技术聚焦：侧扫声呐深度剖析

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尽管当今的多波束回声测深仪带有反向散射的功能，但是在海底绘图方面，传统的侧扫声呐（Side Scan Sonar, SSS）仍然具有许多优势。过去的几年中，侧扫声呐技术发生了一系列的演变，但并没有革命性的变化。今天，我们将视线聚焦到侧扫声呐这个声学成像利器上。

侧扫声呐主要用于探测物体和海底结构，通过安装在SSS拖鱼两侧的两个换能器发射声波脉冲并将其数字化，从而获得海底图像。SSS将回波能量强度沿着时间线进行显示从而获得海底的连续图像。侧扫声呐能够呈现高度精细化的图像，不仅能显示物体的存在，同时还能展示物体的材料类别（通过强反射和弱反射）。

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侧扫声呐系统通常装载在一个1～2米的拖鱼内，也有一些制造商提供更小尺寸（长度约为0.4m）的SSS系统，还有为一些无法进行拖拽的浅水区域设计的点状侧扫声呐系统，和为深水成图准备的安装于ROV／AUV上的SSS换能器。

侧扫声呐与多波束测深仪

侧扫声呐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的比例，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。

侧扫声呐的成像原理

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相反的，多波束回声测深仪会从专用的高精度、高分辨率波束换能器阵列中得到水深数据。现在多数多波束系统也可以获取反向散射数据。多波束反向散射和SSS之间的区别是多波束每一个波束都会产生一个反向散射数值，而SSS可以产生一个（非常接近）连续的信号，因此拥有更高的分辨率。

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如此来说，混合SSS在高精度工作上并不能替代多波束测深系统，同样的，带有反向散射功能的多波束系统在搜寻微小物体、区分底质类型上也无法取代SSS。然而，在很多工作中，不管这两个系统哪个更加重要，另一个系统提供的数据仍然有参考价值。

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量程

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SSS系统由一系列参数定义，其中量程和分辨率最为重要。SSS的分辨率决定图像质量，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反向散射分辨率。量程则决定SSS的效率（一条线可以扫测的海底宽度）。量程实际上是SSS发射频率的函数，频率越高量程越低，（GeoSide1400: 1000m@100kHz、300m@400kHz）。现代的侧扫声呐很多都具有双频甚至三频运行的功能，可以在不切换系统、不用多跑测线的条件下同时获得大量程（分辨率低）和小量程（分辨率高）数据。

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垂直航迹分辨率

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。以前传输信号是CW模式，现在SSS的传输则是通过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垂直航迹分辨率。

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CW型SSS的垂直航迹分辨率是由信号的脉冲长度决定，而Chirp型的垂直航迹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。

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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可以在拖拽状态下用连续波束/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

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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。目前，SSS制造商采用两种不同的解决方案来提高拖拽速度。一是采用多波束技术，例如在SSS的一侧使用5个波束，沿航迹方向的分辨率就可以提高5倍，从而可以允许较高的拖拽速度；二是采用多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。

反向散射分辨率

数字系统中最后一个决定图像质量的参数是将接收到的声学信号进行数字化转换成可用的数字信号的水平。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可以将拖鱼的数据通过网络传输到声呐处理器上进行数字化处理。要实现信号数字化，必须有A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，A/D转换器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，尽管这看起来很低，但我们应该知道一个24位的SSS能够获取超过1600万不同的灰度阴影，而12位的“仅仅”能捕获4096个。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位之间。

附加功能

所有的SSS都会提供反向散射图像，毕竟这是SSS的主要用途。不同的系统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。最终让客户拿定主意的很可能是附加功能的数量。一些有趣的选择包括运动传感器、罗经和高度或深度传感器，这些传感器集成到SSS拖鱼上，能够对拖鱼进行姿态修正并对拖拽深度进行微调。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。

一个有趣的功能是“填缝”，它可以覆盖SSS的正下方——常规SSS无法扫测的地方。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测量轨迹间的重叠率。

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