 随着海洋开发的日益深入，以声波作为信息载体在水中进行探测、定位、导航与通信的声呐设备得到了越来越多的应用。成像声呐作为声呐设备中的一个分支，由于探测或测量精度高，在水下精细探测中发挥着越来越大的作用。对于成像声呐目前并没有严格的概念或者定义。 本书从应用的角度出发，把具有水下高分辨探测能力、探测结果显示为图像，可以利用图像处理方法做进一步处理的声呐，均视为成像声呐。成像声呐通常具有以下特征：⑴工作频率高于传统的远距离探测声呐，通常在几十万赫兹，更高的可以达到几兆赫兹，个别的如剖面声呐在十几赫兹或几万赫兹；⑵体积较小，基阵孔径在几十厘米量级；⑶大部分作用距离在几百米，有的只有数十米甚至数米；⑷声呐的探测结果以图像的方式呈现，并且具有形状或者纹理特征。 成像声呐的种类 按照如上理解，本文将前视声呐、侧扫声呐、多波束测深声呐等均称为成像声呐。 ⒈前视声呐 前视声呐(forward looking sonar)的名称来源于其安装使用方式。这类声呐的声基阵经常安装于载体的前方(有时也安装于侧方)，根据具体需求，俯仰角度稍有不同，但工作范围大致为一个向前的扇面，主要用于探测水中环境以及目标。 前视声呐的发射阵和接收阵通常是分置的，其作业示意图如图1所示。  图1 前视声呐作业图 发射阵发射具有一定水平和垂直角度范围的球面棱锥(立体扇面)形状的声波，接收阵的各个基元接收不同距离的声回波，根据波束形成技术，参见有关文献，形成指向不同角度的多个接收波束，各角度波束在不同距离上的回波强弱，反映了空间对应位置对声波的散射能力。通常当水中存在目标时，空间对应位置接收的声回波较强，根据目标的大小以及成像性能，有可能在目标亮区后出现阴影；当目标在海底时，阴影区与目标区相连；当目标在水中时，阴影区与目标区分开一段距离或观察不到。 根据获取信息的维度，前视声呐可以分为二维前视声呐和三维前视声呐。二维前视声呐的接收基阵一般为一维线阵或者圆弧阵，可以提供水下环境的距离信息与方位角信息；三维前视声呐的接收基阵一般为二维面阵或球冠阵，除了水下环境的距离信息与方位角信息，还可以提供俯仰角信息。图2是前视声呐成像图，分别来自Oculus二维前视声呐和Echoscop三维前视声呐。
(a)Oculus声呐成像图 (b)Echoscope声呐成像图 图2 二维和三维前视声呐的成像图 以上两种前视声呐均属于多波束前视声呐，即由于采用了多个基元构成接收基阵，可以同时生成一维方向或者二维方向的多个接收波束。 如果声呐的工作方式为扫描式，则单个接收基元的波束沿水平方向扫描可以获得类似二维多波束前视声呐的信息；水平方向的一维线阵形成的波束沿垂直方向扫描可以获得类似三维多波束前视声呐的信息，反之亦然。扫描式前视声呐的优点是阵元数相对少，相应的电路规模和数据量小，体积小，能耗和成本均相对较低；但缺点是探测速度慢，只能用于水中静止或者低速目标的探测，不适于高速目标探测。 根据波束形成的方式，前视声呐又可以分为电子波束形成声呐和透镜声呐。 包括前视声呐在内的大部分成像声呐均属于电子波束形成声呐，波束形成方法以时移和相移波束形成方法为代表。与此不同，透镜声呐仿照光学透镜的聚焦原理，利用声学透镜的聚焦形成波束。这样做的好处是最大限度地减少了电子电路的规模，而且成像速度快、功耗低，可以采用更高的工作频率以获得更好的角度分辨率。透镜声呐通常用于浑浊水域极近距离的精细探测，由于其高帧率和高质量的成像，被称为水下声学摄像机。 ⒉侧扫声呐 侧扫声呐(side-scan sonar)安装于拖鱼或其他载体，如遥控潜水器(ROV)、自主水下机器人(AUV)的左右两侧下方，主要用于海底地貌以及海底目标的大范围探测，必须依赖扫描完成作业。这是将这类声呐称为side-scan sonar的原因。 侧扫声呐一般采用收发合置型基阵，形状为与载体运动方向平行的细长条状。将垂直于载体运动方向称为横向，平行于载体运动方向称为纵向，侧扫声呐向载体两侧的下方水中发射横向宽、纵向窄的声波波束。图3为其工作示意图。  图3 侧扫声呐工作示意图 横向宽波束角可以获得大的海底覆盖范围，纵向窄波束角可以获得好的纵向分辨率。测量不同时间的回波强度，并将时间折算成距离，可以得到距离声学中心不同斜距的水下回波强度。根据横向波束开角、安装角，以及水深和载体的倾角，可以进一步将斜距换算为横向距离，再结合载体的纵向运动，可以得到以航迹为中心的反映海底回波强度的侧扫声呐图像。图4为EdgeTech公司的4200型侧扫声呐获得的海底图像。  图4 侧扫声呐获得的海底图像 当海底较为平坦且对声波散射均匀时，侧扫声呐的回波强度较为平稳；当海底存在目标或者大的起伏以及海底底质不均匀时，侧扫声呐回波会出现明显的强度变化。例如，目标散射区回波强，而被目标遮挡的海底区域会出现阴影。 ⒊多波束测深声呐 多波束测深(multi-beam echo sounders)声呐用于测量海底地形。声基阵为收发分置型，基本阵形为呈T形布放的两个长条阵，布放于测量船底。其中发射阵沿龙骨方向(称为纵向)向测量船正下方发射横向宽而纵向窄的波束扇面。接收阵与发射阵垂直，由多基元组成，可以形成沿横向分布的多个窄波束。其工作示意图如图5所示。  图5 多波束测深声呐工作示意图 通过测量每个波束的海底反射回波到达的时间(时延)，并结合海洋声速信息、测量船运动信息等，可以折算出每个波束脚印对应的大地坐标和海底深度。测量船沿规划测线航行，可以完成大面积海底地形的测绘工作。图6为Norbit集成化便携式多波束测深系统及其获得的地形伪彩图，图中用不同颜色表示不同深度。  图6 Norbit多波束测深系统及地形伪彩图 多波束测深声呐与传统的回声测深仪的本质区别在于，后者为单点测深，实际应用中效率低、精度差。而多波束测深声呐一个收发周期(每ping)可以同时测得发射波束覆盖条带内的多点的深度，因此曾被称为条带测深仪。在海洋测绘和海洋工程领域，有时将多波束测深声呐简称为多波束声呐。但多波束本身是一个与波束形成及阵处理相关的技术概念，如前节所述，大部分前视声呐是多波束声呐，从这个角度并不建议将多波束声呐作为测深声呐的简称。 由于多波束测深声呐具有较高的测量精度和分辨率，尽管测得的是海底高程，但在某些应用中，可以将其显示为图像形式，并提取图像的特征加以应用。合成孔径声呐是一种新型的成像声呐，工作原理与合成孔径雷达相似，利用载体的运动形成大尺度的虚拟阵，从而提高声呐的分辨率。具有分辨率与工作频率和成像距离无关的特点，可以获得比常规阵高1～2个数量级的分辨率。其图像形式及物理意义与侧扫声呐类似，故不作单独介绍。 成像声呐的应用领域 成像声呐常常与各种ROV、AUV以及水面船配合，完成各种水下作业。前视声呐可用于水下小目标探测跟踪、水下场景的监测、水下目标识别等。应用领域包括水下安防、AUV与ROV的环境感知与目标探测、水下避碰及船舶导航、海管探测及巡检、水下救援、深水布放等。 图7是多波束二维前视声呐BlueView及其获得的蛙人图像。该系列声呐是目前应用较多的二维声呐，体积小巧，集成度高，功耗低。  图7 BlueView及其获得的蛙人图像 图8是一种主要用于避碰的前视声呐iScan-180。 图8 前视声呐iScan-180 该声呐扫测船舶正下方和航向前方水域，实时监测水下地形水深变化、规模鱼群、暗礁分布等情况，并提供及时预警，广泛应用于船舶导航、海事搜救、渔业普查等领域。 图9是三维前视声呐Echoscope及其获得的海底管道伪彩图。Echoscope是市场上为数不多的成熟的实时三维声呐产品，适合船载使用。由于比绝大部分二维产品多了一个维度的信息，它能更真实地反映水下三维环境和目标。 图9 Echoscope及其获得的海底管道伪彩图 图10是三维扫描声呐BlueView及其作业示意图以及探测到的桥墩结构图像。 图10 BlueView及其作业示意图以及探测到的桥墩结构图像 侧扫声呐用于海底地貌探测和海底目标探测，可以应用于海洋勘测、水下考古、水下沉物的探测打捞、海管探测、环境调查等。图11是EdgeTech公司的4125侧扫声呐系统实物图以及在不同工作频率时探测到的水下残骸图像。 图11 EdgeTech公司的4125侧扫声呐及成像图 由于侧扫声呐具备较高的横向分辨力，可以发现水雷等小目标，还可以发现沉船，并能显示沉船的坐卧海底姿态和破损情况，这是其他探测设备不可替代的。 多波束测深声呐可以精确测量海底地形，除直接用于海洋地形测绘以及复杂环境的三维扫描测量外，结合水体数据处理技术，也可以同时用于海管气体泄漏检测等。图12是利用多波束测深声呐的水体成像功能探测海管气体泄漏的结果。其中红色点组成的竖直区域为泄漏气泡区。 图12 利用多波束测深声呐探测海管气体泄漏结果图 典型成像声呐产品及主要参数 ⒈电子波束形成前视声呐 图13是Reson公司的高分辨率前视声呐SeaBatF50，表1是其主要性能参数。 图13 高分辨率前视声呐 表1 SeaBatF50性能参数 SeaBatF50采用了宽扇区、宽频带、聚焦波束形成技术，可安装于水面舰船和ROV，推荐应用包括水下检查、损坏评估、物体分类、目标跟踪、目标定位、舰船导航等。 ⒉单波束机械扫描前视声呐 Tritech公司的MicronOEM是一款典型的单波束机械扫描声呐，尺寸小、功耗低，适合安装空间与能耗有限时使用，如图14所示，其主要性能参数见表2。 图14 MicronOEM声呐外观图 表2 MicronOEM主要性能参数 ⒊透镜声呐 透镜声呐有手持型、ROV与AUV型等多种形式，可用于水下安防、堤坝桥梁等水下设施维护检修、鱼类监测等。 图15 DIDSON标准型外观图 透镜声呐产品以SoundMetrics公司生产的DIDSON系列和ARIS系列为代表。图15为DIDSON标准型外观图，表3为其主要性能参数。 表3 DIDSON标准模式下主要性能参数 |
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