高速多脉冲侧扫声纳设计

侧扫声呐原理
侧扫声呐是一种水下探测设备，采用声波传播原理进行测量和成像。

其原理如下：
1. 发射声波：侧扫声呐通过一个或多个发射器发射高频声波信号（一般在10 kHz至500 kHz之间），这些声波信号以脉冲
的形式发送。

2. 声波传播：发射的声波在水中传播，当遇到不同介质的边界（如水底或物体）时，会发生折射、反射和散射。

这些声波经过多次反射和散射后，最终会返回到探测器。

3. 接收回波信号：探测器上的接收器会接收到回波信号，这些信号是由发射的声波在水中传播和反射后返回的。

回波信号包含有关水下地形、物体或障碍物的信息。

4. 信号处理和成像：探测器将接收到的回波信号进行信号处理，通过分析回波信号的幅度、时间和频率等特征，可以确定水下物体的位置、形状和纹理等信息。

这些信息可以被用来生成以声波传播路径为基础的水下地形或物体的成像图像，从而实现水下探测和勘测的目的。

总的来说，侧扫声呐通过发射和接收声波来实现对水下环境的探测和成像。

通过分析声波的传播特征和回波信号，可以获取水下的地形、物体或障碍物等信息，并生成相应的成像图像。

国产侧扫声呐在风电场桩基冲刷、海缆路由监测中的应用研究摘要:我国海上风能资源十分丰富，国家《十三五规划》中提出要大力发展海上风电资源，而海上风电机组的运维中，会涉及到水下桩基以及海缆的日常的监测和维护。

侧扫声呐是专门针对水下地形、寻找目标物等应用场景大规模扫测的一种成像设备，适用于风电机组水下桩基和海缆路由监测的工作场景。

而且实践证明侧扫声纳是确定海缆路由在海底位置、检测其在海底状况及调查其所在海底面特征的一种十分经济有效的工具，在海缆监测维护工程中有广泛应用前景。

Abstract: China is rich of offshore wind energy. According to the 13th Five-Year plan, government proposes to develop offshore wind energy, which will require routine operation & maintenance of offshore wind turbines and involve daily inspection & maintenance of underwater pile foundations & subsea cables. Side scan sonar is an imaging device specially designed for large-scale scanning, underwater terrain surveying, target searching and other applications. It is suitable to monitor the underwater pile foundation and subsea cable of windturbine generator sets. Moreover, practical applications had proved that side scan sonar is an economic and effective tool to determine the subsea cabling position, detect its condition on the seabed and investigate the characteristics of the seabed terrain where the cable is located. It has wide application prospects in subsea cable monitoring and maintenance engineering.国产侧扫声呐也在不断的进步之中，本文举例说明了某型号国产侧扫声呐在日常监测风电桩基冲刷以及海缆路由变化中的实际应用，证明了国产侧扫声呐目前不仅已经完全能够满足相应监测工作的需要，而且国产侧扫声呐的技术也会一直持续进步，适合于越来越多的应用场景。

第16卷　第1期1997年3月 海　洋　技　术OCEAN T ECHNOLOGYVol.16,No.1March,1997 CS-1型侧扫声呐系统魏建江尹东源刘桂兰于德海马维成王　晶吕　涛许　枫时启猛黎名炜(中国科学院声学研究所,北京100080)摘　要 本文介绍了CS-1型侧扫声呐系统的组成和工作原理以及它的特点。

CS-1型声呐由声呐处理器、声呐接收机卡、数据采集器卡、护展输入输出接口卡、热敏行扫描记录器、拖鱼和拖缆以及拖缆绞车等组成,该侧扫声呐系统在微计算机的控制下完成测量探测工作。

CS-1型侧扫声呐系统的特点在于设计合理,配套齐全,信噪比高,作用距离远,分辨率高,声图清晰,工作稳定可靠,功能设置合理,除声图外它还记录后处理必备的有关参数,具有很强的实用性。

关键词　信噪比　声呐　拖鱼　海洋测绘1　引言侧扫声呐是海洋探测重要工具之一。

自60年代初,英国海洋研究所推出第一个实用型侧扫声呐以来,世界各国公司开发出各种类型的侧扫声呐系统。

侧扫声呐在海底目标的探测(如探测沉入海底的船舶、飞机、导弹以及水雷和鱼雷等)、海洋测绘、海洋地质、海洋工程、海洋资源开发、水下救捞、港口建设及航道疏竣等方面得到广泛应用。

在CS-1型侧扫声呐系统的设计中不仅考虑技术的先进性,还充分考虑了我国主要用户的使用要求,采用了近几年发展起来的先进技术,采取了一些先进的技术措施,使CS-1型侧扫声呐具有先进的技术指标。

主要技术指标如下:工作频率:侧扫100kHz,500kHz(分时工作)测高200kHz作用距离:100kH z2×500m 500kH z2×100m换能器阵波束开角:100kHz水平1° 垂直40°500kHz水平0.2°　垂直40°200kHz圆锥角10°最大工作深度:300m适应海况:4级2海　洋　技　术第16卷主计算机:486工控机,内存4M,电子盘1.44M光驱:1.3G,可擦写显示器:1024×768,256种颜色触模屏:红外,80×54点发射机:发射电压100kHz Vpp=600V500kHz Vpp=800V200kHz Vpp=900V接收机:100kHz增益G=126dB500kHz增益G=122dB200kHz增益G=177dB前放噪声Vn<3nV/Hz热敏记录器:记录纸宽度470m m,打印头宽度2×216mm灰度级 16,　打印点数　2×1728点拖缆: 0.6mm双层中碳钢丝铠装,断裂拉力20000N芯数 屏蔽4芯,单线5芯直径 15.5mm电动电缆绞车:拖缆容量:500m卷绕拉力:≥300kg收放缆速度:0.5m/s　0.25m/s2　侧扫声呐的发展动态侧扫声呐系统的换能器阵一般安装在水下拖曳体(通常称为“拖鱼”)的两侧,拖鱼由水面船舶拖曳,从拖鱼两侧换能器阵向两侧发射声脉冲,声脉冲在水中传播时遇到声呐目标如潜艇、水雷、鱼群以及海底等,就会产生“回声”信号,侧扫声呐换能器阵的波束是扇形的,在水平面上很窄,在垂直面上很宽,因此声波辐射到海底时为垂直于航向的窄条带,由目标和海底反向散射的声信号被换能器阵接收,并转换为电信号,此电信号被接收机放大处理后送到数据采集器,采样的数据在声呐处理器中经过处理后送到显示机构显示,发射一次声脉冲,显示一条线,反复发射和接收,一条接一条显示就形成声图。

探测海底输油气管线状态的方法韩孝辉;李亮;苟鹏飞【摘要】为了海底输油气管线运行安全,避免潜在的灾害性因素的发生,对广东沿海一段海底输油气管线状态进行检测,采用浅层剖面测量、侧扫声呐测量和多波束测量手段对海底油气管线路由区域进行了勘测,勘测结果表明检测区域海底油气管线没有裸露和悬空,埋藏状态良好,管线周边地层较稳定,根据侧扫声呐图像和多波束测深图像,发现在管线路由区海底存在影响海底油气管道安全的因素,管线路由区海底拖锚等痕迹较多,并且在距离管线大约1000 m处有一个较大人工采砂坑存在.【期刊名称】《工程地球物理学报》【年(卷),期】2017(014)006【总页数】7页(P633-639)【关键词】浅地层剖面测量;侧扫声呐测量;多波束测量;输油气管线;灾害性因素【作者】韩孝辉;李亮;苟鹏飞【作者单位】海南省海洋地质调查研究院,海南海口 570206;海南省海洋地质调查研究院,海南海口 570206;海南省海洋地质调查研究院,海南海口 570206【正文语种】中文【中图分类】P631.4定期对海底输油气管线进行安全检测是保障管线安全和海洋环境安全的重要手段，根据检测的目的确定检测手段是国内外检测海底输油气管线安全运行的普遍做法。

作为海上油气田开发的重要组成部分，海底输油气管线已成为是油气输送的重要手段，据统计，近30年来我国海域累计已铺设海底管道总长度超过3 000 km，但由于我国沿海用海活动越来越频繁、力度愈来愈大，再加上海洋环境复杂，使得海底油气管线出现失效的现象增多，自1995年以来我国发生了20多起海底管道泄漏事故[1-4]，由于违规抛锚、拖网、冲刷悬空等外力导致的管道断裂占65%，腐蚀等因素导致的管道断裂占35%，海底油气管道一旦泄漏将对海洋环境和海洋生态造成严重影响。

维护海底油气管线安全，预防海底油气管道泄漏,保护海洋环境，必须定期进行海底油气管道安全检测，对复杂区域的管线和易受极端天气影响区域的管线，应加大检测频次。

侧扫声呐系统技术规格及要求一、主要技术要求和指标：1侧扫声呐系统硬件（1套）1.1侧扫声呐成像显示系统侧扫声呐系统需具备水下声呐3D成像功能，能够获取水下地形的高清视图，能够直观的显示声呐成像数据和3D成像数据，并能够切换原始成像数据和3D成像视图。

侧扫声呐系统支持历史数据回放及声呐成像数据导出。

1.2水下声波发射和接收换能器水下声波发射和接收换能器能够向两侧和底部发送宽角度声波波束，采集成像深度大于60米，测深深度大于250米。

1.3声呐信号示波器侧扫声呐系统需具备NMEA0183接口及NMEA2000接口，能够对声呐数据原始数据进行采集，最大采样率1GSa/s。

2声呐数据管理软件（1套）能够将声呐成像数据从声呐成像显示系统中导出，包括导出水下声呐3D成像数据和平面成像数据。

二、项目实施要求1项目实施周期要求中标方需在合同签订后60日内，完成设备采购、安装、调试，并且配合完成所有“侧扫声呐系统”的联合安装调试。

2项目实施工作要求2.1供货中标人须在不迟于合同签订后的60个工作日内完成所有招标设备到指定地点的供货。

投标人应确保其技术建议以及所提供的设备的完整性、实用性，保证系统及时投入正常运行。

本技术规格书所规定的技术细节是对设计方案的建议，卖方应该保证最终的效果达到规格书上的主要技术要求和指标，若出现因投标人提供的设备不满足要求、不合理，或者其所提供的技术支持和服务不全面，而导致系统无法实现或不能完全实现的状况，达不到规格书规定技术指标时，投标人负相应责任。

2.2安装调试中标单位必须提供安装、配线以及测试和调整，施工过程由专业的调试人员进行安装、检测和排除故障。

2.3验收设备到货后，用户单位与中标单位共同配合有关部门对所有设备进行开箱检查，出现损坏、数量不全或产品不符等问题时，由中标单位负责解决。

根据标书要求对本次所有采购设备的型号、规格、数量、外型、外观、包装及资料、文件（如装箱单、保修单、随箱介质等）进行验收。

专业实验——声学部分实验指导实验1 侧扫声呐实验实验目的1.掌握侧扫声呐的工作原理。

2.学习侧扫声呐的使用方法。

3.测量校区附近特定水域的地形地貌，并分析。

一、实验原理1．侧扫声呐原理侧扫声呐的基本工作原理与侧视雷达类似，侧扫声呐左右各安装一条换能器线阵，首先发射一个短促的声脉冲，声波按球面波方式向外传播，碰到海底或水中物体会产生散射，其中的反向散射波（也叫回波）会按原传播路线返回换能器被换能器接收，经换能器转换成一系列电脉冲。

一般情况下，硬的、粗糙的、凸起的海底，回波强；软的、平滑的、凹陷的海底回波弱，被遮挡的海底不产生回波，距离越远回波越弱。

将每一发射周期的接收数据一线接一线地纵向排列，显示在显示器上，就构成了二维海底地貌声图。

声图平面和海底平面成逐点映射关系，声图的亮度包涵了海底的特征。

2点位于声呐的正下方，回波是很强的正发射波；4、5、6回波较强，6的回波先到换能器，然后是第5点，第6点。

6、7点没有回波，产生阴影区。

侧扫声呐有三个突出的特点：一是分辨率高，二是能得到连续的二维海底图像，三是价格较低。

其应用主要有海洋测绘和海洋地质调查（1）海洋测绘侧扫声呐可以显示微地貌形态和分布，可以得到连续的有一定宽度的二维海底声图，而且还可能做到全覆盖不漏测，这是测深仪和条带测深仪所不能替代的，所以港口、重要航道、重要海区，都要经过侧扫声呐测量。

（2）海洋地质调查侧扫声呐的海底声图可以显示出地质形态构造和底质的大概分类，尤其是巨型侧扫声呐，可以显示出洋脊和海底火山，是研究地球大地构造和板块运动的有力手段。

2．侧扫声呐参数说明1）、工作频率侧扫声呐一般工作在50 kHz-1. 2 MHz，较低的工作频率可以有较大的探测距离，而较高的工作频率能在有限长度的传感器尺寸下得到高的角度分辨力。

一般100 kHz左右的声呐作用距离可达600 m, 500 kHz左右的声呐工作距离为150 m左右。

2）、传播损失传播损失TL (dB>:水声传播损失主要计及球面拓展损失和吸收损失。

侧扫声呐技术规格书标注“★”号的规格要求或参数为关键技术指标，如不满足将导致投标文件被拒绝。

标注“☆”号的规格要求或参数为重要技术指标，如不满足将逐项扣分。

未标注符号的规格要求或参数为一般技术指标，如不满足将累积扣分。

一、主要技术参数：★1）工作频率：低频：100~300KHZ；高频：400~600KHZ；★2）工作模式：支持CHIRP技术和同步双频工作模式★3）扫测量程（单侧）：≥300米@低频☆4）水波束角：≤1.0°★5）工作水深：≥300米☆6）最小物标分辨率：0.5×0.5×0.5米☆7）波束数：支持多波束、多脉冲或多PING☆8）安装方式：拖曳☆9）拖鱼材质：316L不锈钢或钛合金☆10）工作航速：≥8节11）输入电源：24VDC或100~230VAC；12）工作环境温度：-25°C到45°C☆13）内置姿态传感器精度：航向精度及分辨率：≤±1.0°；0.1°横摇精度及分辨率：≤±0.3°；0.1°纵摇精度及分辨率：≤±0.3°；0.1°14）声呐数据采集和后处理软件15）数据采集和后处理工作站配置不低于以下要求：专业图形工作站；2.4GHz 8 核Intel Core i9 处理器；16GB DDR4 RAM ；AMD Radeon Pro 5500M 图形处理器(配备8GB GDDR6 显存)；2TB 固态硬盘；屏幕分辨率不低于3072 x 1920 (226 ppi)；64位WIN10专业版。

二．设备配置清单三. 售后服务1、提供齐全的技术资料，包括详细使用说明、安装使用手册等。

2、不少于3天的技术培训（不包含设备调试和验收）。

3、保修1年；保期内，除人为因素损坏外，全部免费维修。

4、设备出现故障后，供应商24小时内给出初步技术判断；如有必要，供应商工程师在48小时抵达用户现场进行维修。

侧扫声呐的工作原理
侧扫声呐（Side Scan Sonar）是一种用于海底测量和探测的声
波成像技术。

它工作的原理主要包括发射声波、接收回波和处理成像。

工作原理如下：
1. 发射声波：侧扫声呐通过一个或多个由能量驱动的超声波发射器发出连续的短脉冲声波信号。

通常使用的频率范围在
100-500kHz之间。

2. 声波传播：发射器发送的声波在水中传播，同时也会向水下的底部和物体表面发生反射。

这些反射声波称为回波。

3. 回波接收：侧扫声呐会通过一个或多个接收器来接收回波。

接收器通常位于声呐设备上的相同位置或附近。

4. 数据处理：回波信号经过接收器后，会被数字信号处理系统进行放大、滤波、时序控制等处理。

这些处理方法有助于提高回波的质量和清晰度。

5. 成像显示：处理后的信号往往以灰度方式显示，形成海底的图像。

灰度的深浅可以表示不同的物体边界和底质类型等信息。

整个工作原理基于声波在水中的传播和反射，利用声波的特性来探测和成像水下目标和海底地形。

通过对回波的接收和处理，
侧扫声呐可以提供高分辨率的海底图像，用于海洋勘测、水下考古、水下搜救等领域。

Value Engineering1侧扫声纳的应用机理在操作侧扫声纳技术时，由于使用的是不连续的测深系统，因此在进行数据采集和处理时需要将不同深度的各种测绘数据进行收集和整理，而在对这些数据进行处理时，通常需要根据不同的深度将数据进行分类。

数据显示与记录单元主要是对在操作侧扫声纳技术时所采集到的各种测绘数据进行收集和整理。

同时还可以通过人机交互的方式对其进行展示。

数据传送单元，一般是在侧扫声纳技术中，最前方的工作模块，其主要作用就是能够在信息通道平台上，有效地传送测绘数据，为后续的数据深度处理提供更好的支持。

数据传送单元在整个侧扫声纳技术中，处于最前端，也是最重要的一环。

侧扫声纳技术中，最前方的工作模块，就是水下声波发射器。

它的主要作用就是发出声波，并以此来收集各种测绘信息。

拖曳电缆是必不可少的硬体装置，可以起到牵引、供电等多种功能。

接收换能器，也叫水听器，它能够把水中的声音信号转换成电信号，是侧扫声纳技术的一个关键组成部分，它能够把声波收集的信息转换成电信息。

该系统具有多种功能，能够在多种海洋测量任务中起到良好的作用。

它的工作频率一般为数十千赫至数百千赫，有效距离为300~600米。

侧扫声纳在进行近距离探测时，由于其本身的高分辨能力，可获得良好的地图绘制效果。

在进行海底地质勘探的时候，它的工作频率大大提高，能够探测到20公里的范围。

侧扫声纳技术的换能器主要位于拖曳体和船体之间，在海上行驶时向两边向下发射声脉冲，整体呈扇形波束。

该方法利用声波判断海面、海底及水体的媒质性质，并对该地区的声学结构进行探测，并对有关资料进行采集和处理。

[1]2多波束声纳数据处理系统的长回波的数据信息处理方法，主要包括：数据格式转换与读取，声速剖面信息处理，位置数据处理，潮位信息处理，姿态数据处理，深度信息处理，网格化，坐标系的转换。

在现代科技的帮助下，多波段声纳技术在已开展的海深探测中，除了可以实现潮位、声速和归心等校正功能以外，还可以对波束足迹数据进行更有效的计算，进而对海深探测资料加以筛选，并减少了其中存在的噪声和错误信息等。