海底底質(zhì)與地形對(duì)側(cè)掃聲吶工作的影響分析

張穎軍 耿家營(yíng)

摘 要：側(cè)掃聲吶是開(kāi)展海底目標(biāo)搜尋定位工作的主要裝備。不同的海底底質(zhì)和地形會(huì)影響側(cè)掃聲吶反射波的強(qiáng)度，從而干擾對(duì)聲圖的準(zhǔn)確判讀。本研究根據(jù)水聲學(xué)基本原理和側(cè)掃聲吶工作原理，分析海底底質(zhì)和地形對(duì)側(cè)掃聲吶聲圖的影響，并對(duì)側(cè)掃聲吶工作和聲圖判讀方法給出了改進(jìn)意見(jiàn)和建議，對(duì)提高側(cè)掃聲吶的使用效能有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：側(cè)掃聲吶;聲圖判讀;底質(zhì);地形

中圖分類(lèi)號(hào)：P715 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）9-0051-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.010

Effects Analysis of Seafloor Substrates and Topography for Side Scan Sonar

ZHANG Yingjun? ? GENG Jiaying

（Navy Submarine Academy，Shandong province， Qingdao 266046，China）

Abstract：Side scan sonar is the main equipment to search and locate submarine targets.The accurate interpretation of side scan sonar acoustic image will be interfered because of the reflected wave intensity of side scan sonar can be affected by different seafloor substrates and topography.Based on the principle of underwater acoustics and the working principle of side scan sonar，the influence of seafloor substrates and topography for side scan sonar is analyzed in this article.The analysis results can be used to improve the work methods of side scan sonar and the accurate interpretation of acoustic images，which has a certain reference value for improving the working efficiency of side scan sonar.

Keywords：side scan sonar;acoustic image interpretation;seafloor substrates;topography

0 引言

側(cè)掃聲吶具有水下掃測(cè)作業(yè)分辨率高、聲圖圖像連續(xù)等特點(diǎn)，是進(jìn)行海底目標(biāo)搜尋定位掃測(cè)作業(yè)的主要裝備[1]。我國(guó)海域遼闊、南北跨度大，且海底底質(zhì)類(lèi)型和地形多樣，不同的海底底質(zhì)和地形對(duì)聲波的反射和吸收能力差別較大，影響側(cè)掃聲吶對(duì)海底目標(biāo)掃測(cè)作業(yè)的成像，甚至?xí)诒嗡褜つ繕?biāo)。而在側(cè)掃聲吶掃測(cè)過(guò)程中，對(duì)聲學(xué)圖像判讀的正確與否，將直接決定本次掃測(cè)工作成果的可靠程度。因此，海底底質(zhì)和地形的變化將給通過(guò)聲吶圖像來(lái)準(zhǔn)確判別海底目標(biāo)帶來(lái)了諸多不確定性。本研究依據(jù)水聲學(xué)原理和側(cè)掃聲吶工作特點(diǎn)，分析底質(zhì)和地形對(duì)側(cè)掃聲吶海底掃測(cè)目標(biāo)時(shí)的影響。

1 海底底質(zhì)影響分析

側(cè)掃聲吶對(duì)海底目標(biāo)的搜尋和定位主要通過(guò)對(duì)聲圖的判讀來(lái)實(shí)現(xiàn)，聲圖上顏色的變化顯示了側(cè)掃聲吶發(fā)射聲波打到海底或目標(biāo)后，反向散射回聲吶接收換能器聲波的強(qiáng)弱。

根據(jù)水聲學(xué)的基本原理，聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，兩種介質(zhì)之間的界面對(duì)聲波的反射和透射大小僅由介質(zhì)聲阻抗[ρc]來(lái)決定。兩種介質(zhì)聲阻抗差異越大，則反射波聲強(qiáng)越大、透射波聲強(qiáng)越小;兩種介質(zhì)聲阻抗差異越小，則反射波聲強(qiáng)越小、透射波聲強(qiáng)越大。

當(dāng)海水密度為1 030 kg/m3、聲速為1 500 m/s時(shí)，其聲阻抗為1.545×106 Pa·s/m。表1和表2列出了常見(jiàn)的水下目標(biāo)物材質(zhì)和海底底質(zhì)的聲學(xué)特性值[2]。

側(cè)掃聲吶海底搜索目標(biāo)的材質(zhì)主要是鐵、銅、鋼、鋁、橡膠等人造目標(biāo)物，海底常見(jiàn)的底質(zhì)類(lèi)型主要是表2所列的15種類(lèi)型。結(jié)合圖1所示的常見(jiàn)目標(biāo)材質(zhì)和海底底質(zhì)聲阻抗值，根據(jù)水聲學(xué)原理，對(duì)側(cè)掃聲吶掃測(cè)目標(biāo)和海底產(chǎn)生的聲圖來(lái)說(shuō)，主要存在以下3種情況。一是搜尋目標(biāo)聲阻抗明顯高于海底底質(zhì)聲阻抗，即[（ρc）目標(biāo)>（ρc）海底]時(shí)，側(cè)掃聲吶聲圖上目標(biāo)反射與海底反射對(duì)比較為強(qiáng)烈，特別是聲阻抗值相差較大時(shí)，如鋼制目標(biāo)沉于泥沙底質(zhì)的海底，此時(shí)容易判讀目標(biāo)。二是搜尋目標(biāo)聲阻抗與海底底質(zhì)聲阻抗大致相同，即[（ρc）目標(biāo)≈（ρc）海底]時(shí)，側(cè)掃聲吶聲圖上目標(biāo)反射與海底反射對(duì)比不明顯，如橡膠包裹質(zhì)目標(biāo)沉于泥沙底質(zhì)的海底，此時(shí)兩者在聲圖上的區(qū)別較小，側(cè)掃時(shí)很難發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，此時(shí)應(yīng)通過(guò)其他手段來(lái)仔細(xì)判別目標(biāo)，如通過(guò)判斷目標(biāo)的陰影來(lái)判定目標(biāo)。三是海底底質(zhì)聲阻抗明顯高于搜尋目標(biāo)聲阻抗，即[（ρc）海底>（ρc）目標(biāo)]時(shí)，此時(shí)與第一種情況相反，但在側(cè)掃聲吶圖上目標(biāo)反射與海底反射對(duì)比也會(huì)較為強(qiáng)烈，側(cè)掃聲吶聲圖上目標(biāo)顯示較淡，如聲圖采用黑白顯示，水柱為白色時(shí)，相較海底來(lái)說(shuō)目標(biāo)顯示也會(huì)更接近白色，如沉沒(méi)于巖石區(qū)域的有橡膠吸聲材料包裹的物體。

需要指出的是，由于部分海底底質(zhì)較軟，重物落上去后會(huì)在自身重力的作用下下陷。在使用側(cè)掃聲吶對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜尋定位時(shí)，目標(biāo)物的聲學(xué)圖像不再是想象中的對(duì)海底以上凸起目標(biāo)物進(jìn)行搜尋，而是一個(gè)凹陷的聲學(xué)圖像特征。

2 海底地形影響分析

2.1 局部凹陷和凸起影響

由于側(cè)掃聲吶工作范圍較小，此處的地形主要是指局部小范圍海底地勢(shì)的起伏變化。海底局部地形有三種典型的形態(tài)：平坦海底、局部凸起海底、局部凹陷海底。

如圖2所示，根據(jù)水聲學(xué)原理，在海底底質(zhì)一致的情況下，由于聲吶可以進(jìn)行時(shí)變?cè)鲆妫═VG）的設(shè)置，可不考慮聲波強(qiáng)度的變化，則無(wú)論離聲吶航跡線(xiàn)遠(yuǎn)近，平坦海底在聲圖中顯示的灰度均勻一致。

凸起海底前部（離聲吶航跡線(xiàn)近端）近似正向入射和反射，其反射波的強(qiáng)度大于以一定掠射角入射的平坦海底反射強(qiáng)度，凸起海底后部（離聲吶航跡線(xiàn)遠(yuǎn)端）由于遮擋導(dǎo)致聲波無(wú)法到達(dá)該區(qū)域，形成聲學(xué)陰影。在聲圖上呈現(xiàn)出凸起前部為目標(biāo)實(shí)體強(qiáng)灰度的灰階圖像，凸起后部為目標(biāo)陰影無(wú)灰度的白色圖像，整體呈現(xiàn)出前黑后白。

凹陷海底與凸起海底相反，凹陷海底前部（離聲吶航跡線(xiàn)近端）由于遮擋導(dǎo)致聲波無(wú)法到達(dá)該區(qū)域，從而形成聲學(xué)陰影。凹陷海底后部（離聲吶航跡線(xiàn)遠(yuǎn)端）近似正向入射和反射，其反射波強(qiáng)度大于成一定掠射角入射的平坦海底反射強(qiáng)度。在聲圖上呈現(xiàn)出后部（離聲吶航跡線(xiàn)遠(yuǎn)端）為目標(biāo)實(shí)體強(qiáng)灰度的灰階圖像，前部（離聲吶航跡線(xiàn)近端）為目標(biāo)陰影無(wú)灰度的白色圖像，整體呈現(xiàn)出前白后黑。

由于海洋內(nèi)波的作用，海底沉物可能會(huì)被水流裹挾，直至被海底凸起擋住或落入海底的凹陷處。因此，在實(shí)際使用側(cè)掃聲吶對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索時(shí)，需要特別注意目標(biāo)物是否被海底凸出部分遮擋或陷入海底凹陷處，此時(shí)可從另外一個(gè)方向?qū)Ω盼粎^(qū)域進(jìn)行掃測(cè)。

2.2 大范圍地形變化影響

海底大范圍的地形變化主要是指海底地勢(shì)的升高或下降，與海洋深度的變化一致。由于側(cè)掃聲吶具有波束指向性，波束主聲軸方向能量最大。以EdgeTech 4200型側(cè)掃聲吶為例（見(jiàn)圖3），波束垂直航跡線(xiàn)方向開(kāi)角為50°，向下偏轉(zhuǎn)為20°，則波束角中心聲軸與水平線(xiàn)的夾角為45°，聲軸方向上聲波能量最強(qiáng)，對(duì)海底掃測(cè)時(shí)該方向的反射也最強(qiáng)。

當(dāng)海底為水平地勢(shì)時(shí)，波束聲軸相對(duì)于水平海底的掠射角[?]為45°，則側(cè)掃聲吶兩側(cè)海底反射強(qiáng)度在聲圖上顯示的灰度相同。

當(dāng)海底存在著定向斜坡時(shí)，為了防止側(cè)掃聲吶碰撞海底造成裝備損壞或避免頻繁調(diào)整側(cè)掃聲吶工作深度，一般側(cè)掃方向須沿海洋等深線(xiàn)設(shè)置[3]，此時(shí)側(cè)掃聲吶左右兩側(cè)聲軸相對(duì)于海底的掠射角發(fā)生變化。

如圖4所示，當(dāng)海底傾斜角度為15°時(shí)，聲吶左側(cè)聲軸相對(duì)于海底的的掠射角[?]為60°，聲吶左側(cè)聲軸相對(duì)于海底的的掠射角[?]為30°。斜入射時(shí)聲吶的反射系數(shù)公式為式（1）[4]。

[β=prpi=msin?-n2-cos2?msin?+n2-cos2?]? （1）

式中，[?]為掠射角，[m=ρ底ρ水]，[n=c水c底]。

當(dāng)?shù)踪|(zhì)聲學(xué)特性均為高聲速海底時(shí)，盡管反射系數(shù)[β]隨掠射角[?]的增大而減小，即反射的聲波強(qiáng)度隨掠射角增大而減小。但由于側(cè)掃聲吶是收發(fā)合一的聲吶，且波束角的角度有限，隨著掠射角[?]的增大，根據(jù)聲波反射原理，其反射波束能夠回到聲吶接收陣的能量也增多，同時(shí)距離的減小使聲波傳播損失減小。綜合上述兩方面因素，并結(jié)合實(shí)際掃測(cè)經(jīng)驗(yàn)，掠射角增大使得側(cè)掃聲吶接收端接受的能量增多。

當(dāng)使用側(cè)掃聲吶對(duì)海底有一定傾斜角度的海域進(jìn)行掃測(cè)時(shí)，為避免聲吶碰撞海底或頻繁調(diào)整聲吶作業(yè)深度，應(yīng)使掃測(cè)線(xiàn)與等深線(xiàn)平行。聲吶圖像左右顯示的海底反射強(qiáng)度不同，海底高度較高一側(cè)在聲圖顯示反射較強(qiáng)，灰度較高;海底高度較低一側(cè)在聲圖顯示反射較弱，灰度較淡。

3 結(jié)語(yǔ)

海底底質(zhì)和地形變化對(duì)側(cè)掃聲吶搜索定位海底目標(biāo)作業(yè)有一定的影響。在實(shí)際側(cè)掃聲吶作業(yè)前，聲吶作業(yè)組人員應(yīng)準(zhǔn)確掌握搜索目標(biāo)的類(lèi)型和搜索海域的底質(zhì)情況，根據(jù)目標(biāo)和海底底質(zhì)的聲學(xué)特性對(duì)側(cè)掃聲吶聲圖進(jìn)行分析，避免漏判錯(cuò)判。

當(dāng)海底局部出現(xiàn)凸起或者凹陷時(shí)，應(yīng)注意聲圖中目標(biāo)的陰影情況和沉于凹陷處被覆蓋遮蔽的可能，可以進(jìn)行多方向掃測(cè)。當(dāng)海底地形整體變化時(shí)，應(yīng)注意聲吶左右兩側(cè)反射強(qiáng)度的不同對(duì)目標(biāo)的漏判，重點(diǎn)關(guān)注地勢(shì)較低側(cè)的聲圖。

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