侧扫声呐图像

6.1.3　侧扫声呐图像

侧扫声呐图像可显示海底地貌，确定目标的概略位置和高度。侧扫声呐分单侧扫和双侧扫两种，目前多使用双侧扫声呐图像。下面介绍利用侧扫声呐获取海底地貌图像的理论和方法。

侧扫声呐是一种主要用于海洋勘探，而不是用于测量距离或深度的声呐。将换能器向船的一侧倾斜，形成扇形测区覆盖。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)。海底测绘用的是双侧扫声呐，把两个换能器装在称为“鱼”形或流线形的拖曳体内，为了获得最佳效果，拖曳体离海底的深度是可调的。图6-6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。拖曳式测量远离工作船，大大降低了干扰;工作稳定，不受船摇摆俯仰的影响;获得了良好的传播条件;增加了空化阀。

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、主控电路六个主要部分组成。以Edge Tech 566侧扫声呐系统为例，图6-6示意了该系统的组成以及其拖曳式工作方式。下面以国产SDH-8为例，来说明侧扫声呐各部分的作用。

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酯硫化橡胶密封，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，两基阵采用不同的工作频率，其左侧基阵频率为38kHz，右侧为43kHz。主波瓣水平波束角为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。

图6-6　侧扫声呐系统的组成示意图

发射机与换能器基阵相对应，分左、右发射机，统一于主控同步触发脉冲，分别产生一定宽度、一定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处理，然后送到记录器将信号再记录下来。所接收的海底回波，主要是海底反向散射回波。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。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。另外，为了使动态范围很宽的海底回波信号，能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，接收机通过其自动增益控制(AGC)电路，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转换开关。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，以达到控制补偿的作用。

拖鱼上的两个换能器，在与船迹垂直方向上每一个换能器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°(图6-7)。由记录器激发的声能短脉冲(如0.1ms激发一个100kHz的脉冲)是两侧交替发射，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6-8中。

图6-7　侧扫声呐的波束宽度

图6-8　侧扫声呐的记录器

图6-8中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一个声学脉冲，由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，在其上留下了标志。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使其达到可以采用的水平，应用改变增益时间或自动增益控制放大由较长距离反射回的信号，这样使记录的横向边缘不会消失。现在多用记录笔式的记录器，它应用许多微小间隔的电极线代替常规的螺旋线，另一些记录器在一个阴极射线管的前面应用摄影胶片，阴极射线管有一个用光学纤维制成的面板，应用使黑标志转换成白标志的方法或者应用相反转换的方法，使人的眼睛可以正视它，提高记录的解释质量。另一种记录旁侧信息数据的方法是用有程序的磁带记录，以便于在数据后处理时可以修正信号的失真。

侧扫声呐系统的横向距离取决于诸多因素。包括发射的频率和脉冲速率、声能和声脉冲的方向性、换能器的倾斜角和拖鱼在海底的高度，以及介质和反射面的物理性质。通常认为将工作拖鱼放置的高度等于横向最大距离的10%可获得最好的图像。

侧扫声呐换能器收到海底各点回波的时间有先后之分，故记录器在对一次声波脉冲发射过程中的各点回波进行记录时，是按先后次序依次记录在一条横线上的。图6-9中，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。

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。在海底平坦处，回波信号的强度随着距离的增大而迅速减弱。为了使记录纸上记录信号的黑度变化只反映地貌的起伏，就必须消除回波记录黑度随距离衰减的现象，仪器为此设置了时间增益控制设备加以补偿，使得在相同底质且基本平坦的海底上，各处反向散射回波被接收机接收后，在记录纸上记录成一样的黑度。反过来讲，如果记录纸上是一条黑度相同的直线，则表示此段为平坦的海底。如果海底地貌起伏变化，则会引起回波强弱变化，在记录纸上则以浓淡不同的黑度表示出来。

图6-9　侧扫声呐系统拖曳式工作方式

如图6-10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

图6-10　侧扫声呐扫描凸起物的情形

貌起伏的平面图形，如图6-10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。

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，回波个数较多，且反向散射回波变强，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。

将如图6-10的这些条带拼接起来便形成了如图6-11所示的海底地貌图像。

图6-11　侧扫声呐图像