海底底质与地形对侧扫声呐工作的影响分析

张颖军 耿家营

摘 要：侧扫声呐是开展海底目标搜寻定位工作的主要装备。不同的海底底质和地形会影响侧扫声呐反射波的强度，从而干扰对声图的准确判读。本研究根据水声学基本原理和侧扫声呐工作原理，分析海底底质和地形对侧扫声呐声图的影响，并对侧扫声呐工作和声图判读方法给出了改进意见和建议，对提高侧扫声呐的使用效能有一定的参考价值。

关键词：侧扫声呐;声图判读;底质;地形

中图分类号：P715     文献标志码：A     文章编号：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

侧扫声呐具有水下扫测作业分辨率高、声图图像连续等特点，是进行海底目标搜寻定位扫测作业的主要装备[1]。我国海域辽阔、南北跨度大，且海底底质类型和地形多样，不同的海底底质和地形对声波的反射和吸收能力差别较大，影响侧扫声呐对海底目标扫测作业的成像，甚至会遮蔽搜寻目标。而在侧扫声呐扫测过程中，对声学图像判读的正确与否，将直接决定本次扫测工作成果的可靠程度。因此，海底底质和地形的变化将给通过声呐图像来准确判别海底目标带来了诸多不确定性。本研究依据水声学原理和侧扫声呐工作特点，分析底质和地形对侧扫声呐海底扫测目标时的影响。

1 海底底质影响分析

侧扫声呐对海底目标的搜寻和定位主要通过对声图的判读来实现，声图上颜色的变化显示了侧扫声呐发射声波打到海底或目標后，反向散射回声呐接收换能器声波的强弱。

根据水声学的基本原理，声波从一种介质进入另一种介质时，两种介质之间的界面对声波的反射和透射大小仅由介质声阻抗[ρc]来决定。两种介质声阻抗差异越大，则反射波声强越大、透射波声强越小;两种介质声阻抗差异越小，则反射波声强越小、透射波声强越大。

当海水密度为1 030 kg/m3、声速为1 500 m/s时，其声阻抗为1.545×106 Pa·s/m。表1和表2列出了常见的水下目标物材质和海底底质的声学特性值[2]。

侧扫声呐海底搜索目标的材质主要是铁、铜、钢、铝、橡胶等人造目标物，海底常见的底质类型主要是表2所列的15种类型。结合图1所示的常见目标材质和海底底质声阻抗值，根据水声学原理，对侧扫声呐扫测目标和海底产生的声图来说，主要存在以下3种情况。一是搜寻目标声阻抗明显高于海底底质声阻抗，即[（ρc）目标>（ρc）海底]时，侧扫声呐声图上目标反射与海底反射对比较为强烈，特别是声阻抗值相差较大时，如钢制目标沉于泥沙底质的海底，此时容易判读目标。二是搜寻目标声阻抗与海底底质声阻抗大致相同，即[（ρc）目标≈（ρc）海底]时，侧扫声呐声图上目标反射与海底反射对比不明显，如橡胶包裹质目标沉于泥沙底质的海底，此时两者在声图上的区别较小，侧扫时很难发现目标，此时应通过其他手段来仔细判别目标，如通过判断目标的阴影来判定目标。三是海底底质声阻抗明显高于搜寻目标声阻抗，即[（ρc）海底>（ρc）目标]时，此时与第一种情况相反，但在侧扫声呐图上目标反射与海底反射对比也会较为强烈，侧扫声呐声图上目标显示较淡，如声图采用黑白显示，水柱为白色时，相较海底来说目标显示也会更接近白色，如沉没于岩石区域的有橡胶吸声材料包裹的物体。

需要指出的是，由于部分海底底质较软，重物落上去后会在自身重力的作用下下陷。在使用侧扫声呐对目标进行搜寻定位时，目标物的声学图像不再是想象中的对海底以上凸起目标物进行搜寻，而是一个凹陷的声学图像特征。

2 海底地形影响分析

2.1 局部凹陷和凸起影响

由于侧扫声呐工作范围较小，此处的地形主要是指局部小范围海底地势的起伏变化。海底局部地形有三种典型的形态：平坦海底、局部凸起海底、局部凹陷海底。

如图2所示，根据水声学原理，在海底底质一致的情况下，由于声呐可以进行时变增益（TVG）的设置，可不考虑声波强度的变化，则无论离声呐航迹线远近，平坦海底在声图中显示的灰度均匀一致。

凸起海底前部（离声呐航迹线近端）近似正向入射和反射，其反射波的强度大于以一定掠射角入射的平坦海底反射强度，凸起海底后部（离声呐航迹线远端）由于遮挡导致声波无法到达该区域，形成声学阴影。在声图上呈现出凸起前部为目标实体强灰度的灰阶图像，凸起后部为目标阴影无灰度的白色图像，整体呈现出前黑后白。

凹陷海底与凸起海底相反，凹陷海底前部（离声呐航迹线近端）由于遮挡导致声波无法到达该区域，从而形成声学阴影。凹陷海底后部（离声呐航迹线远端）近似正向入射和反射，其反射波强度大于成一定掠射角入射的平坦海底反射强度。在声图上呈现出后部（离声呐航迹线远端）为目标实体强灰度的灰阶图像，前部（离声呐航迹线近端）为目标阴影无灰度的白色图像，整体呈现出前白后黑。

由于海洋内波的作用，海底沉物可能会被水流裹挟，直至被海底凸起挡住或落入海底的凹陷处。因此，在实际使用侧扫声呐对目标进行搜索时，需要特别注意目标物是否被海底凸出部分遮挡或陷入海底凹陷处，此时可从另外一个方向对概位区域进行扫测。

2.2 大范围地形变化影响

海底大范围的地形变化主要是指海底地势的升高或下降，与海洋深度的变化一致。由于侧扫声呐具有波束指向性，波束主声轴方向能量最大。以EdgeTech 4200型侧扫声呐为例（见图3），波束垂直航迹线方向开角为50°，向下偏转为20°，则波束角中心声轴与水平线的夹角为45°，声轴方向上声波能量最强，对海底扫测时该方向的反射也最强。

当海底为水平地势时，波束声轴相对于水平海底的掠射角[ϕ]为45°，则侧扫声呐两侧海底反射强度在声图上显示的灰度相同。

当海底存在着定向斜坡时，为了防止侧扫声呐碰撞海底造成装备损坏或避免频繁调整侧扫声呐工作深度，一般侧扫方向须沿海洋等深线设置[3]，此时侧扫声呐左右两侧声轴相对于海底的掠射角发生变化。

如图4所示，当海底倾斜角度为15°时，声呐左侧声轴相对于海底的的掠射角[ϕ]为60°，声呐左侧声轴相对于海底的的掠射角[ϕ]为30°。斜入射时声呐的反射系数公式为式（1）[4]。

[β=prpi=msinϕ-n2-cos2ϕmsinϕ+n2-cos2ϕ]  （1）

式中，[ϕ]为掠射角，[m=ρ底ρ水]，[n=c水c底]。

当底质声学特性均为高声速海底时，尽管反射系数[β]随掠射角[ϕ]的增大而减小，即反射的声波强度随掠射角增大而减小。但由于侧扫声呐是收发合一的声呐，且波束角的角度有限，随着掠射角[ϕ]的增大，根据声波反射原理，其反射波束能够回到声呐接收阵的能量也增多，同时距离的减小使声波传播损失減小。综合上述两方面因素，并结合实际扫测经验，掠射角增大使得侧扫声呐接收端接受的能量增多。

当使用侧扫声呐对海底有一定倾斜角度的海域进行扫测时，为避免声呐碰撞海底或频繁调整声呐作业深度，应使扫测线与等深线平行。声呐图像左右显示的海底反射强度不同，海底高度较高一侧在声图显示反射较强，灰度较高;海底高度较低一侧在声图显示反射较弱，灰度较淡。

3 结语

海底底质和地形变化对侧扫声呐搜索定位海底目标作业有一定的影响。在实际侧扫声呐作业前，声呐作业组人员应准确掌握搜索目标的类型和搜索海域的底质情况，根据目标和海底底质的声学特性对侧扫声呐声图进行分析，避免漏判错判。

当海底局部出现凸起或者凹陷时，应注意声图中目标的阴影情况和沉于凹陷处被覆盖遮蔽的可能，可以进行多方向扫测。当海底地形整体变化时，应注意声呐左右两侧反射强度的不同对目标的漏判，重点关注地势较低侧的声图。

参考文献：

[1] 陈正荣，王正虎.多波束和侧扫声呐系统在海底目标探测中的应用[J].海洋测绘，2013（4）：51-54.

[2] 刘伯胜，雷家煜.水声学原理[M].2版.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009：8.

[3] 李家彪，吴庐山，翟国军，等.海洋调查规范第10部分（海底地形地貌调查）：GB/T 12763.10—2007[S].北京：国家海洋标准计量中心，2007.

[4] 徐妍，王英志，黄佳维.海底底质对声呐探测性能的影响分析[J].舰船电子工程，2017（10）：123-125.