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一,、原理 1、工作原理 側(cè)掃聲納的基本工作原理與側(cè)視雷達(dá)類似,，側(cè)掃聲納左右各安裝一條換能器線陣,，首先發(fā)射一個(gè)短促的聲脈沖，聲波按球面波方式向外傳播,，碰到海底或水中物體會(huì)產(chǎn)生散射，其中的反向散射波（也叫回波）會(huì)按原傳播路線返回?fù)Q能器被換能器接收,，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成一系列電脈沖,。 一般情況下，硬的,、粗糙的,、凸起的海底,，回波強(qiáng)；軟的,、平滑的,、凹陷的海底回波弱，被遮擋的海底不產(chǎn)生回波,，距離越遠(yuǎn)回波越弱,。 將每一發(fā)射周期的接收數(shù)據(jù)一線接一線地縱向排列，顯示在顯示器上,，就構(gòu)成了二維海底地貌聲圖,。聲圖平面和海底平面成逐點(diǎn)映射關(guān)系，聲圖的亮度包涵了海底的特征,。2點(diǎn)位于聲吶的正下方,，回波是很強(qiáng)的正發(fā)射波；4,、5,、6回波較強(qiáng)，6的回波先到換能器,，然后是第5點(diǎn),，第6點(diǎn)。6,、7點(diǎn)沒有回波,，產(chǎn)生陰影區(qū)。 線圖 隨著水下聲吶載體的不斷移動(dòng),，聲吶陣在前進(jìn)過程中不斷發(fā)射,、接收處理，記錄逐行排列,，在顯示器上每一行掃描線上逐行顯示出每次發(fā)射返回的回波數(shù)據(jù),，各個(gè)回波到達(dá)時(shí)分分別對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的位置，即像素坐標(biāo),，回波的幅值對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的亮度,，即像素灰度值。 海底平面圖 側(cè)掃聲吶：在采用灰度顯示時(shí),，一般暗色代表回波較弱,，白色代表回波較強(qiáng)，也可以采用偽彩色顯示,。 2,、優(yōu)點(diǎn) 側(cè)掃聲納有三個(gè)突出的特點(diǎn)：一是分辨率高，二是能得到連續(xù)的二維海底圖像,，三是價(jià)格較低,。 3,、應(yīng)用 （1） 海洋測(cè)繪 側(cè)掃聲納可以顯示微地貌形態(tài)和分布，可以得到連續(xù)的有一定寬度的二維海底聲圖,，而且還可能做到全覆蓋不漏測(cè),，這是測(cè)深儀和條帶測(cè)深儀所不能替代的，所以港口,、重要航道,、重要海區(qū)，都要經(jīng)過側(cè)掃聲納測(cè)量,。 （2）海洋地質(zhì)調(diào)查 側(cè)掃聲納的海底聲圖可以顯示出地質(zhì)形態(tài)構(gòu)造和底質(zhì)的大概分類,，尤其是巨型側(cè)掃聲納，可以顯示出洋脊和海底火山,，是研究地球大地構(gòu)造和板塊運(yùn)動(dòng)的有力手段,。 二、側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)接收處理 1,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用XTF格式 側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)的處理是獲得海底信息的重要步驟,格式轉(zhuǎn)換是數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的聲納數(shù)據(jù)主要有Qmips和XTF兩種文件格式,二者均為二進(jìn)制格式存儲(chǔ)。 XTF 格式數(shù)據(jù)文件是 Triton Imaging Inc 公司使用的數(shù)據(jù)文件格式,，是目前通用的地球物理聲學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)格式,。 近年來，我國(guó)開展的“近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)”就將 XTF 格式作為側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)文件的標(biāo)準(zhǔn)格式,。但此類數(shù)據(jù)需要配備專門的軟件 （如 sonarwizmap 等）才能讀取,，并且一般數(shù)據(jù)量都較大。 2,、XTF文件格式是一種可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)格式,它的伸縮性和可擴(kuò)展性很強(qiáng),可保存聲納,、航行、遙測(cè),、測(cè)深等多種類型的信息,。 它可以很容易地?cái)U(kuò)展成將來所遇到的不同數(shù)據(jù)類型。每個(gè)文件都包括不同的數(shù)據(jù)包,根據(jù)數(shù)據(jù)包的標(biāo)識(shí)信息識(shí)別數(shù)據(jù)包的類型,。這樣可以僅讀取所需要的可認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)包,而跳過其它不需要或不認(rèn)識(shí)的數(shù)據(jù)包,。數(shù)據(jù)包又叫做Ping。 XTF 格式文件開始是 XTFILEHEADER 結(jié)構(gòu),，長(zhǎng)度最少為 1 024B,，它包括聲納通道信息和測(cè)深通道信息等。后面是不同的數(shù)據(jù)包,，目前主要有聲納,、測(cè)深、姿態(tài)和注釋 4 種類型,。每個(gè)數(shù)據(jù)包都有一個(gè)頭結(jié)構(gòu),。數(shù)據(jù)包的位置可以任意，讀取時(shí)依據(jù)頭結(jié)構(gòu)的頭類型信息來確定數(shù)據(jù)包的類型,。對(duì)于通道,，每個(gè)通道有通道頭結(jié)構(gòu)，后面是通道測(cè)量數(shù)據(jù),。 所有 XTF 格式文件都是由文件頭開始,，文件頭由一個(gè)頭部說明和 CHANINFO 結(jié)構(gòu)組成。形成一個(gè)完整的 XTF FILEHEADER 結(jié)構(gòu),，最小長(zhǎng)度為 1 024 字節(jié),。當(dāng) XTF FILEHEADER 結(jié)構(gòu)中的通道數(shù)大于 6 時(shí)，則 XTF 格式 FIL－HEADER 的長(zhǎng)度應(yīng)該增加 1 024 字節(jié),。 解編 XTF 格式數(shù)據(jù)文件首先應(yīng)正確讀出文件頭信息（XTF FILEHEADER）和文件頭中的通道結(jié)構(gòu)信息 （CHANNINFO）,。軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)先從文件頭讀取 1 024 字節(jié)，讀取成功以后判斷該文件是否為 XTF 格式,。判斷依據(jù)是第一個(gè)字節(jié)必須等于 0X7B,，轉(zhuǎn)換為 10 進(jìn)制為 123，否則該文件不是 XTF 格式,。讀取了文件頭信息,，便可取出文件頭信息（XTF FILFHEADER）結(jié)構(gòu)中的聲納通道數(shù)，當(dāng)通道數(shù)大于 6 時(shí),，需要再次讀取 1 024 字節(jié),。 每個(gè)通道都有一個(gè)通道結(jié)構(gòu)信息 （CHANNINFO），通道結(jié)構(gòu)信息中最重要的兩項(xiàng)是通道類型（TypeOfChannel）和采樣精度 （1）頭文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在XTFFILEHEADER結(jié)構(gòu)體中,，該結(jié)構(gòu)體中包含六條信道空間，信道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CHANINFO結(jié)構(gòu)體中,。XTFFILEHEADER結(jié)構(gòu)體包含了該款側(cè)掃聲吶的一些基本信息,，包括側(cè)掃聲吶名稱、類型,，記錄軟件的名稱,、版本，聲吶的通道數(shù),，當(dāng)前坐標(biāo)等等,。 （2）XTFPINGCHANHEADER結(jié)構(gòu)體顯示了通道信息,，包括當(dāng)前通道是左舷還是右舷，斜距,，每一ping的持續(xù)時(shí)間等等,。 三、側(cè)掃聲吶聲學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì) 1,、工作頻率 側(cè)掃聲吶一般工作在50 kHz-1. 2 MHz,，較低的工作頻率可以有較大的探測(cè)距離，而較高的工作頻率能在有限長(zhǎng)度的傳感器尺寸下得到高的角度分辨力,。一般100 kHz左右的聲吶作用距離可達(dá)600 m, 500 kHz左右的聲吶工作距離為150 m左右,。 2、傳播損失 傳播損失TL (dB>:水聲傳播損失主要計(jì)及球面拓展損失和吸收損失,。TL = 201gr ar x 10 -3(dB),，設(shè)最大探測(cè)距離:=150 m，當(dāng)頻率較高時(shí),，海水的吸收衰減比較大,，根據(jù)Fisher一Simmons吸收系數(shù)計(jì)算公式圖表查得:頻率為455 kHz時(shí)，a =120 dB/km,所以傳播損失雙程2TL -120 dB (455 kHz),。 4、噪聲譜級(jí) 5,、脈沖寬度 一般設(shè)計(jì)為50-200us 6,、指向性DI: 換能陣列設(shè)計(jì)為一發(fā)多收，即用一個(gè)指向性較寬的發(fā)射波束照射目標(biāo),，用多個(gè)平行窄指向性接收波束接受目標(biāo)回波,。 7、脈沖類型 側(cè)掃聲吶發(fā)射脈沖形式主要有CW脈沖(單頻矩形脈沖信號(hào))和Chirp脈沖(調(diào)頻脈沖)兩種,。CW信號(hào)波形為正弦波形,，其頻率(fo)和脈沖持續(xù)時(shí)間(T)固定(通常為0.1 ms-10ms，則相鄰兩信號(hào)可被區(qū)分開的最小距離為cT/2(C為聲速),，即該信號(hào)類型決定了系統(tǒng)空間分辨率,。當(dāng)前側(cè)掃系統(tǒng)大多采用Chirp信號(hào)，該信號(hào)是一種頻率隨時(shí)間線性增加(線性調(diào)頻)的余弦波,。 綜上所述,，線性調(diào)頻信號(hào)具有以下特點(diǎn): 四、側(cè)掃聲吶與單波束,、多波束 1、單波束,、多波束聲吶 單波束,、多波束系統(tǒng)通過測(cè)量海底深度海底地形，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)水下目標(biāo),，稱之為目標(biāo)的等深線成像,。 2、側(cè)掃聲吶 側(cè)掃聲吶系統(tǒng)記錄了海底反向散射回波強(qiáng)度,，根據(jù)回波強(qiáng)度聲波生成灰度不一的聲吶圖像,，稱之為目標(biāo)的反射強(qiáng)度成像。 3,、側(cè)掃聲吶的優(yōu)勢(shì) 1)采集數(shù)據(jù)密度大,，分辨率高;2)識(shí)別能力好，能夠區(qū)分目標(biāo)物底質(zhì)特征;3)覆蓋范圍大,，測(cè)量效率高等,。 4、側(cè)掃聲吶原理 側(cè)掃聲吶是一種主動(dòng)聲吶系統(tǒng),，側(cè)掃聲吶原理是向測(cè)量船航向的垂直方向一側(cè)或兩側(cè)發(fā)射一個(gè)水平開角很小(約1度左右),，垂直開角很大的短聲波脈沖，脈沖到達(dá)海底后,，根據(jù)海底距換能器的遠(yuǎn)近,，被不斷反射，并按反射信號(hào)的強(qiáng)弱程度畫出灰度變化不均的聲吶圖像,，從聲吶圖像中可以觀察出海底地貌變化,，是否有礙航物和海底底質(zhì)類型等信息。當(dāng)側(cè)掃聲吶發(fā)射脈沖在水體中傳播遇到目標(biāo)時(shí),，目標(biāo)對(duì)聲能向各個(gè)方向散射,，其中換能器接收反向散射回波，而目標(biāo)側(cè)后方則聲能難以到達(dá)(稱為盲區(qū)),，聲吶陣隨載體不斷前進(jìn),，在前進(jìn)過程中聲吶不斷發(fā)射、不斷接收并形成聲吶圖像，在聲吶圖像上對(duì)應(yīng)位置處出現(xiàn)目標(biāo)(目標(biāo)的強(qiáng)回波信號(hào))及其陰影(目標(biāo)側(cè)后方的盲區(qū))[8],。 5,、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)組成 側(cè)掃聲吶聲學(xué)系統(tǒng)、外圍輔助傳感器,、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理系統(tǒng)和成果輸出系統(tǒng),。 （1）側(cè)掃聲吶聲學(xué)系統(tǒng)：換能器作為側(cè)掃聲吶聲學(xué)系統(tǒng)，是系統(tǒng)的核心部件,，它是聲電轉(zhuǎn)換裝置,。大多數(shù)側(cè)掃聲吶換能器采用壓電陶瓷結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)電壓加到發(fā)射換能器上時(shí),，引起其物理形態(tài)發(fā)生改變,，將由發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的振蕩電場(chǎng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械形變，這種形變傳送到水中,，在水中產(chǎn)生振蕩壓力,，即聲脈沖;同樣，接收換能器用來接收回聲信號(hào),，通過檢測(cè)聲壓力變化,，將這種壓力變化轉(zhuǎn)換成電能。現(xiàn)代側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在換能器設(shè)計(jì)時(shí)采用收發(fā)合一的線列陣,，使聲能在水平線以下范圍內(nèi)集中,。 （2）外圍輔助傳感器： 外圍輔助傳感器主要包括定位傳感器、姿態(tài)傳感器,、聲剖和羅經(jīng),。定位傳感器采用GPS定位系統(tǒng)，主要用于測(cè)量時(shí)實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位,，為側(cè)掃聲吶換能器提供位置信息;姿態(tài)傳感器主要負(fù)責(zé)換能器橫搖,、縱搖和舷搖參數(shù)采集，實(shí)時(shí)反映換能器姿態(tài)變化,，用于后續(xù)聲吶圖像改正;羅經(jīng)主要提供拖體航向,，用于后續(xù)回波點(diǎn)歸位計(jì)算;聲速剖面儀用于獲取海水中聲速空間變化結(jié)構(gòu)，它直接影響回波點(diǎn)點(diǎn)位歸算精度,。 （3）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理系統(tǒng)：側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)波束形成,，將接收到的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并反算,、記錄其的數(shù)據(jù)返程時(shí)間,。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)主要指甲板實(shí)時(shí)處理單元，實(shí)時(shí)顯示海底聲吶圖像,，便于操作者了解成果有效性,，指根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取導(dǎo)后續(xù)工作,。 （4）成果輸出系統(tǒng)： 成果輸出系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)后處理及成果輸出。綜合各類外業(yè)數(shù)據(jù),，通過相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，最終獲得各有效波束在海底反射點(diǎn)在地理坐標(biāo)系下坐標(biāo)及反射強(qiáng)度，最終形成測(cè)量成果,，輸出聲吶圖像,。 五、側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)預(yù)處理 1,、影響聲吶圖像的準(zhǔn)確性： 1）由于定位數(shù)據(jù)采樣率與Ping采樣率不同,，在定位數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔內(nèi)，不同Ping對(duì)應(yīng)同一個(gè)位置,，經(jīng)過地理編碼后側(cè)掃聲吶聲吶圖像存在重疊,。 2,、側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)提取 1)拖魚定位,。為精確定位不同時(shí)刻海底回波，在測(cè)量時(shí)需對(duì)換能器進(jìn)行精確定位,，確定測(cè)量過程中拖魚航跡; 橫縱搖的含義：左右方向搖擺叫橫搖，前后方向搖擺叫縱搖,。 |
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