侧扫声呐：海底地貌“扫描仪”

　　侧扫声呐：海底地貌“扫描仪”

　　■夏志军 王皓凡 本报特约记者 黎明宇　　

Shark-S455M多波束侧扫声呐。资料图片

　　近段时间，“北溪2号”管道泄漏事件在国际社会上被“炒”得沸沸扬扬。这条从俄罗斯乌斯季卢加出发的天然气管道并未走陆上通道，而是穿越波罗的海直达德国格赖夫斯瓦尔德市。

　　除了像“北溪2号”这样的能源输送管道，大洋深处还静静“躺”着海底电缆等连接着不同地区的管线，它们是地区之间政治经济文化交流的重要纽带。

　　深邃的海底并非一马平川。管线铺设想要顺利开展，离不开对海底形形色色地貌的掌握。有一种仪器，可以通过扫描方式向海底发射超声波束，再将接收的信号转换为图像数据，可谓是一台真真切切的海底地貌“扫描仪”。它，就是侧扫声呐。

　　作为海底地貌“扫描仪”，侧扫声呐是如何洞悉海底的?从诞生到成熟经历了怎样的进阶之路?其军事应用前景如何?请看本期解读——

　　一扫知海，以声波洞悉茫茫大洋

　　侧扫声呐是一种主动声呐，也称旁扫声呐、旁视声呐、侧视声呐。顾名思义，侧扫声呐的水声换能器常常安装在船体(或拖体)两侧向侧方发射声波，通过水底地物对入射声波反向散射来探测水底形态和目标。

　　一套完整的侧扫声呐，主要由发射机、接收机、换能器、控制器和显示器等组成。

　　声呐声波发出后，声脉冲以球面波扩展方式沿侧向向远处传播，碰到海底或水下目标的反射或散射信号会原路返回，并根据距离的不同被先后接收，距离越远回波信号越弱。通常来说，硬的、粗糙的和凸起的海底回波信号强;软的、平滑的和凹陷的海底回波信号弱;被凸起海底遮挡部分的海底没有回波。

　　回波脉冲串幅度的高低对应着海底的起伏软硬，换能器每次发射可获得两侧一窄条海底的信息，在计算机上显示为一条线。换能器按一定的时间间隔发射接收脉冲，将每次接收到的回波数据显示排列起来，就可得到完整的海底地形地貌声呐图像。操作人员借助计算机对声呐图像进一步处理，便可对海底或目标物进行判读。

　　侧扫声呐的优点，主要体现在可以利用海底或沉底物的回波强度信息，对海底介质或沉底物特征进行定性分析;具有较高的横向分辨率，可以获得分辨率较高的、二维的海底地貌图;探测面积大，且对特殊外形的水下目标识别能力强;安装难度低，且成本低廉……所以侧扫声呐出现以后很快得到广泛应用，现在已成为水下探测的主要设备之一。

　　在军事上，侧扫声呐主要用于海底沉底目标、水雷、蛙人和潜艇等的探查，水下战场环境调查以及援潜救生等;在民用领域则主要用于水下考古、救捞、海洋大陆架专属经济区划分以及海洋工程等。

　　当然，侧扫声呐也存在明显的缺点，比如只能获取海底相对起伏的数据，无法获得直观的、三维的地形图，海底深度测量的精度也比较低等。

　　一路进阶，不断迭代的探海利器

　　近日，电影《泰坦尼克号》即将以3D形式在大银幕重映的消息，再次将人们的记忆带回泰坦尼克号沉没事件。

　　1912年，堪称当时世界上最奢华舒适的“梦幻邮轮”泰坦尼克号，与一座冰山相撞后沉入大西洋底3700米处。从那以后，许多人曾尝试着打捞泰坦尼克号的残骸，却毫无收获。直到20世纪80年代初，水下考古学家罗伯特·巴拉德及其团队借助侧扫声呐技术，在距沉没区域约21公里处的黑暗海底发现了这艘巨轮。

　　2022年4月15日，泰坦尼克公司联手美国伍兹霍尔海洋学研究所、维特研究所，在泰坦尼克号沉没100周年纪念日当天公布了船体残骸的首次全景绘制图。绘制该图，首先由研究人员以高分辨率测深侧扫声呐进行探测，再派出遥控潜水器依据探测结果实施拍摄。

　　从发现泰坦尼克号到绘制残骸全景，在其中发挥巨大作用的侧扫声呐也经历了巨大的发展变化：

　　第一代是采用了模拟电路单波束声呐。早期声呐由模拟电路和模拟器件构成，完成信号处理和目标跟踪等功能。声呐向水下发射一个声波窄波束，随着船体的移动，形成从点到线的测量。1970年，英国海洋研究所研制出适合大洋使用的GLORIA侧扫声呐，作用距离可达20多公里。

　　第二代是采用了混合模拟/数字电路的单波束声呐。20世纪80年代后，计算机的普及加快了侧扫声呐数字化进程，声呐由模拟电路进化为混合模拟/数字电路，从仪器制造到数据采集处理都发生了根本性的变化。美国K-MAPS测绘声呐的工作深度可以达到400～1000米。

　　第三代是采用了数字电路单波束声呐。随着科学技术的发展，声呐发展为以高性能计算机为控制处理核心，并广泛采用数字信息处理，由电子器件和电子电路构成的探测设备。我国自主研发的Shark-S455M多波束侧扫声呐具有低速和高速两种使用模式，可根据需要实时在线选择。低速模式为单波束双频侧扫，可极大提高中、近距离沿航迹方向的分辨率。高速模式为高频多波束侧扫，提高了测绘效率。

　　第四代是采用了数字电路的多波束声呐和多脉冲声呐。相比传统侧扫声呐，多波束声呐和多脉冲声呐提高了信号的空间采样率，很好地解决了近程和高速拖曳情形下目标丢失的“灯下黑”现象。美国一家公司研发出了第一款使用波束技术的侧扫声呐系统Klein System 5000型声呐。这型声呐有效减少了海上侧扫时间，降低了测量成本，被广泛应用于高速扫雷、港口安全、管线和路由检查。

　　第五代是采用了数字电路的合成孔径声呐。合成孔径声呐是一种新型二维成像声呐，具有横向分辨率与工作频率和距离无关的优点，分辨率比常规侧扫声呐高1到2个量级。据报道，国外一些研究机构已将合成孔径声呐技术应用于水下潜航器，作用距离提高4倍，分辨率提高36倍。

　　如今，国内外在侧扫声呐系统研发领域水平基本相当，美国Klein Marine Systems公司的Klein系列，瑞典DeepVision公司的DE系列，我国北京蓝创海洋公司的Shark系列等，都是广受欢迎的侧扫声呐系统。此外，“蛟龙号”和“彩虹鱼”号等载人潜水器的重大突破也在一定程度上促进了侧扫声呐的发展。

　　一物多能，军事应用前景广阔

　　二战时期，日本十分依赖海上战略物资输送。1945年3月27日，美军启动了一项名为“饥饿战役”作战任务，出动了上百架B-29轰炸机在东京、名古屋等重要港口和濑户内海的主要航道布设了超过12000枚水雷，使其海上交通几近瘫痪。虽然日本相继投入340余艘舰船和2万多人进行扫雷，但是收效甚微。

　　据统计，扫雷要比布雷成本高出10～200倍，未来一旦发生海战，水雷封锁依旧会大概率成为海上通道封控战的首选手段。但随着侧扫声呐技术的迭代发展，其对海下“扫描”的“清晰度”越来越高。在这种情形下，合成孔径声呐技术的重要性便凸显了出来。

　　合成孔径声呐可以获得明显优于传统侧扫声呐的海底成像效果，由于低频声波传播衰减小，作用距离远，使得低频宽带合成孔径声呐可用于探测沉底雷和掩埋雷。运用在战场上，可以大幅提高扫雷成功率，缩减成本。

　　近年来，无人潜航器的新闻“出镜率”陡增。在多国竞相参与下，不断下水的无人潜航器正在不断拓展水下“用武之地”。作为一种无人驾驶、依靠遥控或自主控制在水下航行的智能化系统，面对海下复杂地形，潜航器如何能实现自主控制?

　　据业内人士分析，随着侧扫声呐技术致力于三维海底地形的可视化，把声呐设备的接收换能器作为突破口，可在对海底的“扫描”中得到三维图像，用于海图绘制和水下导航，为潜艇或水下无人潜航器遂行军事任务提供精细化环境支持，协助实现“自动驾驶”。

　　除扫雷和海底三维成像外，侧扫声呐在军事应用上的“切入点”还有很多。未来，新技术的发展将使其产生更多军事运用热点：

　　利用高效与高精度兼具的新技术，为战时舰艇出港航道高效快速清扫提供手段支持。实际应用中，侧扫声呐正在克服“扫测速度越快，扫测宽度越窄”的缺点，多脉冲等新技术的发展和完善有助于实现高效高精度的测量，助力舰艇在战争中快速前出，抢占时机。

　　利用目标识别和海底底质分类技术预置水下武器。要实现在海底预置武器，特别是一些有特殊布防要求的武器装备，需要对部署海域的地形、地貌以及海底沉积层特性进行充分的调查研究，通过声呐图像自动识别水下目标和底质分类工作，可实现水雷、海底预置武器的布设以及水下威胁目标探查。

　　利用新型声呐换能器技术整体提高侧扫声呐的探测性能。换能器是整个声呐系统的核心部件，从换能器的设计出发，朝着大功率、宽频、小体积和抗干扰的方向发展，实现最大化减小环境噪声和混响的影响，能够使装备它的潜航器更出色地执行情报侦察、跟踪敌方潜艇或作为诱饵协助猎杀潜艇、搭载导弹攻击等任务。