侧扫声纳

侧扫声纳技术。

侧扫声纳技术起源于20 世纪50 年代末,现在已成为广泛应用的海底成像技术。自60 年代英国海洋研究所推出第一个实用型侧扫声纳系统以来,各种类型的侧扫声纳系统(魏建江等, 1997 ; Flemming , 1982 ; Asplin et al. , 1998 ; Klein , 1985 ; Reedl et al. , 1989) 纷纷问世。侧扫声纳技术运用海底地物对入射声波反向散射的原理来探测海底形态,侧扫声呐技术能直观地提供海底形态的声成像,在海底测绘、海底地质勘测、海底工程施工、海底障碍物和沉积物的探测,以及海底矿产勘测等方面得到广泛应用。根据声学探头安装位置的不同,侧扫声纳可以分为船载和拖体两类。船载型声学换能器安装在船体的两侧,该类侧扫声纳工作频率一般较低(10 kHz 以下),扫幅较宽。探头安装在拖体内的侧扫声纳系统根据拖体距海底的高度还可分为两种:离海面较近的高位拖曳型和离海底较近的深拖型。高位拖曳型侧扫系统的拖体在水下100 m 左右拖曳,能够提供侧扫图像和测深数据,航速较快(8 kn) 。多数拖体式侧扫声呐系统为深拖型,拖体距离海底仅有数十米,位置较低,航速较低,但获取的侧扫声纳图像质量较高,侧扫图像甚至可分辨出十几厘米的管线和体积很小的油桶等,最近有些深拖型侧扫声纳系统也开始具备高航速的作业能力,10 kn 航速下依然能获得高清晰度的海底侧扫图像。

现在的侧扫声纳技术有两个缺点,首先它的横向分辨率取决于声纳阵的水平角宽,分辨率随距离的增加而线性增大,其次它给不出海底的准确深度。当前只有两种声纳可做海底三维成像,即等深线成像和反向散射声成像,前一种是多波束测深声纳(如Multi -beam Sonar System) ,后一种是测深侧扫声纳。总体说来,前者适宜于安装在船上做大面积测量,后者适宜于安装在各类水下载体上,包括拖体、水下机器人(AUV) 、遥控潜水器( ROV ) 和载人潜水器(HUV) ,进行细致的测量。侧扫声成像技术是一种重要的声成像技术。声纳线阵向左右两侧发射扇型波束,在水平面内波束角宽比较窄,一般1～ 2°,垂直平面内的波束角宽比较宽, 一般为40 ～ 60°。海底反向散射信号依时间的先后被声纳阵接收。有目标时信号较强,目标后面声波难以到达, 产生影区。声纳阵随水下载体不断前进,在前进过程中声纳不断发射,不断接收,记录逐行排列,构成声像,这就是目前在海底探测中广泛使用的侧扫声纳的声成像,称为二维声成像,它给不出海底的高度。这种声像只能由目标影子长度等参数估计目标的高度,精度不高。在水下载体每侧布设两个以上的平行线阵,估计平行线阵间的相位差以获得海底的高度,称之为海底的三维声成像。一般的三维声成像是以付氏变换为基础的,它的分辨率比较低,不能区分从不同方向同时到达的回波。测深侧扫声纳技术经历了三个发展阶段,第一阶段的技术为声干涉技术,它的分辨率低;第二阶段的技术为差动相位技术,它的分辨率高,但只能同时测量一个目标,因此不能测量复杂的海底,不能在出现多途信号的情况下工作;第三阶段的技术即为高分辨率三维声成像技术,应用子空间拟合法,它的分辨率高,能同时测量多个目标,可以在复杂的海底和多途信号严重的情况下工作,并能同时获得信号的幅度和相位。侧扫声纳技术进一步发展的方向有两个,一个是发展测深侧扫声纳技术,它可以在获得海底形态的同时获得海底的深度;另一个是发展合成孔径声纳技术,它的横向分辨率理论上等于声纳阵物理长度的一半,不随距离的增加而增大。

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