知识窗▏侧扫声呐系统及其作业应用

侧扫声呐是由Side-Scan Sonar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。侧扫声呐主要用于海底面状况的探测，用于出露于海床面以上的海底目标探测，它具有较高的分辨率，能较准确地判别海底目标特征，探明障碍物的形状、大小、出露高度、大致性质和海底底质类型概况。目前，侧扫声呐技术在航行障碍物探测方面已达到很高的水平。

一、基本工作原理

侧扫声呐系统是基于回声探测原理进行水下目标探测的，通过系统的换能器基阵以一定的倾斜角度、发射频率、向海底发射具有指向性的宽垂直波束角和窄水平波束角的脉冲超声波，声波传播至海底或海底目标后发生反射和散射，又经过换能器的接收基阵接收海底的反射和散射波，再经过水上仪器的处理用显示装置显示、记录器储存和纸质打印。如下图所示。

由于海底的凸凹不平使得海底或海底目标有的地方被声波照射，有的地方没有被声波照射，反映到记录纸上就是有的地方为黑色，有的地方为白色(目标阴影)，类似照相机的摄影照片底版，也就反映出海底的地貌状况。侧扫声呐根据海底目标反射的回波的强弱、次数、时间间隔换算到仪器记录针在记录纸划线的长短、黑度变化，多次发射接收形成侧扫声呐声图，从图中可反映海底的地貌状况（海底地物形状、高度、相对位置关系）。下图为探测到的海底出露岩礁的侧扫实时声图。现有多数设备增加了匹配滤波数字信号技术（Chirp技术）和图象处理技术，以增强信号的抗干扰、滤波和视觉效果，便于海底目标的识别和判定。

二、系统分类及主要性能指标

⒈ 系统分类

侧扫声呐系统按探测换能器的配置分为单侧和双侧两种，单侧测扫声呐仅探测沿测量船航迹某一侧海域的地貌；双侧测扫声呐能够探测沿测量船航迹两侧海域的地貌；目前使用的大多是双侧侧扫声呐系统。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。

⒉ 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。

三、测线布设

⒈ 测线布设方向

大面积扫海时方向应相互平行。并使扫海方向尽量满足：平行于测区风流方向、平行于扫海区域的长边、平行于测区等深线走向、平行于航道走向等。

⒉ 重叠带计算

侧扫声呐扫海重叠宽度计算公式为：

S₀=

其中: E₀-测量船定位中误差

m₁-由测量船测定拖鱼位置的定位中误差

m₂-定位点中误差

E₁-测量船偏航系统误差

采用DGPS定位和侧扫声呐工作方式结合，其重叠宽度一般在15m左右。

⒊测线布设间隔

⑴根据任务要求、成图比例尺、水深及仪器指标要求确定侧扫量程挡，并根据侧扫量程挡结合重叠带宽度选择测线间隔。粗扫时可采用大量程挡探测，精扫时应采用小量程挡探测。

⑵设计测线间距应为D≤2nR，(D为测线间距，R为侧扫量程挡，系数n的取值依据定位精度而定，一般取值范围为0.5～0.8)。

⑶侧扫量程挡选择与设备的开角及区域水深相关，按常规侧扫仪器开角160°计算，一般选择侧扫量程挡为水深的6倍为宜，当侧扫量程挡过大会降低目标的分辨率。

⑷在每次测量过程中，至少布设1条跨越整个测区与多数测线相交的检查线。

四、作业要求

⑴为了得到良好的图像记录结果，必须按照系统的技术要求，保持拖曳航速在4～6节之间，拖鱼距海底的高度在所选量程（斜距）的10～15%左右，按照工作海域的水深和扫测要求，选择适当的拖鱼高度和量程，按照选择的量程计算水平距离。

⑵侧扫声呐拖鱼的安装可选择侧悬挂方式或拖曳方式二种，侧悬挂方式安装应使拖鱼放深大于作业船只吃水1m，拖曳方式安装应使拖鱼离海底高度为量程挡的10％～15％，海底起伏较大的水域，应留有适当的余地。各项参数的设定以确保探测过程能够得到面貌清晰的海底声呐图谱为原则。

⑶设计时确定的测量船速、施放拖曳电缆长度、换能器离海底高度、仪器工作量程的范围、发射脉冲宽度、走纸速度、近端盲区宽度、远端最大斜距（或平距）、测线方向等，在扫海实施时不得随意变动。

⑷选择水体噪音小，海底线清晰的通道作为底跟踪通道。通常自动海底跟踪可选在20～50%，将锁定条置于略小于当前拖鱼的实际高度值，实现自动跟踪。

⑸调整各通道的时变增益（TVG），使每一侧通道的远区和近区的灰度基本一致。并调整接收增益值。

五、作业方式

用侧扫声呐扫海，一般可采用粗扫和精扫两种方式。粗扫又称为搜索性扫海，其目的是初步探测目标的位置、高度、形状和走向。精扫，根据粗扫发现目标进行的进一步探测，用于精确测定目标的位置、高度、形状和走向。

由粗扫发现的目标，或扫海趟分辨力低的近端发现的目标，以及有疑问又不能决定舍弃的目标，均须进行精扫测以探明目标位置、范围、走向和高度。

侧扫声呐实现了波束空间的粗略定向，显示海底目标的相对回波强度信息，获得海底地貌声图。并应借助于水深测量手段对海底目标的最浅点水深进行测定，以获得准确的目标位置、范围、深度。水深测量手段包括单波束测深仪加密测量和多波束测深系统全覆盖测量二种。潜水员探摸直接量高为辅助测量方法。

六、资料判读

侧扫声呐声图判读目前大都通过人工进行的，因此声图判读问题与测量人员的工作经验的多少、声图的质量的好坏、探测海底的历史资料及目标周边的海底地貌复杂程度等因素密切相关。

侧扫声呐声图对海床面起伏变化较小、地貌类型较为单一（如淤泥质、砂质）的较平坦海区图像识别较为容易，对地貌起伏变化较大、岩礁面分布散乱、海底地貌单元较复杂的海区侧扫声图像的判读较为困难，因此，对比各类图像的差异，从中找出各类图像的相关特征和各自特征，是判释声图像的重要依据，当各种因素提供充分时，判读目标的成功率就会越高。

海底侧扫声图像可分类为：目标图像、地貌图像和水体图像等。

目标图像包括沉船、礁石、水下障碍物及水下建筑物等。同时根据判释声图的不同需要，还可作进一步分类。

地貌图像包括沙带、沙川、断岩、沟槽及各种混合形成的地貌图像。

水体图像包括水中散体条纹、温度跃层、尾流块状、水中气泡等图像。

声图像的相关特性和各自特征其依据是图像形状、色调、大小、阴影和相关体等。形状是指各类图形的外貌轮廓，色调是指衬度和图像深浅的灰度，大小是指各类图像在声图上的几何形状大小，阴影是指声波被遮档的区域，相关体是指伴随某种图像同时出现的不定形状的图像。

海底面状况完全依据侧扫声呐声图像进行分析是比较困难的，必须借助于对海区地质构造和地貌特征的了解，结合剖面声图像和现场底质采样粒度分析结果的比对分析，才能得出真实可靠的判读结论。

⑴借助水深测量等资料进行判读：海底底质类型分布与海底地形起伏变化有关，在水深变化急剧的区域，海底底质类型大多为粗颗粒或有基岩出露，水深相对平缓处则可能发育堆积地貌。

⑵借助于区域地质构造和沉积环境进行分析：在水动力作用平衡区域多产生弱淤积的稳定沉积区，在水动力环境强劲区域多产生较粗颗粒沉积物。

⑶灰度解释：海底表层沉积物类型可简单按粒度大小分为泥、砂、砾和基岩，侧扫声图像显示的灰度也会依次由浅入深，它与海底返射声波的回波强弱有关。

⑷底质采样比对：从采集的底质样本实验室粒度分析结果可准确判定海底表层底质类型，如粘土质粉砂、粉砂质砂、粘土质砂等，通过与其它方法进行对比，就能确定区域底质类型。

侧扫声呐对于海底障碍物和不良地质现象的判读相对较简单，上图为抓斗疏浚区域典型声图像，下图为砂丘地貌侧扫声图像。

七、图件绘制

通过对海底面状况的分析，所得到的海底表层底质类型及分布区域、海底人工地物和不良地质现象，均需通过绘制图件来表证。海底面状况的分析与成图主要步骤如下：

⑴搜集相关地层资料，确定勘测区域的基本沉积物类型；

⑵通过声呐图像的判读结合浅剖声图像及底质采样结果，确定勘测区域表层底质类型及分布范围；

⑶对检测出的海底人工地物和不良地质现象，确定其位置或分布区域；

⑷确定各底质类型、海底人工地物和不良地质现象的成图符号，进行区域填冲或标示，最后编制海底面状况图。