度陰影，而12位的“僅僅”能捕獲4096個(gè)。相比之下，一臺(tái)現(xiàn)代數(shù)字照相機(jī)每一個(gè)顏色通道大約在12到16位之間。

附加功能

所有的SSS會(huì)提供反向散射圖像，畢竟這是SSS主要用途。不同的系統(tǒng)會(huì)有不同的分辨率和范圍，這就是制造商區(qū)分他們的產(chǎn)品的原因。較終，附加功能的數(shù)量很可能會(huì)讓客戶下定決心。一些有趣的選擇包括運(yùn)動(dòng)傳感器、羅經(jīng)和高度或深度傳感器，它們集成在一起SSS在拖魚上，可以糾正拖魚的姿勢，微調(diào)拖魚的深度。SSS運(yùn)動(dòng)傳感器可以在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定波束，以保持波束穿過海底時(shí)的連續(xù)性；有些SSS拖魚包括水溫傳感器，可實(shí)時(shí)獲得周圍聲速；SSS配備可選拖動(dòng)支架，同時(shí)拖動(dòng)磁力儀；還有一些SSS地球物理調(diào)查工作集成了淺層剖面儀的功能，可以在一次航行中完成。

有趣的功能是填縫，可以覆蓋SSS正下方-常規(guī)SSS無法掃描的地方。理論上，這種填縫可以提供海底全景圖，并可以顯著減少SSS測量軌道間的重疊率。


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