海洋扫测声呐技术综述.docx

《海洋扫测声呐技术综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《海洋扫测声呐技术综述.docx（13页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、海洋扫测声呐技术综述目录1.摘要12 .侧扫声呐：海底地貌“扫描仪”22. 1.概述23. 2.一扫知海，以声波洞悉茫茫大洋24. 3.一路进阶，不断迭代的探海利器35. 4.一物多能，军事应用前景广阔43 .侧扫声呐装备技术63. 1.基本工作原理6?关键技术6?主流装备型号及应用场景8?多波束测深声呐装备技术9?基本工作原理9?关键技术9?主流装备型号及应用场景10?合成孔径声呐装备技术10?基本工作原理10?关键技术11?主流型号装备及性能11?装备的使用选择分析12?装备技术优势12?选择要素13?结论131摘要海洋扫测声呐是人类对海底目标进行大范围扫测定位的主要装备，使用较广的主要包

2、括侧扫声呐、多波束声呐、合成孔径声呐3类，这3类声呐的工作原理不同，故在技术优势、适用场景上也不相同。文章对这3种声呐技术特点进行研究，分析不同声呐技术的优点，以提高扫测作业装备选型适用性。2.侧扫声呐:海底地貌“扫描仪”2.1. 概述2023年，“北溪2号”管道泄漏事件在国际社会上被“炒”得沸沸扬扬。这条从俄罗斯乌斯季卢加出发的天然气管道并未走陆上通道，而是穿越波罗的海直达德国格赖夫斯瓦尔德市。除了像“北溪2号”这样的能源输送管道，大洋深处还静静“躺”着海底电缆等连接着不同地区的管线，它们是地区之间政治经济文化交流的重要纽带。深邃的海底并非一马平川。管线铺设想要顺利开展，离不开对海底形形色色

3、地貌的掌握。有一种仪器，可以通过扫描方式向海底发射超声波束，再将接收的信号转换为图像数据，可谓是一台真真切切的海底地貌“扫描仪”。它，就是侧扫声呐。作为海底地貌“扫描仪”，侧扫声呐是如何洞悉海底的？从诞生到成熟经历了怎样的进阶之路？其军事应用前景如何？请看本期解读一一2.2.一扫知海，以声波洞悉茫茫大洋侧扫声呐是一种主动声呐，也称旁扫声呐、旁视声呐、侧视声呐。顾名思义，侧扫声呐的水声换能器常常安装在船体（或拖体）两侧向侧方发射声波，通过水底地物对入射声波反向散射来探测水底形态和目标。一套完整的侧扫声呐，主要由发射机、接收机、换能器、控制器和显示器等组成。声呐声波发出后，声脉冲以球面波扩展方式沿

4、侧向向远处传播，碰到海底或水下目标的反射或散射信号会原路返回，并根据距离的不同被先后接收，距离越远回波信号越弱。通常来说，硬的、粗糙的和凸起的海底回波信号强；软的、平滑的和凹陷的海底回波信号弱；被凸起海底遮挡部分的海底没有回波。回波脉冲串幅度的高低对应着海底的起伏软硬，换能器每次发射可获得两侧一窄条海底的信息，在计算机上显示为一条线。换能器按一定的时间间隔发射接收脉冲，将每次接收到的回波数据显示排列起来，就可得到完整的海底地形地貌声呐图像。操作人员借助计算机对声呐图像进一步处理，便可对海底或目标物进行判读。侧扫声呐的优点，主要体现在可以利用海底或沉底物的回波强度信息，对海底介质或沉底物特征进行

5、定性分析；具有较高的横向分辨率，可以获得分辨率较高的、二维的海底地貌图；探测面积大，且对特殊外形的水下目标识别能力强；安装难度低，且成本低廉所以侧扫声呐出现以后很快得到广泛应用，现在已成为水下探测的主要设备之一。在军事上，侧扫声呐主要用于海底沉底目标、水雷、蛙人和潜艇等的探查,水下战场环境调查以及援潜救生等；在民用领域则主要用于水下考古、救捞、海洋大陆架专属经济区划分以及海洋工程等。当然，侧扫声呐也存在明显的缺点，比如只能获取海底相对起伏的数据，无法获得直观的、三维的地形图，海底深度测量的精度也比较低等。2. 3.一路进阶，不断迭代的探海利器近日，电影泰坦尼克号即将以3D形式在大银幕重映的消息

6、，再次将人们的记忆带回泰坦尼克号沉没事件。1912年，堪称当时世界上最奢华舒适的“梦幻邮轮”泰坦尼克号，与一座冰山相撞后沉入大西洋底3700米处。从那以后，许多人曾尝试着打捞泰坦尼克号的残骸，却毫无收获。直到20世纪80年代初，水下考古学家罗伯特巴拉德及其团队借助侧扫声呐技术，在距沉没区域约21公里处的黑暗海底发现了这艘巨轮。2023年4月15日，泰坦尼克公司联手美国伍兹霍尔海洋学研究所、维特研究所，在泰坦尼克号沉没100周年纪念日当天公布了船体残骸的首次全景绘制图。绘制该图，首先由研究人员以高分辨率测深侧扫声呐进行探测，再派出遥控潜水器依据探测结果实施拍摄。从发现泰坦尼克号到绘制残骸全景，在

7、其中发挥巨大作用的侧扫声呐也经历了巨大的发展变化：第一代是采用了模拟电路单波束声呐。早期声呐由模拟电路和模拟器件构成，完成信号处理和目标跟踪等功能。声呐向水下发射一个声波窄波束，随着船体的移动，形成从点到线的测量。1970年，英国海洋研究所研制出适合大洋使用的G1oRIA侧扫声呐，作用距离可达20多公里。第二代是采用了混合模拟/数字电路的单波束声呐。20世纪80年代后，计算机的普及加快了侧扫声呐数字化进程，声呐由模拟电路进化为混合模拟/数字电路，从仪器制造到数据采集处理都发生了根本性的变化。美国K-MAPS测绘声呐的工作深度可以达到4001000米。第三代是采用了数字电路单波束声呐。随着科学技

8、术的发展，声呐发展为以高性能计算机为控制处理核心，并广泛采用数字信息处理，由电子器件和电子电路构成的探测设备。我国自主研发的Shark-S455M多波束侧扫声呐具有低速和高速两种使用模式，可根据需要实时在线选择。低速模式为单波束双频侧扫，可极大提高中、近距离沿航迹方向的分辨率。高速模式为高频多波束侧扫,提高了测绘效率。第四代是采用了数字电路的多波束声呐和多脉冲声呐。相比传统侧扫声呐,多波束声呐和多脉冲声呐提高了信号的空间采样率，很好地解决了近程和高速拖曳情形下目标丢失的“灯下黑”现象。美国一家公司研发出了第一款使用波束技术的侧扫声呐系统K1einSystem5000型声呐。这型声呐有效减少了海

9、上侧扫时间，降低了测量成本，被广泛应用于高速扫雷、港口安全、管线和路由检查。第五代是采用了数字电路的合成孔径声呐。合成孔径声呐是一种新型二维成像声呐，具有横向分辨率与工作频率和距离无关的优点，分辨率比常规侧扫声呐高1到2个量级。据报道，国外一些研究机构已将合成孔径声呐技术应用于水下潜航器，作用距离提高4倍，分辨率提高36倍。如今，国内外在侧扫声呐系统研发领域水平基本相当，美国K1einMarineSyStemS公司的K1ein系列，瑞典DeePViSiOn公司的DE系列，我国北京蓝创海洋公司的Shark系列等，都是广受欢迎的侧扫声呐系统。此外，“蛟龙号”和“彩虹鱼”号等载人潜水器的重大突破也在

10、一定程度上促进了侧扫声呐的发展。2.4.一物多能，军事应用前景广阔二战时期，日本十分依赖海上战略物资输送。1945年3月27日，美军启动了一项名为“饥饿战役”作战任务，出动了上百架B-29轰炸机在东京、名古屋等重要港口和源户内海的主要航道布设了超过12000枚水雷，使其海上交通几近瘫痪。虽然日本相继投入340余艘舰船和2万多人进行扫雷，但是收效甚微。据统计，扫雷要比布雷成本高出10200倍，未来一旦发生海战，水雷封锁依旧会大概率成为海上通道封控战的首选手段。但随着侧扫声呐技术的迭代发展，其对海下“扫描”的“清晰度”越来越高。在这种情形下，合成孔径声呐技术的重要性便凸显了出来。合成孔径声呐可以获

11、得明显优于传统侧扫声呐的海底成像效果，由于低频声波传播衰减小，作用距离远，使得低频宽带合成孔径声呐可用于探测沉底雷和掩埋雷。运用在战场上，可以大幅提高扫雷成功率，缩减成本。近年来，无人潜航器的新闻“出镜率”陡增。在多国竞相参与下，不断下水的无人潜航器正在不断拓展水下“用武之地”。作为一种无人驾驶、依靠遥控或自主控制在水下航行的智能化系统，面对海下复杂地形，潜航器如何能实现自主控制？据业内人士分析，随着侧扫声呐技术致力于三维海底地形的可视化，把声呐设备的接收换能器作为突破口，可在对海底的“扫描”中得到三维图像，用于海图绘制和水下导航，为潜艇或水下无人潜航器遂行军事任务提供精细化环境支持，协助实现

12、“自动驾驶”。除扫雷和海底三维成像外，侧扫声呐在军事应用上的“切入点”还有很多。未来，新技术的发展将使其产生更多军事运用热点：利用高效与高精度兼具的新技术，为战时舰艇出港航道高效快速清扫提供手段支持。实际应用中，侧扫声呐正在克服“扫测速度越快，扫测宽度越窄”的缺点，多脉冲等新技术的发展和完善有助于实现高效高精度的测量，助力舰艇在战争中快速前出，抢占时机。利用目标识别和海底底质分类技术预置水下武器。要实现在海底预置武器,特别是一些有特殊布防要求的武器装备，需要对部署海域的地形、地貌以及海底沉积层特性进行充分的调查研究，通过声呐图像自动识别水下目标和底质分类工作，可实现水雷、海底预置武器的布设以及

13、水下威胁目标探查。利用新型声呐换能器技术整体提高侧扫声呐的探测性能。换能器是整个声呐系统的核心部件，从换能器的设计出发，朝着大功率、宽频、小体积和抗干扰的方向发展，实现最大化减小环境噪声和混响的影响，能够使装备它的潜航器更出色地执行情报侦察、跟踪敌方潜艇或作为诱饵协助猎杀潜艇、搭载导弹攻击等任务。3.侧扫声呐装备技术3. 1.基本工作原理侧扫声呐是一种通过在双侧布设指向性换能器，利用回声测距原理来测量海底信息和水下物体的海洋探测设备。侧扫声呐系统一般为拖曳式，由拖曳体（拖鱼）、数据缆和甲板单元3部分组成。扫测作业时，母船只拖动拖鱼在海水中航行，在拖鱼的两侧各产生一束与航向垂直的扇形波束，形成以

14、换能器为中心的窄梯形脚印，如图1所示。声波在水中遇到物体或碰到海底后，因反向散射传回换能器，声信号被换能器转换为电信号，经滤波处理进行显示存储，信号波动幅度反映了海底起伏及地质情况。航行方向图像插值技术：侧扫声呐在作业过程中，因航速不稳定或抖动，图像会出现一定的变形失真。为增强图像的显示效果，常采用双线性插值法对图像进行处理，填补图像中的缝隙，实现图像的连续显示。处理前后的图像对比可以看出，插值技术提高了图像的清晰度，如图2所示。(a)原始图像(b)插值后图像图2插值前后的图像对比图像姿态矫正技术：受海洋环境中洋流等因素的影响，拖鱼航行过程中会出现摇晃摆动或者由于其他原因引起的航向角的变化，难

15、以保证良好的水下姿态。拖鱼姿态的变化会导致图像坐标产生一定的偏差，通过建立坐标旋转模型，对拖鱼的航向角、横摇角和纵摇角进行校正，可以提高航迹的稳定性，校正结果如图3所示，可以看出图像经过校正后，显示更加清晰，地貌地形显示更为清楚。图3姿态校正图像图像拼接技术：由于侧扫声呐图像条带间是相互独立的，需要基于地理坐标等信息对图像进行匹配，再融合拼接为一个完成且连续的图像，常用基于变换域或空间域的图像拼接技术。图像拼接结果如图4所示，可以看出经过拼接后的图像能够显示海底全局，能够增加侧扫声呐成像的可视化效果。图4图像拼接结果?.3.主流装备型号及应用场景侧扫声呐主流型号装备主要包括K1ein3000系列、EdgeTech4200系列、SharkS450系列，主要应用于海洋测绘、海洋地质调查、海洋工程勘探及水下沉船沉物寻找等领域。例如，2017年4月采用侧扫声呐(K1ein3000,445kHz)进行礁区数据采集。实验证明，应用侧扫声呐技术能够对海底礁石进行直观、大范围的探测，能够读取细微信息，作业效率较高，可对礁石的整体分布、稳性进行客观评估，如图5所示。图5侧扫声呐捕获的礁体布局图?.多波束测深声呐装备技术?.1.基本工作原理多波束测深声呐采用Mi11S交叉结构的换能器阵