关键词：侧扫声呐；海洋探测；海洋资源
海底地形地貌作为了解和认识海洋的基本信息，在海洋资源开发、海洋工程建设和海洋权益维护等方面具有重要意义。海底信息的探测是进行海底科学研究的基础，是了解海洋空间形态特征的基础资料。由于声波在水中传播的独特优势，目前海底信息的快速获取主要依赖于声学探测设备，主要包括单波束、多波束和侧扫声纳系统。前两种设备是通过测量海底深度反演海底地形，称之为等深线成像：侧扫声纳系统根据回波强度反映海底地形变化；相比而言，侧扫声纳探测效率和分辨率较高，可获得更清晰的目标信息，在国内外应用广泛。
一、侧扫声呐检测原理
侧扫声呐技术运用海底地物对入射声波反向散射的原理来探测海底形态，它能直观地提供海底形态的声成像。通过声呐线阵向左右两侧发射扇型波束，海底反向散射信号依时间的先后被声呐线阵接收，有一定高度的海底障碍物在侧扫声呐资料上能产生“阴影”。通过对不同的成像条件下得到的声呐图谱中“阴影”的研究，可以判断海底管线的状态为透空还是非透空，从而评价悬空管线治理效果。当海底管线状态为悬空时，侧向发射的声呐波束首先遇到管线形成强反射，其反射时程最短，最先成像在声呐图谱上；管线下方与海床面之间的空隙（空隙高度即为悬空高度）可允许声呐波束穿过，形成“声学透空区”，其反射时程次之，在声呐图谱上位于管线强反射外侧；管线本身会遮挡一定宽度范围的声呐波束穿过，形成“声学阴影区”，其理论反射时程最长，在声呐图谱上位于“声学透空区”外侧。如此，悬空管线形成的声呐图谱由近及远依次为管线强反射、“声学透空区”海底面反射、“声学阴影区”空白反射（图１ａ）。当悬空管线经过非透空式治理之后，侧向发射的声呐波束首先遇到管线及其下方支撑的砂袋，形成较强反射，其反射时程最短，最先在声呐图谱上成像；同时，管线及其下方支撑的砂袋本身会遮挡一定宽度范围的声呐波束穿过，形成“声学阴影区”，其反射时程较长，反映到声呐图谱上，就是在管线与砂袋强反射外侧成像。如此，悬空治理之后管线形成的声呐图谱由近及远依次为：管线和砂袋的强反射、“声学阴影区”空白反射（图１ｂ）。当采用水下短桩支撑等透空式方法治理时，在水下短桩处会产生图１ｂ所示的波束路径和声呐图谱，而两管线桩之间区域的反射特征相当于管线悬空时的探测结果（图１ａ）。
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二、国内外现状
1.国外侧扫声呐技术现状。近年来，随着计算机处理技术的快速发展和应用，有效的推进了侧扫声呐探测技术的发展，出现了一系列以数字化处理技术为基础设计的数字化侧扫声呐设备，进而使得侧扫声呐技术发展达到了一个全新的台阶，图3是常见的侧扫声呐换能器拖体。符合特定探测深度和精度的侧扫系统正在不断的被研发出来。美国Klein公司近年研发的Klein5000系列深海多波束侧扫声呐系统，采用波束控制和与数字动态聚焦技术，在拖鱼每一则同时生成数个相邻的平衡波束，可以实现高速拖曳全覆盖的同时获得高分辨率的地貌图像信息。2008年法国IXBLUE公司推出了第一款商业化的高性能合成孔径声纳系统SHADOWS，它意味着声呐制造技术迈向了一个更高的台阶。在技术理论研究上，多种高分辨率海底地形地貌探测信号处理算法被提出，有效的改进了侧扫声呐系统的性能，如高分辨率子阵拟合算法、差分相位算法、计算到达角瞬态成像（CAATI）算法等。
2.国内侧扫声呐技术现状。我国对侧扫声呐系统相关技术的研究起步较晚，技术也相对落后，目前国内使用的大部分声呐探测设备都是从欧美发达国家进口，直到1970年，我国才开始研究侧扫声呐系统，并于1972年由中国科学院声学研究所研制出了我国第一款舷挂式侧扫声呐系统。后续又研制出了拖曳式的侧扫声呐系统CS-1，这些设备被很快的应用到了我国海军相关的武器装备上，有效的填补了我国在这方面的空白。到2000年，我国的侧扫式声呐技术在理论研究上已经和发达国家不相上下，国内相关专家提出的一些侧扫声呐技术得到了世界的公认，如中科院的研究员李海丽带领其团队设计的基于神经网络技术的侧扫声呐图像滤波处理算法，可以有效的改善侧扫声呐系统的图像质量，增强侧扫声呐系统在复杂环境下的抗干扰能力，但由于受开发侧扫式声呐系统产品的相关工程技术的局限，导致我国该类产品的开发还存在一定的问题，没有领先世界的产品推出。
三、侧扫声纳技术的发展趋势
通过对国内外侧扫声纳探测技术的现状和研究进展总结分析，了解到侧扫声纳技术有很多方面需要完善。根据当前学科研究的热点问题，给出了侧扫声纳技术未来的发展趋势。
1.合成孔径声纳技术。合成孔径声纳可以获得明显优于传统侧扫声纳海底成像效果，因此也成为近年研究的热点之一。其优点在于具有高且均匀的空间分辨率，但成像稳定性欠佳，关键还在于高质量多子阵成像算法的实现和运动补偿等方面。
2.声纳换能器的研发。声纳换能器是整个系统的核心部件。从换能器的设计出发，消除或最大化减小环境噪声的影响值得考究；换能器的带宽特性会影响到传递信号的频谱特性和波形，先进的信号处理技术需要换能器足够的带宽支持，因此换能器的带宽设计也将成为重要的研究方向：未来换能器会向着大功率、宽频、小体积、抗干扰的方向发展。
3.三维海底地形的可视化。一是从仪器本身着手，在拖鱼两侧使用至少两条接收换能器阵．通过测量水声信号到达两阵元间的相位差得到水深数据；二是从数据后处理出发，综合多波束和侧扫声纳的优势互补，融合二者信息得到三维海底地形。前者发展迅速，但精度有待提高：后者借鉴遥感图像的处理方法，实现两者配准融合已不再困难。但两者成像机制和探测精度均有差异，高精度的数据融合算法仍需挖掘。
4.高效高精度的实现。实际应用时，扫测速度和扫宽是相互矛盾的，获取高分辨率的地形或目标，较大的扫宽需配以较低的扫测速度。克服两者矛盾实现高效高精度测量，需要多脉冲等新技术的发展和完善。
5.多传感器信息融合。侧扫声纳系统集成多传感器，数据信息量较大，数据融合技术成为研究热点之一。由于工作环境复杂．内置的姿态补偿较差．位置精度不高，可借助外在的高精度姿态和导航信息，将其完整的融人声纳系统。
6.目标识别和底质分类。通过目标辐射噪声自动识别目标物．在军事和民用方面均具有较大的潜力，当然这需要对大量的目标样本进行特征提取分析并建立相应的数据库。根据建立的数据库更好的进行底质分类工作，相应的底质分类方法需要完善。
本文从技术原理、国内外发展现状和未来发展趋势对侧扫声呐探测技术进行了综述。从侧扫声呐探测系统国内外发展现状对目前侧扫声呐探测技术应用及相关理论研究做了详细的介绍，并探讨了侧扫声呐探测技术未来发展趋势，为后续在海洋侧扫声呐探测技术方向的进一步研究指明了方向。
参考文献：
[1]李佳.侧扫声纳系统在海底管道检测中应用研究[J].海洋工程,2017(3).
[2]李惠敏.基于侧扫声纳图像海底目标物提取方法[J].海洋测绘,2017(6).
[3]邵涛.利用侧扫声呐观察和测量河床推移质的运动[J].应用声学,2017(1).
论文作者:李善粒
论文发表刊物:《城镇建设》2020年3期
论文发表时间:2020/4/3
标签：声纳论文; 波束论文; 海底论文; 管线论文; 技术论文; 反射论文; 声学论文; 《城镇建设》2020年3期论文;