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1、 侧 扫 声 呐 记 录解 释Side Scan Sonar Interpretation美 国 劳 雷 工 业 公 司150序言在过去的二十多年里，侧扫声呐在海道测量、海洋工程地质调查以及海洋地质科学研究中得到了广泛的应用。它能够迅速快捷的执行各种海洋调查任务。目前已成为海洋测量调查研究的必不可少的重要手段。第一部分声呐的基本组成和应用概述在这章里我们将看到声呐基本组成和声呐系统一般地工作状况，并单独的介绍了侧扫声呐的特点，侧扫声呐图象形成机理。同时也介绍了侧扫声呐记录图谱解释基础。在这章的最后，讨论这一技术的应用。并列举了部分记录实例。声呐的基本组成图1显示了主动式声呐系统的基本组成部件。
2、这从一个简单的回声测深仪直到如此复杂精密的侧扫声呐，各系统的差异在于它们的设计的细节以及组成各个部件的器件电路不同。主动式和被动式声呐的不同在于在主动式声呐系统中，系统发射一声信号，并且收听从目标反射回来的信号；而被动式声呐系统它自己不向下发射出声信号，只是用自己的方式在收听水中的声信号。换能器是任何声呐系统的核心部件，它将一种能量转变成另外一种能量的装置。大多数声呐的换能器是压电陶瓷的，这种物质具有这样一种物理特性，当一个电压加到它上时将引起它的物理形态发生改变，它将由发射机所产生的振荡电场转换成机械形变，这种形变传送到水中，在水中产生振荡的压力即声脉冲。声波在水中，按照水的物理性质所确定的
3、方式传播，直到它碰到一些物体，例如海底或在水中的目标。一部分声波离去，一部分被反射返回到换能器基阵。同一个换能器即可用来发射声呐脉冲又可用来收听反射的回声信号。换能器又是一种检测声压力变化的机械装置，它将压力变换转换成电能。这种电能被声呐的接收部分检测并且放大。最后，必须有一个具有控制功能的主单元，对系统各个部件同步操作提供一个标准的精确的钟。一控制部分将显示所接收的数据，如测深仪上闪烁的灯或高分辨率的屏幕显示，以及热敏记录纸显示侧扫声呐/浅地层剖面仪所接收的数据。声呐系统并不是直接测量深度或者距离的。声呐实际上是测量和显示的是时间，这一时间是从所发射的声呐脉冲离开换能器阵在介质中传播到目标，
4、然后返回换能器的时间。声呐的精度取决于系统测量这个时间的准确度。然而，通常我们对时间不趣。而对距离感兴趣，我们将声呐做为一个测量工具，我们所关心的是从换能器到目标的距离。这个距离是与声波的传播时间相关的，即与声波在水中的速度相关的，十分碰巧这是一个已知数字。当确定距离时，应考虑到我们测量的是二倍程的传播时间，必须加以校正。声呐信号在进行必要的处理后，送到记录显示单元如(CRT,热敏记录仪等),并且可以存储在大容量的记录媒体上(如磁光盘或Exabyte磁带上)。 通常声呐图像是有两个通道组成，这两个声呐通道靠在一起，我们称为“中心输出”显示。图6中显示了两个通道的记录数据，记录数据的中心，相当于
5、拖鱼的轨迹。并且显示在左侧和右侧的声呐数据，分别对应于拖鱼的左舷和右舷换能器。垂直波束角足够的宽，它们完全覆盖了拖鱼的正下方。侧扫声呐的几何关系侧扫声呐的几何关系是人们对侧扫记录判读解释的关键。装有换能器的声呐载体(拖鱼)被拖曳在海面下一定深度。记录的开始时间是声呐的发射脉冲。声呐测量和显示是从拖曳载体到反射物体的距离，并且任何事物都必须参照这一点。同一个换能器在 发射声脉冲后即开始收听回声，发射脉冲也可看成是一个信号，事实上它是非常强的，在每个通道的显示开始部分形成非常黑的标志。下面接着将是一时间周期，在这段时间内声呐脉冲通过水体并且没有产生任何回声。如果有一群鱼出现在这一水域，这样在记录上
6、将出现一块黑色区域。除非没有任何物体。 到达的第一个回声信号可能是来自于水面或是来自于声呐把鱼下方的海底面反射信号，这取决于声呐拖鱼在水柱中的位置。由于侧扫声呐声波束在水平面是狭窄的，而在垂直面是宽的，声波即可到达海面又可以到达声呐拖鱼的下方的海底，在图8中由于声呐拖鱼更靠近海面，记录所显示的第一回声信号从是海面的返回的回声信号，呈现出一条不连续的线。接着底部的回声信号将到达，然后相对于声呐更远距离上的海底回声信号将依次到达声呐。从最初输出脉冲所产生的深色的线起，随着距离增加相应的回声信号将被打印在记录纸上，注意这些是倾斜距离，并不代表从调查船航迹的海底面上投影到海底面上某一点的真实水平距离。
7、真实的水平偏移通过计算容易得出，在本文的最后一部分将会详细叙述。凸出海底面物体将阻挡声波到达超出物体后一定距离的海底。这样在最终的记录上将出现一块白色的声学阴影的区。无论是在看一通道或二通道的声呐记录数据，无论它是如何取向，在头脑中始终保持着侧扫声呐几何关系，对记录的解释和对图像的判读将是非常有益的。侧扫声呐的应用在后面几页例举的记录是侧扫声呐所能获得的图像质量，它们只是这项技术应用广阔范围的一小部分。第二部分声呐设计细节概述第一章我们讨论了声呐的一般性质以及侧扫声呐的特点，现在我们将更详细地讨论声呐的设计特点。首先将研究发射能源级，然后介绍声脉冲长度和发射波束形状，最后讨论频率选择的重要性。
8、我们将依次讨论上述各个因素以及它们对声呐性能的影响。我们所介绍的某些细节可能超出你了解、操作侧扫声呐所需的范围，但是我们的最终目标是获得海底的清晰图像，因此除介绍声呐设计外，还想多介绍一些知识，这些知识比介绍具体声呐或具体作业的操作手段来得要更为重要。声源级声音是介质中产生的机械振荡扰动，它由交变的高、低压区域组成。水中交变的压力是当换能器受到电脉冲激励之后在其表面上的振动所产生的。发射到水中的能量定义为声源级，它用分贝(dB)表示，它表征相对于单位距离参考压力所产生的平面波的声音强度。对侧扫声呐而言，一般参考压力选1微帕(1 Pa)，距离选为1m。按这一标准定义，大多数声呐的声源级峰值为22
9、8dB。当对声呐设备实际的指标进行比较时，应该了解定义中所选用的参考点，因为有几种参考点可供选择，选择不同的参考点，声学输出值可能从根本上就各不相同。下面当我们利用声呐方程预测声呐性能时还会再此涉及声源级的问题。初看起来，应该往水里发射尽可能大的功率，以便达到最大的测量距离；但是事实上有几个因素显制了每种脉冲向水中发射的能量，其主要原因是空化现象。换能器驱动越厉害，所产生的正负压力幅值越大，当负压超过空化阈值时，水体将被“撕开”，形成空穴气泡。气泡形成之后将会破裂，它可能会损坏换能器，吸收掉能源，破坏波束形成过程。声呐设计中应考虑的附加因素是换能器的过热现象，由于采用短的脉冲，时间占空比很小，
10、过热将不是什么问题。脉冲宽度在设计声呐选择脉宽时，应该在分辨率和距离之间进行权衡。选用短脉冲时分辨率较高（下面将讨论）；而长脉冲的带宽较窄，因而对周围介质的噪声不甚敏感，从而可以增大测量距离。商用声呐系统采用折中的方案，使各个方面都拥有令人满意的性能。典型的商用声呐的脉宽为0.1ms(100kHz系统)。脉冲在水中具有一定的物理尺寸，它取决于声速的大小（图19）。当声呐脉冲后沿离开换能器表面时，其前沿已传输了一定的距离，该距离等于声速和脉宽的乘积，因而水中传播的脉冲是一个具有一定厚度的波前。脉宽的大小将会影响声呐能够测出的横向（距离）分辨率。横向（距离）分辨率分辨率指区分两个不同目标的能力。如
11、果两个目标在距离上过分接近，那么从这两个目标上返回的回波将叠加在一起，在记录图上这些信号混在一起，看起来好像是一个目标似的（图20）。从理论上来讲，两个目标的最小距离应至少等于脉宽的一半。对于常规声呐而言，这个距离应从1.5cm(500kHz高分辨率设备)至15cm(50kHz分辨率较低的设备)。但实际上得到的分辨率总小于上述理论值。由于波束是倾斜状态，因此任何时候抵达较靠近声呐的海底处的“足迹”总是较长，分辨率与倾斜角的余弦有关。离声呐越远，横向分辨率越高。但是还有一些因素降低分辨率，因此上述结论并非完全正确。这里应该注意：分辨率与检测率是两个十分不同的概念。分辨率是区分两个距离很近的目标的
12、能力，而检测率是指在全部声呐图像能够看出目标的能力，它取决于另外一些因素。目前可以明确地说，声呐能够在正常测量中能显示出直径小至1cm的合成纤维绳。波束宽度我们已指出，侧扫声呐的波束在水平面上很窄，而在垂直面上较宽，在典型声呐系统中，水平波束角大约为1o，而垂直波束角40o。波束宽度可以决定声呐能够获得的分辨率，但如果仅就此一项进行判断，有时就可能产生一些误解。事实上，尽管波束的定义是标准化了的，但仍然是对很复杂的现象进行尽量简化的结果。另一个重要的因素是某个具体声呐的波束形状，它将能更真实地反映声呐的性能，例如，从波束形状可以判断交叉干扰是否是应解决的问题，是否存在旁辨效应等。波束形状由声呐
13、设计确定。侧扫声呐换能器由陶瓷元件的线形阵列构成，晶体表面上每一点都起声波发射源的作用。我们可以设想，每个无限小的点发出的一个声脉冲，该脉冲沿各个方向扩展开去(图21)。如图所示，我们仅研究两个点的情况，我们可以看出，在距换能器某一距离上，各个点所产生的压力波动将碰到一起，由于相位不同，它们或相加，或相减。换能器表面上所有各点都将出现同样的过程。所有相加或相减的最后结果就产生上述的波束形状。在波束轴线上声压得到增强，而在其两侧则趋势互相抵消。线列阵的波束宽度为50.6*/L，式中为声脉冲的波长（=频率/声速），L为线列阵长度。波束形状及指向性图22示出100kHz声呐换能器的典型水平波束方向图
14、，用经过校准的水听器布放在不同的角度处测量声呐的输出即可画出该方向图，其测量结果是输出值(dB)与角度的函数关系，并以极坐标来表示。可以明显地看出，波束中心线上信号很尖锐，而旁辨信号很弱。波束强度的标准定义是对应于-3dB点处或半功率点处的扩散角度。请注意，换能器既从其前表面发射声波，也从其背面发射。尽管设计人员力图消除后向发射，但总或多或少地存在着。我们在解释一节中再讨论这个问题，因为在某些情况下剩下来的交叉声干扰将对声呐图像产生某中影响。换能器的接收波束指向图与发射波束指向图一样，根据可逆发射原理，换能器的发射和接收响应是一样的。有源声呐的有效双向波束宽度比单向传输的波束宽度窄些。选用较窄的波束宽度不仅是为了获得清晰海底图像的需要，而且也有助于抑制外部环境的噪声。海洋中的噪声来自各个方向，但对这些噪声的响应都可通过波束方向性进行控制(图23)，从而将大部分噪声抑制掉，进而改善声呐的性能。有关抑制噪声的措施，即阵列增益或方向性系数将在后面的声呐方程中进行讨论。典型100kHz声呐的垂直波束宽度与水平宽度大不相同(图24)，在-3dB点之后声压强度下降比水平波束情况要平缓得多，这就是为什么会接收到来自海表和海底的信号的原因。波束的主轴线与水平线呈10o下俯角，故大部分能量朝海底的方向发射，波束方向图上没有明显的零值，假若有明显的零
