高速多脉冲侧扫声纳设计
侧扫声呐原理
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
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。
CS_1型侧扫声呐系统_魏建江
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
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
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。
声呐相关实验-实验指导
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(评标综合评分稿)
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。
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速度‰与量程Ｒ的关系如下：：
，＇
１ Ｑ４
‰＝肌量×二（Ｒｘ二Ｈ）
Ｒ为量程，Ｈ为期望在目标上测量的点数。
由于多脉冲系统中的一个通道在发射脉冲的 同时，其余通道在接收信号，在信号接收过程中使 用ＴＶＧ增益控制是不合适的。简单的处理办法是 每个通道有自己独立的ＴＶＧ控制，无疑这增加了 硬件的成本，是不可取的。本方案采用２４位高动 态的ＡＤ转换器，其理论动态达１４４ｄＢ，实际工作 时，２００Ｋ采样率时也可以达到１２０ｄＢ以上，可以 满足使用要求。 接收的回波信号经过放大器和带通滤波器得 到合适带宽的信号，混合信号经过一个高动态的 ＡＤ转换后进行数字化处理，在任何时刻接收到的 回波信号可以来自不同的脉冲，每个不同的脉冲在 某时刻探测到不同的海底区域，可以采用匹配滤波 来实现线性调频信号的不同脉冲之间的隔离，之后 进行增益自动增益控制，补偿由于传播和吸收的引 起的损失。处理过程如图３所示。
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第３０卷第３期 ２０１１印６月
卢学技术
高速多脉冲侧扫声纳设计
刘磊１，张纯２
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２十目＃｝Ｒｐ｝ｍ究所－｜匕Ａ－Ｉ删）
擅蔓・翻扫声纳是撵测海底地形地貌的重要Ｉ具。计算机技术的广泛应用极大地促进了侧扫声纳的旋展．丰立舟
“了高速多脉冲佣扫声纳的基奉联Ⅱ，井设计基丰的多脉冲倒扫声纳系统和宣验测试。
多脉冲侧扫声纳与基本颦侧扫声纳扣比主耍
优点是：在相同航速下有更高的目标探测概率，可
以在更高的航速下扫测海域．能够人大的提高扫测
目ｌ■＊Ⅸ■＂ｐ＊日■月Ⅲ
Ｆｉ＆ＩＴｋ口１ｍ¨ｏｆｓｉｄｅ一一
侧扫声纳在扫侧过程中，为了满足测量规范中
效率，同时系统的复杂度和价格又低ｒ多波束侧扫
声纳。
全覆盖的要求．侧扫声纳艟火速度％与最稗Ｒ必
其中圪。为允许的最火航行速度（单位为节）， Ｍ为波束数或脉冲数，Ｌ为目标尺度，Ｃ为声速， 由公式（２）可知，在其他条件不变的情况下，只 要提高发射脉冲数Ｍ，即可以提高拖鱼最大速度， 其扫侧速度是常规侧扫声纳的Ｍ倍。
３设计与实现
多脉冲侧扫声纳与单脉冲侧扫声纳最大不同 在于多脉冲是在一个发射岗期内发射多个不同类 型的编码信号。 ３．１发射信号的设计 多脉冲侧扫声纳的发射信号采用线性调频 ＬＦＭ信号，为了能区分每个脉冲，要求每个脉冲的 能量集中在互不重叠的频带内，可以通过增加系统 带宽来获得更多的发射脉冲数。系统的有效带宽由 发射／接收换能器决定，增加脉冲数会增加换能器的 复杂度，两者之间需要折中处理。
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须满足如下条件：
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Ｍ日。Ⅷ‰
‰＝￡×ｉ×ｍ１．９Ｈ４、
ｍ
式中‰为允许拖鱼最大航向速度（单位：节，
Ｉ节＝ｏ ５ｍ／ｓ），Ｌ为Ｈ标尺寸，Ｃ为声速，Ｒ为量程，
３４２
声
学
技
术
２０１１年
Ｈ为期望在目标上测最的点数。 从（１）式可以看出，当日标一定时，最大拖 曳速度与量程成反比，也就是说，量程越大，要求 拖曳速度越低，这在某些应用场合，如高速探测水 中目标中时就不满足要求，多脉冲侧扫声纳能够解 决这一问题。多波束是在同一时刻形成多个波束的 信号，多脉冲是利用在一个发射周期内发射多个不 同类型的编码信号来实现航速的提高，其最大拖曳
Ⅱ＇彳‘‘骧开～Ｉ、ｏ
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试验结果
根据上述原理的完成了声纳系统的设计与测
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试．选择中心频率１５０ｋＨｚ，换能器的波束开角为 ｌ。。试验采用２脉冲进行测试，验证多脉冲侧扫 声纳的基本原理。并在千岛湖湖区进行实地验证和 测试。实验结果表明，该系统能够对海底目标正确 成像，同时速度比单脉冲侧扫声纳速度快近２倍。 图４为实际测试千岛湖湖底声图。
３．２换能器的配置 由于多脉冲侧扫声纳要在一个声纳工作周期 内发射多个脉冲，同时连续接收海底同波，这就要 求隔离发射和接收单元，采用收发分置的换能器。 发射和接收换能器器之间的声串扰是多脉冲侧扫 声纳需要解决的问题，必须在发射和接收换能器之 间采取有效的隔离措施，将发射和接收换能器轴向 隔开，前后放置。 ３．３信号的接收与处理
高速多脉冲侧扫声纳设计
作者： 作者单位： 刘磊， 张纯 刘磊(海军驻北京地区武备配套军事代表室,北京,100082)， 张纯(中国科学院声学研究所 ,北京,100190)
本文链接：/Conference_7625577.aspx
图２双脉冲发射信号频带分布
Ｆｉｇ ２．２
ｐｉｎｇ蜘ｕ＇柚咖ａｍｉｔＩ丘曩ｐ呻ｎｍｏｃａａｉｏｍ
第３期
刘藉等：高速多脉冲蕾扫声蚋役汁
从声嘲ｈ看，湖底的地形地貌比较清晰．但是 声圈细节币清晰．其原因可能是旁瓣抑制效果不是
很理想，下一步需要研究小同脉冲信峙之『ＨＪ的隔离
度。
５结论
本文讨沧了在每个声纳工作周期内发射多脉
波信号．一个工作周期内只有发射和接收一个脉冲
信号。在满足全覆盖扫测的条件下．其堆太拖曳速
度一般Ｈ有４“节。
中山现了扫测速度与扫测宽带矛盾．为了解决这一 问题．本文给出一种高速多脉冲侧扫声纳设计方案 多脉冲侧扫声纳是在一个声纳发射周期内连 续发射多个声脉冲，通过后端信号处理技术使各个 脉冲心渡之同有的隔离度超过６０血的隔离度，达 到声纳成像的目的图像声纳系统。
图２为两脉冲的带宽分布，中心频率为厶，有
效频谱被平均分在Ａ和Ｂ两个频带内，并使他们之 间的过渡带最小。为了减小旁瓣和泄漏，我们采用 加窗的方法来解决。本系统中心频率为１５０ｋＨｚ， Ａ和Ｂ的．３ｄＢ带宽为２０ｋＨｚ，同时Ａ和Ｂ之间有 １０ｋＨｚ的过渡带 ４
Ｆｉｇ
图３信号接收处理框图
３．Ｒ∞ｅｉ惯印Ｄ麟面ｇ ｄｉ捌乒ｍ
’考立眈
Ⅲ许枫，基建Ⅱ第七讲侧扫声纳【月物理．２００６：１２，
１０３４－１０３７
冲的声纳系统的可行性和实现方法，井给山了试验
声图。多脉冲侧扫声纳的优点是多方面的，（１）满 足全覆盖扫测的情况下．提高了扫侧速度和工作效 率：（２１与多波束侧扫声纳年ｕ比．减少了硬件最． 减低了成本．
【２Ｊ蒋ｉ军ｔ杜文萍－许枫侧扫声纳回波信号的增益控制 海洋耐蛤．２００２，２２（３）：６－８ 四
Ｋｅｙｗｏｆｕｌ：ｍｕＩｂ＂《ｓｉｄｅ—Ｉｍ％Ⅻ”ｉｍａｇｅ ｌ引言
侧扫声纳ＩＩ’是在海洋开发中经常使用到的高分
２多脉冲侧扫声纳原理
常规的倒扫声纳在发射完一帧信号后接收叫
辨率、多用途的水声设备，目前，侧扫声纳在海洋 测绘、海洋地质谓查研究、海底找矿、工程勘察、
水Ｆ目标检测等方面都发挥着重婴的作用。但基本 型的侧扫声纳受到其基本原理的限制．在戍用过程