參考：https://blog.csdn.net/u013480539/article/details/51799852

一、原理

1、工作原理

? ? ? ?側掃聲納的基本工作原理與側視雷達類似，側掃聲納左右各安裝一條換能器線陣，首先發射一個短促的聲脈沖，聲波按球面波方式向外傳播，碰到海底或水中物體會產生散射，其中的反向散射波（也叫回波）會按原傳播路線返回換能器被換能器接收，經換能器轉換成一系列電脈沖。

? ? ? ? 一般情況下，硬的、粗糙的、凸起的海底，回波強；軟的、平滑的、凹陷的海底回波弱，被遮擋的海底不產生回波，距離越遠回波越弱。

? ? ? ?將每一發射周期的接收數據一線接一線地縱向排列，顯示在顯示器上，就構成了二維海底地貌聲圖。聲圖平面和海底平面成逐點映射關系，聲圖的亮度包涵了海底的特征。2點位于聲吶的正下方，回波是很強的正發射波；4、5、6回波較強，6的回波先到換能器，然后是第5點，第6點。6、7點沒有回波，產生陰影區。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?線圖

隨著水下聲吶載體的不斷移動，聲吶陣在前進過程中不斷發射、接收處理，記錄逐行排列，在顯示器上每一行掃描線上逐行顯示出每次發射返回的回波數據，各個回波到達時分分別對應各點的位置，即像素坐標，回波的幅值對應各點的亮度，即像素灰度值。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?海底平面圖

側掃聲吶：在采用灰度顯示時，一般暗色代表回波較弱，白色代表回波較強，也可以采用偽彩色顯示。

2、優點

　側掃聲納有三個突出的特點：一是分辨率高，二是能得到連續的二維海底圖像，三是價格較低。

3、應用

（1）?海洋測繪

側掃聲納可以顯示微地貌形態和分布，可以得到連續的有一定寬度的二維海底聲圖，而且還可能做到全覆蓋不漏測，這是測深儀和條帶測深儀所不能替代的，所以港口、重要航道、重要海區，都要經過側掃聲納測量。

（2）海洋地質調查

側掃聲納的海底聲圖可以顯示出地質形態構造和底質的大概分類，尤其是巨型側掃聲納，可以顯示出洋脊和海底火山，是研究地球大地構造和板塊運動的有力手段。

二、側掃聲吶數據接收處理

1、數據存儲使用XTF格式

? ? ? ?側掃聲納數據的處理是獲得海底信息的重要步驟,格式轉換是數據處理的基礎。現有的聲納數據主要有Qmips和XTF兩種文件格式,二者均為二進制格式存儲。

XTF 格式數據文件是 Triton Imaging Inc 公司使用的數據文件格式，是目前通用的地球物理聲學探測數據格式。

? ? ? ?近年來，我國開展的“近海海洋綜合調查與評價專項”就將 XTF 格式作為側掃聲納數據文件的標準格式。但此類數據需要配備專門的軟件 （如 sonarwizmap 等）才能讀取，并且一般數據量都較大。

2、XTF文件格式是一種可擴展的數據格式,它的伸縮性和可擴展性很強,可保存聲納、航行、遙測、測深等多種類型的信息。

? ? ? ?它可以很容易地擴展成將來所遇到的不同數據類型。每個文件都包括不同的數據包,根據數據包的標識信息識別數據包的類型。這樣可以僅讀取所需要的可認識數據包,而跳過其它不需要或不認識的數據包。數據包又叫做Ping。

XTF 格式文件開始是 XTFILEHEADER 結構，長度最少為 1 024B，它包括聲納通道信息和測深通道信息等。后面是不同的數據包，目前主要有聲納、測深、姿態和注釋 4 種類型。每個數據包都有一個頭結構。數據包的位置可以任意，讀取時依據頭結構的頭類型信息來確定數據包的類型。對于通道，每個通道有通道頭結構，后面是通道測量數據。

所有 XTF 格式文件都是由文件頭開始，文件頭由一個頭部說明和 CHANINFO 結構組成。形成一個完整的 XTF FILEHEADER 結構，最小長度為 1 024 字節。當 XTF FILEHEADER 結構中的通道數大于 6 時，則 XTF 格式 FIL－HEADER 的長度應該增加 1 024 字節。

解編 XTF 格式數據文件首先應正確讀出文件頭信息（XTF FILEHEADER）和文件頭中的通道結構信息 （CHANNINFO）。軟件實現時先從文件頭讀取 1 024 字節，讀取成功以后判斷該文件是否為 XTF 格式。判斷依據是第一個字節必須等于 0X7B，轉換為 10 進制為 123，否則該文件不是 XTF 格式。讀取了文件頭信息，便可取出文件頭信息（XTF FILFHEADER）結構中的聲納通道數，當通道數大于 6 時，需要再次讀取 1 024 字節。

每個通道都有一個通道結構信息 （CHANNINFO），通道結構信息中最重要的兩項是通道類型（TypeOfChannel）和采樣精度
（BytesPerSample）。當 TypeofChannel 值為 0 表示淺剖，值為 1 表示左舷，值為 2 表示右舷，值為 3 表示測深。采樣精度（BytesPerSample）值為 1 表示 8 位，值為 2 表示 16 位。

（1）頭文件數據存儲在XTFFILEHEADER結構體中，該結構體中包含六條信道空間，信道數據存儲在CHANINFO結構體中。XTFFILEHEADER結構體包含了該款側掃聲吶的一些基本信息，包括側掃聲吶名稱、類型，記錄軟件的名稱、版本，聲吶的通道數，當前坐標等等。

（2）XTFPINGCHANHEADER結構體顯示了通道信息，包括當前通道是左舷還是右舷，斜距，每一ping的持續時間等等。

三、側掃聲吶聲學參數設計

1、工作頻率

側掃聲吶一般工作在50 kHz-1. 2 MHz，較低的工作頻率可以有較大的探測距離，而較高的工作頻率能在有限長度的傳感器尺寸下得到高的角度分辨力。一般100 kHz左右的聲吶作用距離可達600 m, 500 kHz左右的聲吶工作距離為150 m左右。

2、傳播損失

傳播損失TL (dB>:水聲傳播損失主要計及球面拓展損失和吸收損失。TL = 201gr + ar x 10 -3(dB)，設最大探測距離:=150 m，當頻率較高時，海水的吸收衰減比較大，根據Fisher一Simmons吸收系數計算公式圖表查得:頻率為455 kHz時，a =120 dB/km,所以傳播損失雙程2TL -120 dB (455 kHz)。
3、目標強度

4、噪聲譜級

5、脈沖寬度

一般設計為50-200us

6、指向性DI:

換能陣列設計為一發多收，即用一個指向性較寬的發射波束照射目標，用多個平行窄指向性接收波束接受目標回波。

7、脈沖類型

?側掃聲吶發射脈沖形式主要有CW脈沖(單頻矩形脈沖信號)和Chirp脈沖(調頻脈沖)兩種。CW信號波形為正弦波形，其頻率(fo)和脈沖持續時間(T)固定(通常為0.1 ms-10ms，則相鄰兩信號可被區分開的最小距離為cT/2(C為聲速)，即該信號類型決定了系統空間分辨率。當前側掃系統大多采用Chirp信號，該信號是一種頻率隨時間線性增加(線性調頻)的余弦波。

? ? 綜上所述，線性調頻信號具有以下特點:
? ? 1)具有可選擇的時寬帶乘積，而CW脈沖時寬乘積固定(約等于1)。
? ? 2)在大時寬乘積條件下，線性調頻信號具有近似矩形的幅頻特性，頻譜寬度近似等
于調頻變化范圍，與時寬無直接關系。
? ? 3)在大時寬乘積條件下，線性調頻相位譜具有平方律特性。
? ? 以上特點是設計匹配濾波器，對脈沖進行壓縮的主要依據。
?

四、側掃聲吶與單波束、多波束

1、單波束、多波束聲吶

單波束、多波束系統通過測量海底深度海底地形，進而發現水下目標，稱之為目標的等深線成像。

2、側掃聲吶

側掃聲吶系統記錄了海底反向散射回波強度，根據回波強度聲波生成灰度不一的聲吶圖像，稱之為目標的反射強度成像。

3、側掃聲吶的優勢

1)采集數據密度大，分辨率高;2)識別能力好，能夠區分目標物底質特征;3)覆蓋范圍大，測量效率高等。

4、側掃聲吶原理

側掃聲吶是一種主動聲吶系統，側掃聲吶原理是向測量船航向的垂直方向一側或兩側發射一個水平開角很小(約1度左右)，垂直開角很大的短聲波脈沖，脈沖到達海底后，根據海底距換能器的遠近，被不斷反射，并按反射信號的強弱程度畫出灰度變化不均的聲吶圖像，從聲吶圖像中可以觀察出海底地貌變化，是否有礙航物和海底底質類型等信息。當側掃聲吶發射脈沖在水體中傳播遇到目標時，目標對聲能向各個方向散射，其中換能器接收反向散射回波，而目標側后方則聲能難以到達(稱為盲區)，聲吶陣隨載體不斷前進，在前進過程中聲吶不斷發射、不斷接收并形成聲吶圖像，在聲吶圖像上對應位置處出現目標(目標的強回波信號)及其陰影(目標側后方的盲區)[8]。

5、側掃聲吶系統組成

側掃聲吶聲學系統、外圍輔助傳感器、數據實時采集處理系統和成果輸出系統。

（1）側掃聲吶聲學系統：換能器作為側掃聲吶聲學系統，是系統的核心部件，它是聲電轉換裝置。大多數側掃聲吶換能器采用壓電陶瓷結構，當一個電壓加到發射換能器上時，引起其物理形態發生改變，將由發射機所產生的振蕩電場轉換成機械形變，這種形變傳送到水中，在水中產生振蕩壓力，即聲脈沖;同樣，接收換能器用來接收回聲信號，通過檢測聲壓力變化，將這種壓力變化轉換成電能。現代側掃聲吶系統在換能器設計時采用收發合一的線列陣，使聲能在水平線以下范圍內集中。

（2）外圍輔助傳感器：? ? 外圍輔助傳感器主要包括定位傳感器、姿態傳感器、聲剖和羅經。定位傳感器采用GPS定位系統，主要用于測量時實時導航和定位，為側掃聲吶換能器提供位置信息;姿態傳感器主要負責換能器橫搖、縱搖和舷搖參數采集，實時反映換能器姿態變化，用于后續聲吶圖像改正;羅經主要提供拖體航向，用于后續回波點歸位計算;聲速剖面儀用于獲取海水中聲速空間變化結構，它直接影響回波點點位歸算精度。

（3）數據實時采集處理系統：側掃聲吶數據采集系統實現波束形成，將接收到的回波信號轉換為數字信號，并反算、記錄其的數據返程時間。數據實時處理系統主要指甲板實時處理單元，實時顯示海底聲吶圖像，便于操作者了解成果有效性，指根據數據采集系統獲取導后續工作。

（4）成果輸出系統：? ?成果輸出系統主要包括數據后處理及成果輸出。綜合各類外業數據，通過相關數據處理軟件對這些數據進行處理，最終獲得各有效波束在海底反射點在地理坐標系下坐標及反射強度，最終形成測量成果，輸出聲吶圖像。

五、側掃聲吶數據預處理

1、影響聲吶圖像的準確性：

? ? 1）由于定位數據采樣率與Ping采樣率不同，在定位數據采樣時間間隔內，不同Ping對應同一個位置，經過地理編碼后側掃聲吶聲吶圖像存在重疊。
? ? 2)由于姿態數據采樣率與Ping采樣率不同，一方面在姿態數據采樣間隔內，不同Ping對應同一姿態參數，導致該時間間隔內各Ping平行;另一方面是在姿態參數改變時，Ping線在拖魚的一側相互交叉，另一側則形成裂縫。

2、側掃聲吶數據提取

? ? ?1)拖魚定位。為精確定位不同時刻海底回波，在測量時需對換能器進行精確定位，確定測量過程中拖魚航跡;
? ? ?2)姿態測量。主要包括拖魚升沉(Heave）、橫搖(Roll）、縱搖(Pitch）、偏航C （Yaw)等。拖魚姿態決定了Ping的方向，一般認為Ping方向垂直于拖魚航向。

橫縱搖的含義：左右方向搖擺叫橫搖，前后方向搖擺叫縱搖。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的侧扫声呐原理及应用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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