侧扫声纳

旁侧声纳或海底地貌仪

接收到的信号通过拖缆传到甲板上的显示单元，该系统非常适合寻找水下小型的或者怕碰的目标，可以用于寻找古董、残骸、航海日志、溺水人员等目标，也可以用来寻找大型的目标沉船，也应用在法律取证、潜水救援以及军事单位。

定义

侧扫声纳，是一款价格实惠的双通道高分辨率的数码侧扫声纳，主要面向运动潜水市场，可直接通过笔记本或台式电脑控制，只要连接上一个GPS接收器，就能获知经度和纬度坐标。

声纳介绍

侧扫声纳亦称“旁侧声纳”或“海底地貌仪”。利用回声测深原理探测海底地貌和水下物体的设备。其换能器阵装在船壳内或拖曳体中，走航时向侧下方发射扇形波束的声脉冲。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°，以保持较高分辨率;垂直于航线方向束宽较宽，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，换能器阵接收来的自照射区各点的反向散射信号，经放大、处理和记录，在记录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，根据影区的长度估算目标的高度。侧扫声纳的工作频率，通常为数十千赫到数百千赫，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，拖曳体的工作航速为3—6节，最高可达16节。

系统组成

侧扫声纳系统包括两个子系统，甲板系统、拖鱼系统，如图《侧扫声纳的组成》所示侧扫声纳的组成。

甲板系统包括：声纳处理器（声纳工作站）、声纳接收机、记录器。

声纳处理器包括：计算机、数据采集控制器，扩展输入和输出接口板、采集控制卡、智能通信接口卡、显示器、轨道球、键盘，光盘驱动器、软件仓等组成。

声纳接收机包括：GPS接收机，四通道侧扫接收机，测高接收机等组成。

拖鱼系统包括：电缆绞车、吊杆、滑轮、拖缆（同轴拖缆或光纤拖缆）、拖鱼。

拖鱼包括：四路侧扫发射机，测高发射机，双频换能器线阵（左、右各一个换能器线阵）、测高换能器（在拖鱼底部测量拖鱼至海底的高度）。

工作原理

1、侧扫声纳是水下搜索、水下考察等一项重要的有力的工具，它能不受水体可见度的影响而快速覆盖大面积水域“看”到水下情况。每边旁扫通过向水底发射声纳，反射后被拖鱼接收形成声纳影象来发现水下物体。接收到的信号通过拖缆传到甲板上的显示单元。

2、显示单元显示的是高分辨率的海底或湖底或河底或位于底部其他物体的声纳影像。声纳的声波是通过安装在两边的拖鱼发射并接收的。换能器的分辨率决定于发射声波的频率。

3、旁扫是以较低的频率来得到较大的扫描范围，但是精度要低。高频系统可以得到较高的精度，但是扫描范围较小。双频旁扫同时拥有高频和低频换能器，这样可以得到较大范围同时分辨率较高的图像。

如图《侧扫声纳工作基本原理》所表示的安装在拖鱼中的左、右两侧换能器线阵具有扇形指向性，在航线的垂直平面为垂直开角θV，在航线的水平面内为水平开角θL。当换能器发射一个声脉冲时，换能器左、右两侧各照射到一窄梯形海底，如图梯形ABCD，靠近换能器的梯形AB小于离开远的梯形边CD，发射声波以球面波形式传播，声波能及海底后其反射波沿原路线返回到换能器，距离近的回波先到达换能器，距离远的回波迟后到达换能器，声回波是时间较长的脉冲串，在设备终端的显示器或记录器上形成一条扫描线，换能器随船前进，换能器按侧扫距离所确定地时间间隔进行发射和接收声脉冲，并将每次声脉冲形成的扫描线，向前排列组成二维海底地貌声图，每条扫描线依据海底底质性质、及海底起伏形态，其灰度强弱变化，使二维声图由灰度强弱变化而显示出海底起伏形态变化，以及海底底质变化。

工作流程

侧扫声纳系统以选择的频率和侧扫距离使计算机发出一个同步信号，通知各分机开始工作；同步信号同时传到发射机、接收机和采集控制卡。发射机、接收机和采集控制卡同时开始工作。发射机驱动两路侧扫换能器和一路测高换能器发射声脉冲，在脉冲间歇时间内，声波以球面波形式扩散传播，触及海底后反射声波沿原路线返回到换能器，换能器把接收到的声信号转换成电信号，通过前置放大器的放大以及驱动以后，通过拖缆经绞车的电滑环，通过甲板电缆送到接收机并经过信号处理之后，接收的信号传到采集控制卡进行A/O转换，采集控制卡按照预先选择设置的侧扫距离完成一线数据采集，在此采集过程中GPS信号连续传入通信接口卡，并存放在存储器中，采集控制卡采集数据结束时通知计算机，由计算机进行取数，当计算机取得一线数据后，再从通信接收卡的存储器中取出航向、航速、经纬度等参数，取数完毕后，即发下一个同步信号，这时发射机、接收机等分机进入下一个工作周期。同时计算机处理前一线的侧扫数据，并把侧扫数据及参数显示在显示器上，如果连接记录器，并处于工作状态，计算机就向记录器传输侧扫数据，形成声图的硬拷贝。

按以上所输过的系统工作流程进行周期循环工作，并在显示器上和记录器上形成声图反映各种目标图像。计算机每取完一定数量的侧扫声纳数据，就把侧扫数据存入光盘，以便保存及回放。

声图判释

1.声图图像可分成四类：目标图像、海底地貌图像、水体图像和干扰图像。目标图像包括：沉船、沉雷、礁石、海底管线、鱼群，以及水中各种碍航物和构筑物的图像。

海底地貌图像包括：海底起伏形态图像、海底底质类型分布图像。

水体图像包括：水体散射、温度跃层，尾流、水面反射等图像。

干扰图像包括：拖鱼横向、纵向和首向摇摆的干扰图像、海底和水体的混响干扰图像，各种电气仪器及交流电产生的干扰图像。声图各类图像的分类典型图像，可参阅丛鸿文编著的“侧扫声典型声图集”。

2.声图判读特征：

声图分为两类：黑白声图和假彩声图。

声图图像与其相应显示的形状、大小、色调、阴影、纹形、布局和位置等特征有着密切关系。因此，声图可以根据图像的判读特征来判读图像属于哪一类图像。声图图像判读需要训练过程，具备一定的基础知识及基本经验才能对声图有判读能力。

现状与发展

20世纪60年代初期侧扫声纳首先应用海洋地质调查，对海底进行详细的地质环境测绘，确定海底地貌类型，探测海底沉积物的移动路径，以及探测其移动路径上的不稳定底床形态的带状分布。从探测结果的声图上认识了海底形态及其变化趋势，如沙波、沙带、海沟、海岭、海峡、海底塌方、海底火山等类型地貌形态及其变化趋势，随之侧扫声纳在海道测量，疏浚港口，港湾工程、锚地探测、水利勘察、生态环境调查、海洋调查等等应用方面得到广泛应用，都取得了明显的效果。从70年代以来，侧扫声纳已成为从事海洋工作的必需的仪器装备。

纵观各类型侧扫声纳都各有其特点，其性能发展特点是：以PC技术为基础；数字化代替了模拟化图像处理；计算机工作站使终端具有显示器和记录器的图像显示，提高了成像质量，而且与GPS连接可实施导航定位，功能更为齐全；软件逐渐丰富；换能器线性调频脉冲技术的应用减小旁瓣效应和通道间互相交扰，光盘存储容量大，便于回放资料分析和处理。

水下障碍扫测

扫测是扫床（河床或海床）测量的简称，它是水深测量的一种特殊形式。

采用常规的方法获取水深数据，只能用回声测深仪逐线逐点测量或用机械的扫测工具扫测。用回声测深仪测量时，测深断面与断面之间、测点与测点之间无论间距多小总存在一定的缝隙，不能保证对测区每一块暗礁、每个碍航浅点等面积很小的障碍物没有遗漏。但这些障碍物对船舶航行来说，却是很大的事故隐患。由于扫测能较精确地测绘出区内的水底地貌及水下障碍物的位置，所以在海上、内河、港口等工程测量中得到广泛应用。机械式（软扫、硬扫）扫测较普通，但工作效率低。发展方向主要以声学扫测技术为主。

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