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[侧扫声呐] 侧扫声呐内部结构剖析

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发表于 2016-11-30 10:56:38 | 显示全部楼层 |阅读模式

尽管当今的多波束回声测深仪带有向后发射的功能,传统的侧扫声呐(SSS)在进行海底绘图的时候仍然具有很多的优势。过去的几年中,SSS技术与其说经历了一场革命不如说经过了发展。对于这种声波成像利器,此文中我们将聚焦其工艺最新状态。
侧扫声呐主要用于探测物体和海底结构,通过安装在SSS拖鱼两侧的两个发射器发射声波脉冲并将其数字化,从而获得这些图像。它是将回波能量强度根据时间线进行显示从而获得海底的连续图像。这类仪器能够呈现精细化的图像,不仅显示了物体的存在同时还展示了物体的材料类别(通过强反射和弱反射)。
SSS系统通常装载在一个1到2米的拖鱼内,也有一些制造商能够提供长度在0.4m左右的更小尺寸的系统,甚至由于浅水中无法进行拖拽而为此准备的点状系统,或者为深水成图准备的安装于ROV/AUV的传感器。  
SSS与多波束回声测深仪的比较
     SSS系统并不提供直接的高度或者深度,高度和深度必须从图像上推测(物体高度与拖鱼高度成比例,等于物体阴影长度和拖鱼与阴影末端距离的比值)。有的生产商提供所谓的混合SSS/测深系统,通常来说,这些系统利用相干多波束测深技术产生全幅SSS图像。
相反的,一束多波束会从专用的高精度、高分辨率波束传感器阵列中得到水深数据。现在多数多波束系统也可以获取后向反射数据。多波束后向反射和真正的SSS之间的区别是多波束每一个波束都会产生一个后向反射数值,而SSS几乎可以产生一个连续的信号因此可以给出一个更高的分辨率。
如此说来,混合SSS在高精度工作上并不能替代多波束,同时带有后向反射功能的多波束在搜寻微小物体、区分底质类型的时候也无法取代SSS。然而,很多工作中两者不管哪个更加重要,另一个也依然可以提供有价值的信息。
量程
SSS系统是由一系列参数定义的,其中量程和分辨率最为重要。图像质量由SSS的分辨率决定,分辨率可以分为沿航迹方向分辨率、垂直航迹方向分辨率和后向反射分辨率(图2)。量程则决定SSS的效率如何(一条线可以扫多宽的海底)。量程实际上是SSS发射频率的函数,频率越高量程越低,(500m@150kHz、35m@1600kHz)。现代SSS很多都具有同时双频甚至三频的功能,可以不必切换系统、不用多跑测线的情况下同时获得大量程(分辨率低)和高分辨率下的较小量程。
量程分辨率
垂直航迹分辨率或者说量程分辨率决定了在SSS波束方向上所能看清的两个物体之间最小的距离。之前,传输信号是CW模式,现在的SSS传输则是通过FM或者CHirp信号,Chirp的主要优势在于兼顾更大的量程和更好的量程分辨率。
CW型SSS量程分辨率是由信号的脉冲长度决定,而Chirp型的量程分辨率是由信号的带宽决定的,发射的信号脉冲更长从而可以增大发射能量。一个高频低量程(1600kHz,35m)的Chirp型SSS,其量程分辨率是亚厘米级的,可以获得非常好的垂直航迹方向的图像细节。
沿航迹分辨率
传统意义上SSS的沿航迹分辨率是由侧扫声呐的所谓水平波束角(典型的在0.2°到1.5°之间)、有效量程和拖拽速度决定的。小的波束角在短量程下能够探测到航迹旁边的微小物体。鉴于搜寻物体时经常需要对海底进行100%全覆盖测量,NOAA的规范指出对于一米见方的物体至少需要有三次扫描。这就导致SSS会有一个最大限速,在此速度下,SSS可以在拖拽情况下用连续波束/ping探测到相当远距离的物体,对常规SSS系统而言此速度大约在4-5节。
多波束和多ping
如果能从一个物体上接收到更多的回波,就具有提高拖拽速度的可能。最近SSS制造商备选两种方案来提高拖拽速度(图3)。一是采用多波束技术,例如在SSS的一侧采用5个波束,沿航迹方向的分辨率就可以提高5倍,从而具有提速空间。二是在水中采用多ping技术,CW型SSS无法实现但是Chirp型却可以满足,如果在水中对于一个确定的量程有2个ping,那么有效拖拽速度也可以提高两倍。现代多波束SSS或者多pingSSS系统可以在12节船速下使用。
后向反射分辨率
最后一个决定图像质量的参数是在数字系统中,将接收到的声学信号进行数字化转换成可用数字信号的水平。过去,SSS数据是在纸上采集,因此数字化没有用武之地。现在SSS却可以将拖鱼的数据通过网络传输到声呐处理器上并进行数字化。要实现这个目的,必须有A/D转换器将模拟信号到数字信号转换器。用于信号记录的数字位数决定了细节可辨识度的高低,对现代SSS而言,信号的获取在12位到28位之间,尽管这些数字看起来很低端,但应该意识到一个24位的SSS能够获取超过1600万不同的灰度阴影,而12位的能捕获的灰度阴影“仅仅”为4096。相比之下,一台现代数字照相机每一个颜色通道大约在12到16为之间。
选项
所有的SSS都会提供后向反射图像,毕竟这是SSS的主要用途。不同的系统之间分辨率和量程都会有所不同,这也是制造商区别他们产品之所在。最终让一个客户拿定主意的很可能是可用选项的数量。一些能够引起兴趣的选项包含运动传感器、罗经和高度或深度传感器,这些集成在SSS拖鱼上,能够对拖鱼进行姿态修正并对拖拽深度有一个很好的判断。SSS系统可以有多种选择,运动传感器用于在运动状态下稳定波束从而维持波束穿过海底时的连续。有一些SSS拖鱼包含水温传感器,可以实时获取周围声速。多数SSS配备可选择的拖拽支架,用于同时拖拽磁力仪,还有一些SSS集成了浅地层剖面仪功能,可以在一个航次中完成地球物理调查工作。
一个有趣的选项是所谓的“填缝声呐”,它可以覆盖SSS的正下方——常规SSS无法扫测的地方。因此,这种填缝在理论上能够提供海底全景图,并且能够显著减少SSS测线间的重叠率。




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发表于 2017-1-16 13:34:07 | 显示全部楼层
你这文章这是要出名了
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发表于 2017-1-22 08:51:23 | 显示全部楼层
文章好专业的感觉,我只想知道把那条托鱼解剖了里面都有啥?
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 楼主| 发表于 2017-2-12 16:14:24 | 显示全部楼层
海阔天空 发表于 2017-1-16 13:34
你这文章这是要出名了

怎么说。。。
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