侧扫声呐及其声呐图像

5.5　侧扫声呐及其声呐图像

海底地貌探测仪又称侧扫声呐。它可显示海底地貌，确定目标的概略位置和高度。

侧扫声呐是一种主要用于大洋底勘探的声呐。它将换能器向船的一侧倾斜，形成扇形侧区覆盖。侧扫声呐的水平波束宽度很窄(1°～2°)，垂直波束宽度很宽(40°左右)，以这样的波束对海底扫描。海底测绘用的是双侧扫声呐，把两个换能器装在称为“鱼”形或流线型的拖曳体内，为了获得最佳效果，拖曳体离海底的深度是可调的。拖曳式测量可以远离工作船(母船)，大大降低干扰噪声;工作稳定，不受船摇摆俯仰影响;可获得良好的传播条件;增加了空化阀。图5-10表示测量船通过拖曳电缆，将地貌仪换能器基阵拖鱼拖曳在离船尾一定距离和深度上进行测量的情形示意。

图5-10　侧扫声呐系统的组成示意图

海底地貌探测仪由换能器、发射机、接收机、收发转换装置、记录器、主控电路6个主要部分组成。现以国产SDH-8型双侧海底地貌仪为例，说明各部分的作用。

侧扫声呐换能器外部形状似鱼形，故称为拖鱼。拖体左右两侧各有一个长条形换能器基阵，每个基阵均由双排等间隔排列的喇叭形振子所组成，各振子间导线采取并联连接，基阵辐射面采用聚胺脂硫化橡胶密封，使之既能保持水密封，又能保持良好的透声性能。左右两侧基阵辐射面均与垂面成8°倾斜角，以便在换能器正常工作时，使声波波束倾斜入射海底。为防止两侧基阵之间相互干扰，它们的工作频率不相同，其左侧为38 kHz，右侧为43 kHz。另外，主波瓣的水平波束角均为2.2°，垂直波束角左侧为34°，右侧为28°。换能器基阵为收发合用。

发射机与换能器基阵相对应，分左、右两个发射机，统一于主控同步触发脉冲，分别产生一定宽度、频率的高频等幅振荡电脉冲，再分别送入左、右换能器基阵，转换成声波脉冲向两侧海底辐射。

接收机可将两个换能器基阵送来的微弱电信号加以选择放大，然后送到记录器将信号在记录纸上记录下来。地貌仪所接收的海底回波，主要是海底反向散射(又称海底混响)回波。不同海区的海底反向散射声强，大致正比于时间(或距离)的负三次方至负五次方之间。为补偿海底反向散射回波随时间(或距离)增大而引起的声波衰减，接收机设有时间增益控制，它在主控同步触发脉冲的控制下，在每一次声波发射后，使接收机的放大倍数K随着声波传播时间(或距离)的三次方至五次方而变化。这样，就补偿了由于传播时间(或距离)的不同而引起的回波强弱不同。如底质相同的平坦海底，在记录纸上就表现为一条黑度均匀的直线。此外，为了能使动态范围很宽的海底回波信号在动态范围很窄的记录纸上显示出来，正确地反映海底地貌的变化，接收机还设有自动增益控制，能自动地压低强信号，增强弱信号，即压缩回波信号的动态范围，使海底回波变化均能在记录纸上记录下来，从而正确反映海底精细地貌的变化。

收发转换装置的作用相当于在换能器基阵与发射机、接收机之间接入一个自动开关。当发射时，它使换能器只与发射机接通，以防发射脉冲信号损坏接收机;当发射结束后，又将换能器接于接收机，以便接收发射后陆续返回的回波信号。

记录器有两个作用，一是产生总机触发信号，送往主控电路，产生同步触发脉冲，协调整机工作;二是同时记录左、右两侧的海底地貌回波信号。

由记录器产生的触发信号，经主控电路整形、延时后产生一定宽度的同步脉冲信号，用来控制整机工作。此同步发射脉冲一路送往左、右发射机，使之发射声波;一路送往左、右接收机，使之产生时间增益控制电压，以产生控制补偿的作用。

拖鱼上的两个换能器，在与船迹垂直方向上分别发射一个扇形声波束，在水平面中波束宽度一般是1°～2°，在垂直面内一般为20°～30°，并且相对水平面倾斜10°(见图5-11)。由记录器激发的声能短脉冲(如0.1 ms激发一个100 kHz的脉冲)由两侧的发射机交替发射，海底返回的信号由每侧的换能器分别接收，经放大后，显示在一个图示记录器上。旁侧声呐记录的一般特点表示在图5-12中。

图5-11　侧扫声呐的波束宽度

图5-12　侧扫声呐的记录器

图示记录器用一个双螺旋线记录机把海底地形构成一张图，称为声呐曲线图。记录器按规定的间隔由旋转螺旋线发出一个声学脉冲，拖鱼上的换能器接收到返回信号后，被放大并且被反馈到不断按横向扫描的螺旋线电极上，接收的信号经过螺旋线电极穿透记录纸，在其上留下标志。它的强度与返回的信号强度成正比，螺旋线的横向扫描速率可通过控制发射脉冲速率的办法来调节。一般增益控制能改变接收信号的放大倍数达到可以采用的水平，应用改变增益时间或自动增益控制的方法放大由较长距离反射回的信号，能使记录的横向边缘不会消失。

侧扫声呐系统的横向距离取决于许多因素。它们包括:发射的频率和脉冲速率(由于声在水中被吸收，频率越高距离越短);声能和声脉冲的方向性(取决于换能器的物理性质);换能器的倾斜角;拖鱼在海底上面的高度;介质和反射面(噪声和目标靶的强度)的物理性质。大多数的制造者和用户建议把工作拖鱼放置的高度设置为横向最大距离的10%，这样能够获得最好成果。

侧扫声呐的分辨率定义为从周围环境鉴别目标靶的能力。横向分辨率或水平分辨率是分辨平行于船迹的两个目标(或物体)的最小距离，这个分辨率取决于水平波束的宽度、船的速度、脉冲发射的速率、纵向记录比例尺和目标靶的反射率。垂直分辨率是在垂直于船迹的方向上分离两个目标(物体)的最小距离。这种分辨率取决于目标靶的反射率和它离开海底的高度、横向记录比例尺、脉冲长度和垂直波束宽度。

侧扫声呐换能器收到海底各点回波的时间有先后之分，故记录器在将一次声波脉冲发射过程中的各点回波记录时，是按先后次序依次记录在一条横线上的。如图5-13所示，O为零位线，M为海面线，它是从海面M反射回来的回波信号记录线，OM为换能器吃水深度; A为海底回波信号记录线，OA(H_f)为换能器至海底的深度;C为礁顶。

图5-13　侧扫声呐系统拖曳式工作方式

回波信号的强弱除与海底地貌的起伏、海底底质的性质等有关外，还与传播路径的远近有关。如图5-14所示，海底有一障碍物(如暗礁、沉船等)。从a至b这一段海底基本是平坦的，由于接收机时间增益控制电路的补偿作用，a至b线的黑度是均匀的。而隆起物正面b至c一段海底，由于声波的掠射角增大，反向散射回波强，记录bc段的黑度就加深了。过了c点以后，由于Oc和Od的斜距有一个突变，因而就有一段时间内没有回波信号，直到d点为止，cd段在记录纸上就没有记录。再向前，de段又是平坦海底。回波记录与ab段又一致了。这样，每一次声波发射的回波，在记录纸上记为一条横线。随着测量船向前航行，记录纸也在均匀移动，显然，在记录纸上就形成了由一条条横线构成的反映海底地貌起伏的平面图形，如图5-14所示。海底隆起物反映在记录纸上是左黑右白的图形，黑的部分是隆起物朝向测量船方向的正面，而白的部分是该隆起物背后的阴影。图5-15为海扫声呐图像。

图5-14　侧扫声呐扫描隆起物的情形

图5-15　侧扫声呐图像

对于海底凹陷部位(如沟或坑)，没有回波，反映在记录纸上为白色;而朝向换能器的一侧，反向散射回波变强，反映在记录纸上为黑色。海底凹陷部位的地貌声图是先白后黑，白色“影子”的长短在一定条件下反映出凹陷部位的深浅程度。

在声呐曲线图上有许多引起失真和干扰的因素，这些干扰因素可分为几何形状、周围环境和仪器3个方面。几何形状的失真是由于声波的倾斜、横向和纵向记录比例尺不同、海底坡度以及指引拖鱼的左右摇摆、前后颠簸和偏转等引起的，并导致声图的横向和纵向比例尺不等，产生声图变形，从而引起声图中的目标变形;有的因素直接影响目标图像变形，如水平开角影响目标距离变形。

下面介绍这些变形的特点。

(1)比例尺不等变形

若二维声图的纵向与横向的单位长度比不是1:1，则圆球目标变成椭圆。当船速增大时，椭圆目标也随着短轴变短。这时如果存在方形目标，随着船速增大，方形目标变成横向的长方形目标。若船速继续增大，椭圆目标和横向长方形目标的短轴均变得更短。如图5-16所示。

图5-16　声图纵向、横向比例尺不等

(2)声线倾斜变形

换能器基阵向倾斜方向海底发射声波，并接收倾斜方向海底的反向散射声波。在声图上扫描线反映换能器基阵至海底的倾斜距离，使声图横向产生比例尺不统一，引起声图目标横向变形。图5-17为声线倾斜变形示意图，靠近换能器下方的目标D₁和D₂分别对应几乎等长的斜距R₁和R₂，而远处与D₁、D₂距离相等的两目标D₃和D₄，与它们对应的斜距R₃和R₄就有明显的差别。如果没有倾斜修正，近处的面积被压缩，远处的面积被扩展，这样没有修正的图像就不能正确地反映海底的地貌。

图5-17　声线倾斜变形示意图

(3)拖鱼高度变化使声图横向比例尺变化

由声图结构可知，在声图上，发射线至海底线的长度表示拖鱼离底的高度。如水深变深，拖鱼至海底的高度变高，反映在声图上呈现零位线至海底的宽度加长，占用声图横向宽度增宽;同时，横向扫描线缩短，占用声图横向宽度变窄。这样的结果，使声图横向比例尺缩小。

(4)海底倾斜坡面引起横向比例尺变化

扫测船顺海底倾斜面的走向扫测，迎斜面的一侧横向比例尺缩小，顺斜面的一侧横向比例尺增大。

(5)换能器水平开角大或副瓣大引起的双曲变形

一般情况下低频侧扫声呐换能器的水平开角都比较大，有些高频侧扫声呐的水平开角虽说不大，但由于换能器设计不好，有较大的副瓣，也相当于主瓣展宽了。这时，测量一个目标时，由于开角大或存在较大的副瓣，换能器还没有正横通过目标时，就已经得到了目标的回波，而换能器已经正横通过目标后，仍能得到目标的回波，如图5-18所示。从图中可以看出，5次发射得到目标回波的时间是不一样的，R₁和R₅大于R₂、R₃和R₄。这样，一个直线目标的声图就产生了弯曲。

图5-18　水平开角大引起目标变形

(6)周围环境的失真和干扰

周围环境的失真和干扰经常是由于同时作业的其他电子仪器、水中较密的悬浮粒子、表面噪声和反散射、气泡、海洋生物、水温和水流的变化等引起的。仪器失真主要是由于记录螺旋线有缺陷或记录纸以及波道之间的电信号相互作用引起的。