侧扫声呐原理及应用

一、原理

1、工作原理

       侧扫声纳的基本工作原理与侧视雷达类似，侧扫声纳左右各安装一条换能器线阵，首先发射一个短促的声脉冲，声波按球面波方式向外传播，碰到海底或水中物体会产生散射，其中的反向散射波（也叫回波）会按原传播路线返回换能器被换能器接收，经换能器转换成一系列电脉冲。

        一般情况下，硬的、粗糙的、凸起的海底，回波强；软的、平滑的、凹陷的海底回波弱，被遮挡的海底不产生回波，距离越远回波越弱。

       将每一发射周期的接收数据一线接一线地纵向排列，显示在显示器上，就构成了二维海底地貌声图。声图平面和海底平面成逐点映射关系，声图的亮度包涵了海底的特征。2点位于声呐的正下方，回波是很强的正发射波；4、5、6回波较强，6的回波先到换能器，然后是第5点，第6点。6、7点没有回波，产生阴影区。

                                                                                               线图

随着水下声呐载体的不断移动，声呐阵在前进过程中不断发射、接收处理，记录逐行排列，在显示器上每一行扫描线上逐行显示出每次发射返回的回波数据，各个回波到达时分分别对应各点的位置，即像素坐标，回波的幅值对应各点的亮度，即像素灰度值。

                                                                                         海底平面图

侧扫声呐：在采用灰度显示时，一般暗色代表回波较弱，白色代表回波较强，也可以采用伪彩色显示。

2、优点

　侧扫声纳有三个突出的特点：一是分辨率高，二是能得到连续的二维海底图像，三是价格较低。

3、应用

（1） 海洋测绘

侧扫声纳可以显示微地貌形态和分布，可以得到连续的有一定宽度的二维海底声图，而且还可能做到全覆盖不漏测，这是测深仪和条带测深仪所不能替代的，所以港口、重要航道、重要海区，都要经过侧扫声纳测量。

（2）海洋地质调查

侧扫声纳的海底声图可以显示出地质形态构造和底质的大概分类，尤其是巨型侧扫声纳，可以显示出洋脊和海底火山，是研究地球大地构造和板块运动的有力手段。

二、侧扫声呐数据接收处理

1、数据存储使用XTF格式

       侧扫声纳数据的处理是获得海底信息的重要步骤,格式转换是数据处理的基础。现有的声纳数据主要有Qmips和XTF两种文件格式,二者均为二进制格式存储。

XTF 格式数据文件是 Triton Imaging Inc 公司使用的数据文件格式，是目前通用的地球物理声学探测数据格式。

       近年来，我国开展的“近海海洋综合调查与评价专项”就将 XTF 格式作为侧扫声纳数据文件的标准格式。但此类数据需要配备专门的软件 （如 sonarwizmap 等）才能读取，并且一般数据量都较大。

2、XTF文件格式是一种可扩展的数据格式,它的伸缩性和可扩展性很强,可保存声纳、航行、遥测、测深等多种类型的信息。

       它可以很容易地扩展成将来所遇到的不同数据类型。每个文件都包括不同的数据包,根据数据包的标识信息识别数据包的类型。这样可以仅读取所需要的可认识数据包,而跳过其它不需要或不认识的数据包。数据包又叫做Ping。

XTF 格式文件开始是 XTFILEHEADER 结构，长度最少为 1 024B，它包括声纳通道信息和测深通道信息等。后面是不同的数据包，目前主要有声纳、测深、姿态和注释 4 种类型。每个数据包都有一个头结构。数据包的位置可以任意，读取时依据头结构的头类型信息来确定数据包的类型。对于通道，每个通道有通道头结构，后面是通道测量数据。

所有 XTF 格式文件都是由文件头开始，文件头由一个头部说明和 CHANINFO 结构组成。形成一个完整的 XTF FILEHEADER 结构，最小长度为 1 024 字节。当 XTF FILEHEADER 结构中的通道数大于 6 时，则 XTF 格式 FIL－HEADER 的长度应该增加 1 024 字节。

解编 XTF 格式数据文件首先应正确读出文件头信息（XTF FILEHEADER）和文件头中的通道结构信息 （CHANNINFO）。软件实现时先从文件头读取 1 024 字节，读取成功以后判断该文件是否为 XTF 格式。判断依据是第一个字节必须等于 0X7B，转换为 10 进制为 123，否则该文件不是 XTF 格式。读取了文件头信息，便可取出文件头信息（XTF FILFHEADER）结构中的声纳通道数，当通道数大于 6 时，需要再次读取 1 024 字节。

每个通道都有一个通道结构信息 （CHANNINFO），通道结构信息中最重要的两项是通道类型（TypeOfChannel）和采样精度
（BytesPerSample）。当 TypeofChannel 值为 0 表示浅剖，值为 1 表示左舷，值为 2 表示右舷，值为 3 表示测深。采样精度（BytesPerSample）值为 1 表示 8 位，值为 2 表示 16 位。

（1）头文件数据存储在XTFFILEHEADER结构体中，该结构体中包含六条信道空间，信道数据存储在CHANINFO结构体中。XTFFILEHEADER结构体包含了该款侧扫声呐的一些基本信息，包括侧扫声呐名称、类型，记录软件的名称、版本，声呐的通道数，当前坐标等等。

（2）XTFPINGCHANHEADER结构体显示了通道信息，包括当前通道是左舷还是右舷，斜距，每一ping的持续时间等等。

三、侧扫声呐声学参数设计

1、工作频率

侧扫声呐一般工作在50 kHz-1. 2 MHz，较低的工作频率可以有较大的探测距离，而较高的工作频率能在有限长度的传感器尺寸下得到高的角度分辨力。一般100 kHz左右的声呐作用距离可达600 m, 500 kHz左右的声呐工作距离为150 m左右。

2、传播损失

传播损失TL (dB>:水声传播损失主要计及球面拓展损失和吸收损失。TL = 201gr ar x 10 -3(dB)，设最大探测距离:=150 m，当频率较高时，海水的吸收衰减比较大，根据Fisher一Simmons吸收系数计算公式图表查得:频率为455 kHz时，a =120 dB/km,所以传播损失双程2TL -120 dB (455 kHz)。
3、目标强度

4、噪声谱级

5、脉冲宽度

一般设计为50-200us

6、指向性DI:

换能阵列设计为一发多收，即用一个指向性较宽的发射波束照射目标，用多个平行窄指向性接收波束接受目标回波。

7、脉冲类型

 侧扫声呐发射脉冲形式主要有CW脉冲(单频矩形脉冲信号)和Chirp脉冲(调频脉冲)两种。CW信号波形为正弦波形，其频率(fo)和脉冲持续时间(T)固定(通常为0.1 ms-10ms，则相邻两信号可被区分开的最小距离为cT/2(C为声速)，即该信号类型决定了系统空间分辨率。当前侧扫系统大多采用Chirp信号，该信号是一种频率随时间线性增加(线性调频)的余弦波。

    综上所述，线性调频信号具有以下特点:
    1)具有可选择的时宽带乘积，而CW脉冲时宽乘积固定(约等于1)。
    2)在大时宽乘积条件下，线性调频信号具有近似矩形的幅频特性，频谱宽度近似等
于调频变化范围，与时宽无直接关系。
    3)在大时宽乘积条件下，线性调频相位谱具有平方律特性。
    以上特点是设计匹配滤波器，对脉冲进行压缩的主要依据。
 

四、侧扫声呐与单波束、多波束

1、单波束、多波束声呐

单波束、多波束系统通过测量海底深度海底地形，进而发现水下目标，称之为目标的等深线成像。

2、侧扫声呐

侧扫声呐系统记录了海底反向散射回波强度，根据回波强度声波生成灰度不一的声呐图像，称之为目标的反射强度成像。

3、侧扫声呐的优势

1)采集数据密度大，分辨率高;2)识别能力好，能够区分目标物底质特征;3)覆盖范围大，测量效率高等。

4、侧扫声呐原理

侧扫声呐是一种主动声呐系统，侧扫声呐原理是向测量船航向的垂直方向一侧或两侧发射一个水平开角很小(约1度左右)，垂直开角很大的短声波脉冲，脉冲到达海底后，根据海底距换能器的远近，被不断反射，并按反射信号的强弱程度画出灰度变化不均的声呐图像，从声呐图像中可以观察出海底地貌变化，是否有碍航物和海底底质类型等信息。当侧扫声呐发射脉冲在水体中传播遇到目标时，目标对声能向各个方向散射，其中换能器接收反向散射回波，而目标侧后方则声能难以到达(称为盲区)，声呐阵随载体不断前进，在前进过程中声呐不断发射、不断接收并形成声呐图像，在声呐图像上对应位置处出现目标(目标的强回波信号)及其阴影(目标侧后方的盲区)[8]。

5、侧扫声呐系统组成

侧扫声呐声学系统、外围辅助传感器、数据实时采集处理系统和成果输出系统。

（1）侧扫声呐声学系统：换能器作为侧扫声呐声学系统，是系统的核心部件，它是声电转换装置。大多数侧扫声呐换能器采用压电陶瓷结构，当一个电压加到发射换能器上时，引起其物理形态发生改变，将由发射机所产生的振荡电场转换成机械形变，这种形变传送到水中，在水中产生振荡压力，即声脉冲;同样，接收换能器用来接收回声信号，通过检测声压力变化，将这种压力变化转换成电能。现代侧扫声呐系统在换能器设计时采用收发合一的线列阵，使声能在水平线以下范围内集中。

（2）外围辅助传感器：    外围辅助传感器主要包括定位传感器、姿态传感器、声剖和罗经。定位传感器采用GPS定位系统，主要用于测量时实时导航和定位，为侧扫声呐换能器提供位置信息;姿态传感器主要负责换能器横摇、纵摇和舷摇参数采集，实时反映换能器姿态变化，用于后续声呐图像改正;罗经主要提供拖体航向，用于后续回波点归位计算;声速剖面仪用于获取海水中声速空间变化结构，它直接影响回波点点位归算精度。

（3）数据实时采集处理系统：侧扫声呐数据采集系统实现波束形成，将接收到的回波信号转换为数字信号，并反算、记录其的数据返程时间。数据实时处理系统主要指甲板实时处理单元，实时显示海底声呐图像，便于操作者了解成果有效性，指根据数据采集系统获取导后续工作。

（4）成果输出系统：   成果输出系统主要包括数据后处理及成果输出。综合各类外业数据，通过相关数据处理软件对这些数据进行处理，最终获得各有效波束在海底反射点在地理坐标系下坐标及反射强度，最终形成测量成果，输出声呐图像。

五、侧扫声呐数据预处理

1、影响声呐图像的准确性：

    1）由于定位数据采样率与Ping采样率不同，在定位数据采样时间间隔内，不同Ping对应同一个位置，经过地理编码后侧扫声呐声呐图像存在重叠。
    2)由于姿态数据采样率与Ping采样率不同，一方面在姿态数据采样间隔内，不同Ping对应同一姿态参数，导致该时间间隔内各Ping平行;另一方面是在姿态参数改变时，Ping线在拖鱼的一侧相互交叉，另一侧则形成裂缝。

2、侧扫声呐数据提取

     1)拖鱼定位。为精确定位不同时刻海底回波，在测量时需对换能器进行精确定位，确定测量过程中拖鱼航迹;
     2)姿态测量。主要包括拖鱼升沉(Heave）、横摇(Roll）、纵摇(Pitch）、偏航C （Yaw)等。拖鱼姿态决定了Ping的方向，一般认为Ping方向垂直于拖鱼航向。

横纵摇的含义：左右方向摇摆叫横摇，前后方向摇摆叫纵摇。