高分辨海底成像声纳
2022-2028全球与中国合成孔径声呐系统市场现状及未来发展趋势
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产品定义及统计范围合成孔径声呐，一种新型的二维成像声纳。
它的工作原理与合成孔径雷达相似，利用匀速直线运动的声基阵，形成大的虚拟（合成）孔径，以提高声纳横向分辨率。
具有横向分辨率与工作频率和距离无关的优点、其分辨率比常规侧扫声纳高1~2个量级。
合成孔径声呐是一种新型高分辨水下成像声纳。
其原理是利用小孔径基阵的移动来获得移动方向(方位方向)上大的合成孔径，从而得到方位方向的高分辨力。
获得这种高分辨力的代价是复杂的成像算法和对声纳基阵平台运动的严格要求。
目前国际上只有少数国家和地区研制出了声呐合成孔径声呐原型机并进行了海上试验。
合成孔径声呐的研究起源于五十年代末期，但直到八十年代以后，声呐合成孔径声呐的研究才逐步全面展开。
声呐合成孔径声呐是一种新型高分辨水下成像声纳，合成孔径雷达原理推广到水声领域，就出现了合成孔径真纳。
其基本愿理是利用小孔径基阵的移动,通过对不同位置接收信号的相关处理，来获得移动方向(方位方向)上大的合成孔径，从而得到方位方向的高分辨力。
从理论上讲，这种分辨力和探测距离无关。
直观地说，距离越大，合成孔径长度就越长，合成阵的角分辨率就越高，从而抵消了距离增大的影响，保持了分辨力不变。
但声呐合成孔径声呐作为一种水下成像设备，受水下复杂条件的影响，有不同于合成孔径雷达的特点。
首先是声传播信道的非理想性比合成孔径雷达中电磁波传播的严重;其次是声纳拖体的运动稳定性比合成孔径雷达要差得多;再者因为声速大大低于电磁波在空间的传播速度，从而大大限制了拖体运动的速度;最后由于声纳中常采用宽带信号而使雷达中的一些窄带信号处理方法在声呐合成孔径声呐中不再适用，需对己有的算法进行改进或研究新的算法。
海洋高分辨反射地震勘探震源的技术特征
震源 等 ） 到广 泛 的使用 ， 漂 浮组合 电缆 在水 下 接 得 用
收 。装 备 的改 善 提 高 了勘 探 的速 度 和 效 果 。６ Ｏ年 代 中期 ， 由于 电子 计 算 机 和 计 算 技 术 的发 展 ， 使 促 ７ 代初 数 字地震 仪 逐步 代替 模 拟 磁 带地 震 仪 ， ０年 又
震 源 技 术 的技 术特 点进 行 了对 比 分 析 ， 出 了这 些技 术 的发 展 方 向 、 用 范 围 和 应 用 前 景 。 指 使 关 键 词 ： 震 震 源 受 控 波 束 类 震源 加 速 水 团 技 术 挤 压 震 源 爆 炸 式震 源 海 洋 地
１ 引 言
海 洋地 震 勘 探 始 于 ２ ０世 纪 ３ Ｏ年 代 末 期 。 当 时， 除设 备 部件 的 防水 、 密措 施 外 ， 仪器 和方 法 水 在 上 大都 沿袭 陆地 人工 地震 测量 技术 ： 以炸药 做震 源 ， 用 密封 的检 波器 接 收 ， 地 震 波 记 录 到感 光 纸 上 再 将 进行 解 释 。调查 主要 集 中在濒 临 陆岸 的浅水 区。５ ０
由于采 用多 次覆 盖 技 术 和覆 盖 次 数 的增 加 ， 水 下 使 接 收装 置 由 ２ ４道 发 展 到 ９ ６道 ， 而 也相 应 要 求 提 从
勘探 中， 声波入射角接近垂直人射 ， 产生了一系列的 反射 波 ， 这是 由于在 沉 积 物 横切 面 的声 学 阻 抗 特 性
发生 了变 化 。声学 阻抗 特性 不 同是 因 为两种 不 同物
纳 、． ｋ ３ ５ Ｈｚ浅 地 层 剖 面 仪 ， 续 变 频 声 纳 ， 频 声 连 差 纳 ） （ ） 速 水 团 技 术 （ ， ｏ ｍｅ ；２ 加 如 ｂ ｏ ｒ布 默 震 源 ， 气
多波束声纳技术
多波束声纳技术多波束声纳技术是一项用于海洋勘探、搜寻和监测的重要技术。
该技术利用多个发射机和接收机的组合来收集来自不同方向的声纳信号，从而提供更准确的海洋环境信息。
本文将详细介绍多波束声纳技术的原理、优势、应用及未来发展。
多波束声纳技术是一种声学成像技术，基于声纳的反射原理。
当声波撞击物体时，会产生回声或反射波，这些波通过传感器接收并转化为电信号。
传感器记录反射波的方向、强度和距离等信息，从而确定物体的位置、形状和构成等信息。
1. 提高声纳信号的分辨率：多波束声纳技术允许在不同方向上同时监测目标，从而提高信号的分辨率。
这种技术的优势在于可以同时捕捉多个角度的反射信号，通过计算并合成这些信号，产生一个更准确的图像。
2. 扩大监测区域：与传统声纳技术相比，多波束声纳技术可以扫描更广阔的水域，监测更大范围的目标。
多波束声纳技术的核心是发射器和接收器的设计。
通常，一个多波束声纳系统由多个发射器和多个接收器组成。
发射器会将声波向不同方向投射；而接收器则将同样的区域内的反射波信号收集回来。
这些发射器和接收器按照不同的排列方式被组装在一起，形成一个多波束声纳阵列。
接着，通过寻找各个接收器收到的反射波信号之间的相对时间延迟和强度变化，系统可以分析来自目标的不同方向的声波信号，最终形成一个具有高分辨率、高准确度的三维声纳图像。
1. 增强了信号处理能力：多波束声纳技术允许同时记录来自不同方向的反射波信号，这意味着系统可以处理更多、更丰富的数据，从而提高识别能力和准确性。
2. 提高了对目标的探测效率：多波束声纳技术可以在一次扫描中覆盖更多的区域，从而提高了探测效率。
多波束声纳技术还可以针对不同类型的目标，进行定向、精细的探测操作。
4. 降低了误报率：多波束声纳技术可以针对不同类型目标进行定向探测和识别，从而减少与非目标物体的误识别，提高探测的真实性。
1. 海洋科学：多波束声纳技术可以用于寻找海底热液喷口、沉船、遗迹以及地下隧道等目标。
三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状与展望
2021年 第1期海洋开发与管理49三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状与展望郎诚1,茅克勤1,向芸芸2(1.浙江省海洋科学院 杭州 310000;2.自然资源部第二海洋研究所 杭州 310012)收稿日期:2020-07-20;修订日期:2020-08-18基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目 土地资源约束下海岛系统的适应性管理研究 (41506140);自然资源部第二海洋研究所及中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(J G 1719).作者简介:郎诚,助理工程师,硕士,研究方向为声学成像和海洋装备研发通信作者:茅克勤,高级工程师,硕士,研究方向为海洋测绘和地理信息系统摘要:为提高我国海底掩埋目标的探查技术,以适应不断发展的探测需求,文章综述了现有三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状,并对关键技术的发展方向进行了展望㊂结果表明:尽管三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中具有较大的技术优势,但是由于技术难度大㊁复杂程度高,可提供成熟商用设备的单位仅有两家,中科探海研发的三维合成孔径声呐系统多项核心技术指标领先㊂运动误差估计和补偿技术,掩埋目标特征提取和识别分类算法,多通道大规模数据并行处理算法等关键技术将成为三维合成孔径声呐系统未来的发展方向㊂关键词:掩埋目标;合成孔径声呐;三维S A S ;海底探测装备;声学成像中图分类号:T H 766;T B 565.2 文献标志码:A 文章编号:1005-9857(2021)01-0049-04T h eA p p l i c a t i o n s a n dP r o s p e c t o f 3DS y n t h e t i cA pe r t u r e S o n a r S y s t e mi nB u r i e dT a r ge t sD e t e c t i o n L A N GC h e n g 1,MA O K e q i n 1,X I A N G Y u n yu n 2(1.Z h e j i a n g A c a d e m y o fM a r i n eS c i e n c e ,H a n gz h o u310000,C h i n a ;2.S e c o n d I n s t i t u t e o fO c e a n o g r a p h y ,MN R ,H a n gz h o u310012,C h i n a )A b s t r a c t :F o r t h e p u r p o s eo f i m p r o v i n g t h ed o m e s t i c t e c h n o l o g y o nb u r i e dt a r g e t sd e t e c t i o n ,a n d m a t c h i n g i n c r e a s i n g d e m a n d so f s u b m a r i n ed e t e c t i o n ,t h i s p a p e r r e v i e w e dt h ea p pl i c a t i o n so f 3D s y n t h e t i c a p e r t u r e s o n a r s y s t e mo nb u r i e d t a r g e t s d e t e c t i o n ,a n d p r o s p e c t e d t h e f u t u r e d i r e c t i o n o f t h e c o r e t e c h n o l o g i e s .I tw a s f o u n d t h a t :t h e r e a r eo n l y t w oc o r p o r a t i o n s p r o v i d i n g d e v e l o p e d3D S A Sd u et ot h eh i g hc o m p l e x i t y a n dd i f f i c u l t y i nd e s i g n i n g a n di m p l e m e n t a t i o n ,d e s p i t eo f i t s g r e a t a d v a n t a g e s i n b u r i e d t a r g e t s d e t e c t i o n ;m a n y p a r a m e t e r s o f t h e 3DS A S p r o d u c e d b y T-S E A M a r i n eT e c h n o l o g y C o .,L t d .a r e a h e a do f t h e c o m p e t i t o r ;m o t i o n e r r o r e s t i m a t i o n a n d c o m p e n s a -t i o n ,b u r i e d t a r g e t s f e a t u r e e x t r a c t i o n a n d c l a s s i f i c a t i o n a l g o r i t h m ,a n dm u l t i -c h a n n e l p a r a l l e l p r o -c e s s i n g a l g o r i t h mf o r l a r g e -s c a l e d a t aw o u l db e t h e f u t u r e d i r e c t i o no f 3DS A S .K e yw o r d s :B u r i e d t a r g e t s ,S y n t h e t i c a p e r t u r e s o n a r ,3DS A S ,S u b m a r i n e d e t e c t i o n ,A c o u s t i c a l i m a -g i n g50海洋开发与管理2021年0引言随着海洋科技和海洋经济的深入发展,对海洋的认知和开发已遍布海洋的各个区域,对探查装备的能力需求越来越高,要求探查装备的探测能力从近海延展到中远海,从水中悬浮㊁沉底目标扩展到海底以下地质层或掩埋物体㊂与此同时,随着海洋经济的快速发展,海底通信光缆㊁海底供电电缆㊁海岛之间的输水和输气等水下管道等铺设量也越来越大,而且这些基础工程都是关乎国计民生的重大事项㊂现在海底管道和线缆均采用掩埋的方式铺设,所以在后期的管缆路由探查和维护工作中,被掩埋的管缆目标的精确探测需求越来越迫切㊂目前,可用于掩埋目标探查的技术主要包括浅地层剖面仪㊁二维合成孔径声呐和三维合成孔径声呐等[1-2]㊂浅地层剖面仪目前在传统的作业方式中应用最为广泛[3-7],但其主要问题在于开角非常窄,只能横穿掩埋目标作业㊂另外浅地层剖面仪对小的掩埋目标(比如直径20c m以内的管缆㊁光缆㊁普通的掩埋目标等)均无法探测㊂合成孔径声呐的概念最早由美国的R a y t h o n 公司在20世纪60年代提出[8],其基本思想是对小孔径基阵沿直线运动过程中记录的接收信号进行孔径合成处理,从而达到虚拟大孔径基阵的方位分辨力效果,在高分辨海底成像领域有着潜在的应用前景㊂1合成孔径声呐1.1二维合成孔径声呐早期二维合成孔径声呐的研究主要集中于侧扫式合成孔径声呐,只能形成目标的二维图像,无法给出深度信息[9]㊂而在海底掩埋目标的位置探测时,掩埋目标埋深这一判断管缆目标安全状态的关键信息至关重要[10]㊂因此,二维合成孔径声呐在实际应用中无法完全满足工程需求㊂三维合成孔径声呐技术在此背景下应运而生㊂1.2三维合成孔径声呐三维合成孔径声呐技术最早由G r i f f i t h[11]通过干涉法在水池中试验成功,并逐步获得研究学者的关注[12-14]㊂但是干涉式合成孔径声呐的三维图像是通过多幅二维图像重建获得,并非目标的真实三维成像,因此无法完成对目标的高精度测深[15]㊂21世纪初,为克服干涉式合成孔径声呐的这一缺点,日本学者A s a d a等[16]基于多波束测深声呐技术,提出了多波束合成孔径声呐,并在试验中获得了良好效果㊂国内,哈尔滨工程大学和中国科学院也对三维合成孔径声呐技术开展了早期研究[17-18],并奠定了一定的理论基础㊂由于在三维成像上所具有的显著优势,多波束合成孔径声呐使得海底掩埋目标探查技术装备的研究与开发重点聚焦于多波束合成孔径声呐㊂2三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状由于多波束合成孔径声呐在三维成像上的显著优势,应用于掩埋目标探查的设备多基于多波束原理设计开发㊂目前成熟商用的三维合成孔径声呐仅有加拿大的P a n g e o公司的S B I(S u bB o t t o m I m a g e r)型三维合成孔径声呐和我国中科探海海洋科技有限责任公司(以下简称中科探海)设计生产的下视三维合成孔径声呐㊂2.1S B I型三维合成孔径声呐加拿大P a n g e o公司生产的S B I型三维合成孔径声呐,研发始于2008年,2010年完成了对海底掩埋的高压直流输电(HV D C)电缆的验证,主要技术参数如表1所示,2011年正式进入商用领域,完成了大量的实际应用㊂表1加拿大P a n g e o公司S B I系统主要技术参数[19]参数名称参数数值阵元数目40个最大埋深7m航数<2k n探测距底高度数距海床垂直高度3.5mʃ0.5m作业深度3~1000m尺寸1.8mˑ1.85m(可展开至3.4mˑ1.85m) S B I型三维合成孔径系统采用5ˑ8的水听器阵列,可4~14k H z多个频段扫描探测,可安装于水下机器人上作业㊂该系统在线性探测时,探测宽度可以到5m,并在长度方向上连续探测数千米㊂第1期郎诚,等:三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状与展望51 而在进行区域探测时,可以在探测结束后对探测结果进行组合,形成整个区域的完整探测成像㊂2.2 中科探海三维合成孔径声呐2.2.1 产品概述中科探海在2016年开始了下视三维合成孔径声呐的研制工作,并于2018年推出可商用的产品㊂与加拿大产品相比,该公司研制的三维合成孔径声呐系统,突出优点是同时集成了下视三维合成孔径声呐㊁下视多波束声呐㊁侧视声呐等三部声呐分机,采用模块设计,可根据不同要求灵活组合,满足不同任务场景以及安装需求㊂其中下视三维合成孔径声呐可获得水体㊁海底㊁海底以下掩埋层等全海深的三维声呐数据,下视多波束声呐可获得海底高精度地形数据,侧视声呐可获得海底高精度的地貌数据㊂利用不同声呐的成像特性,可获得目标的多维度特征信息,可提供水下悬浮㊁沉底和掩埋目标的高清影像㊁目标位置㊁目标埋设深度以及水下高精度三维地层等多种信息,对目标的辨别㊁埋深的精确测定㊁路由走向㊁海底环境信息等均可获得高质量成果,极大地促进海底电缆和管线的成像和信息提取㊂该系统可满足用户水下环境探查㊁水下目标搜索㊁航道整治复勘㊁护堤结构复勘㊁桥墩监测㊁救捞㊁应急㊁油气管线路由勘察㊁光缆电缆勘察(路由+埋深+地层等功能)㊁三维精细地层结构㊁水下其他各类成像等多种使命任务的需求㊂2.2.2 产品性能中科探海三维合成孔径声呐系统的主要技术参数如表2所示㊂通过与加拿大P a n g e o 公司产品的技术参数对比可以看出其在分辨率㊁探掩埋深度㊁工作航速等指标上具有绝对优势㊂表2 中科探海三维合成孔径声呐系统主要技术参数[20]参数名称参数数值像素精度2c mˑ2c mˑ2c m最高工作航速6k n最大工作水深300m埋深测量精度10c m 最大可探测掩埋目标埋深(泥底)直径5c m 电缆埋深5m ;沉船埋深10m ;浅地层剖面深度30m续表参数名称参数数值最大探测范围掩埋目标:正下方90度;沉底目标和悬浮目标:正下方140度(下视)/双侧各45度(侧视)下视三维阵元数量A 型432个;B 型288个;C 型96个下视多波束最大波束数物理波束192个;数字波束1400个最大量程150m质量A 型ɤ400k g ;B 型ɤ250k g ;C 型ɤ100k g尺寸A 型:1.8mˑ1.4mˑ0.2mB 型:1.5mˑ1.2mˑ0.2mC 型:1.2mˑ0.7mˑ0.2m2.2.3 产品系列中科探海三维合成孔径声呐系统目前有A ㊁B ㊁C3个系列[20-21]㊂A 系列产品为拖曳式产品㊂适用于深水水域,工作时通过调整拖缆长度的方式,来调整拖体在水中的深度,使声呐距底高度处于良好工作状态,满足较深水域水下悬浮㊁沉底和掩埋目标探测的需求㊂接收阵列采用3行6列模块配置,共432个阵元㊂B 系列产品为大型框架式安装,适用于测量船船底安装或船侧挂载㊁水面大型无人船船底安装等,其接收阵列采用3行4列模块配置,共288个阵元㊂C 系列产品为小型框架安装,体积小㊁搭载方便,适用于小型测量船船侧挂载,作业方便㊁迅捷㊂可对浅海海底掩埋目标进行高清晰三维成像㊂接收阵列采用1行4列的模块配置,共96个阵元㊂3 结语本研究主要对三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状及现有成熟设备的应用情况进行综述㊂尽管三维合成孔径声呐系统在海底掩埋探查中具有良好的成像性能,但由于该系统的开发难度大㊁复杂程度高,市面众多研究单位中,仅有两家可提供成熟的商用产品㊂目前,三维合成孔径声呐系统已能基本满足当下的作业需求,然而海52海洋开发与管理2021年洋科技㊁海洋经济的深入发展对三维合成孔径声呐系统提出了新的技术需求:(1)运动误差估计和补偿技术:与无人平台合作进行高度自动化作业是三维合成孔径声呐系统未来的发展方向,而无人平台姿态变化对其成像精度和目标定位精度影响较大,因此必须发展基于G P S㊁超短基线㊁惯导等多数据源的运动误差估计和补偿技术㊂(2)掩埋目标特征提取和识别分类技术:实现掩埋目标物目标特征提取和识别分类是一体化探测无人平台智能探测的基础㊂对水下目标的正确分类与识别建立在有效的特征提取技术上,特征提取是目标识别过程中的关键,它直接影响到目标识别的效果㊂(3)多通道㊁大规模数据并行处理算法:随着对探测深度和探测分辨率的要求越来越高,阵列也变得越发庞大,未来阵列的通道数量可达到数百路,这就对数据采集和处理提出了较高要求,尤其在处理实时成像时,对电子系统和成像算法的要求更高㊂参考文献[1]路晓磊,张丽婷,王芳,等.海底声学探测技术装备综述[J].海洋开发与管理,2018,35(6):91-94.[2]宋帅,周勇,张坤鹏,等.高精度和高分辨率水下地形地貌探测技术综述[J].海洋开发与管理,2019,36(6):74-79. 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声纳技术在海洋科学中的应用
声纳技术在海洋科学中的应用海洋，是地球上最神秘的领域之一。
深不见底的海底、浩渺无垠的海面，让人类对海洋的探索充满了好奇与渴望。
然而，在这个广阔而危险的领域中，海洋科学家们却需要利用各种现代技术来获取海洋的秘密。
其中，声纳技术作为一种重要的手段，发挥着不可替代的作用。
本文将探讨声纳技术在海洋科学中的应用。
声纳技术最早是在第一次世界大战时由军方发展起来的。
然而，随着科学技术的进步，声纳技术逐渐走进了海洋科学的领域。
声纳技术的基本原理是利用声波在水中传播的特性，通过声纳设备发送声波，并根据其反射回来的信号来获取目标物体的位置和形态信息。
现代声纳技术已经发展到了非常高的水平，不仅能够测量目标物体的位置、形态和大小，还能够获取更加精细的信息，例如目标物体的物理性质、海底地貌等。
在海洋科学中，声纳技术广泛应用于海底地形测绘、海洋生物研究和资源勘探等领域。
首先，声纳技术在海底地形测绘中起着重要作用。
传统的海洋地形测绘主要依靠潜水员和遥控无人潜水器等手段，然而这些方法受到了水深、潮汐和水下能见度等因素的制约。
而声纳技术则能够克服这些限制，通过声波的反射来绘制海床的地形。
通过声纳技术获取的海底地形信息，可以帮助科学家了解海底地貌、洋底地壳运动情况等，对海底地质和地球动力学的研究具有重要意义。
其次，声纳技术在海洋生物研究中也有广泛的应用。
海洋生物的观察对于了解海洋生态系统和生物多样性至关重要。
然而，海洋生物的观察往往受到水深和视野的限制。
声纳技术可以通过声波的反射来获取水下生物的分布情况，从而帮助科学家研究海洋生物的种类、数量和迁徙路径等。
通过声纳技术的应用，科学家们还发现了许多鲸类的迁徙行为和沉默河豚的集体行动等有趣的现象。
此外，声纳技术还在海洋资源勘探中有着重要的作用。
海洋中蕴藏着丰富的资源，包括石油、天然气、矿物等。
声纳技术可以通过声波的反射来探测地下的资源分布情况，帮助科学家确定资源的类型、储量和可开采性。
海底目标声学探测常用方法
海底目标声学探测常用方法我折腾了好久海底目标声学探测这事儿，总算找到点门道。
我一开始啊，那真是瞎摸索。
我就知道声学探测肯定是靠声音来发现海底的目标嘛。
最开始尝试的就是主动声呐探测。
这主动声呐呢，就好像我们在黑屋子里，拿个手电筒到处照，主动发出声波，然后等这个声波碰到目标之后反射回来，根据反射回来的时间还有波形之类的信息，来判断目标是啥，在什么位置，大概有多大等。
我刚开始做这个的时候，那些参数啥的都设置不好，发出的声波强度不够或者频率不合适。
就好比手电筒太暗或者光太散一样，根本照不到多远的地方，也看不清东西。
所以有时候啥都探测不出来，或者就算探测到了也都是模模糊糊的，错误很多。
不过经过好多好多的尝试呢，我就发现这个声波的频率是个很关键的东西。
如果是探测比较小的目标，像一些海底遗失的小仪器啥的，就得用比较高的频率，就像小蜜蜂飞舞时候扇动翅膀频率很高那种感觉，高频可以把小目标的细节捕捉得更清楚。
但是高频的声波传播距离不够长，要是想探测大范围大片的海底区域，找找大的目标，像是沉船啥的，还得用低频的声波，低频声波就像大鲸鱼那种低沉的叫声一样，可以传播很远。
另外呢，还有被动声呐探测。
我试过之后就感觉这像是我们在海边静静地听海水里传来的声音。
这海底有些目标啊，它自己就会发出声音。
像那些在活动的海洋生物，或者是机械运转会有噪声的设备之类的。
我们就光听这些不同的声音，再根据经验或者之前搜集到的数据，来判断有没有目标。
但是这种方法很容易被干扰。
我曾经有一次就搞错了，听到一种奇怪的声音以为是新发现的特殊目标发出的，结果仔细一查是风浪和礁石摩擦出来的类似于那种目标声音的噪声。
后来我还听说有多基地声呐的方法。
但是这个我没实际做过，就是听别人讲起来感觉挺神奇的。
说是在不同的位置设置发射站和接收站，这样从多个角度来探测目标，应该是能得到更全面准确的信息。
我觉得这就好比一个复杂的监控系统，从多个摄像头不同角度去观察东西一样。
这时候要是想做这个可能得先好好研究下各个基站怎么布局合理，互相之间怎么协同工作，这都是我还不确定的东西。
【精选】水下目标搜索与识别技术
水下目标搜索与识别技术水下目标搜索与识别系统一般分为光视觉系统和声视觉系统，当距离物体十米以内，一般采用光视觉系统，当距离物体大于十米以上时则用声视觉系统。
当前流行的趋势是采用激光的方式来进行目标搜索与识别。
一．光视觉系统传统的光视觉系统包括水下摄像机、照明等设备用来满足获取光学图像和视频信息等基本的要求。
而现在的光视觉系统不仅要求满足上述要求，还要求具备对图像和视频信息进行处理、特征提取以及分类识别的功能。
总之，只能水下机器人中光视觉系统的使命是：快速、准确德获取水下目标的相关信息，并对信息进行实时处理，将处理结果反馈给计算机，从而指导机器人进行正确的作业。
1.光视觉系统框架水下光视觉系统主要分为三大块：(1)底层模块:图像采集系统，包括专用水下CCD感光摄像头和图像采集卡，这部分属于硬件部分；(2)中层模块：图像处理，包括图像预处理、图像分割、特征提取、根据目标模型进行学习，形成知识库和逻辑推理机制，得到单幅图像的初步理解和评价。
(3)高层模块：分类是水下目标识别最为核心的技术，也是最终实现部分。
1.1硬件组成光视觉系统硬件包括光视觉计算机、水下CCD摄像头、云台和辅助照明灯。
光视觉计算机完成视觉建模、高层视觉信息处理和理解、与机器人主控计算机的网络通讯，实时监控系统每个时间节拍的运行状态与处理参数。
1.2软件体系水下光视觉系统的软件体系涵盖了两个部分：中层模块和高层模块。
中层模块主要负责图像处理工作(图像处理一般包括图像预处理、图像分割和特征提取三方面)。
高层模块是水下目标识别系统的最终实现部分，一般采用的是神经网络识别算法进行识别分类。
二．声视觉系统理想的声视觉系统作为智能水下机器人的传感设备，应该具备灵敏度高、空间分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强、自主调节和全天候作业等特点，能适合探测弱目标和鉴别多目标的需要。
同时它能在比较复杂的人为干扰和自然干扰下，实现对目标的自动识别和跟踪选择。
声视觉系统最终要完成的任务是目标的自动定位、分类识别以及对运动目标实现跟踪，而完成这一任务的核心和前提条件是拥有一台高分辨率水声探测设备。
有源声呐简介介绍
数据解析
通过对收集到的数据进行解析和分析，可以 提取出目标的具体信息，如目标类型、形状 和大小等。同时，还可以通过对数据的分析 ，实现对目标行为的预测和判断。
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有源声呐的发展历程与趋势
有源声呐的发展历程
20世纪初期
有源声呐技术开始起步，最初用于探测水下物体 和测量水深。
20世纪50年代
有源声呐技术不断发展，应用领域扩大到海洋资 源开发、海洋地质调查、海洋渔业等。
定位水下目标
有源声呐通过发送声波并 接收回波信号，利用时间 差或相位差可以确定目标 的位置。
水下境，为水下机器人或 航行器提供导航和避障信 息。
海洋环境监测与资源调查
要点一
监测海洋环境变化
有源声呐可以监测海洋环境中的温度、盐度、流速等参数 ，帮助科学家研究海洋环境的变化。
水下遗址考古
有源声呐可以探测水下遗址的位置和形状，为考古学 家提供重要信息。
搜寻与打捞
有源声呐可以用于搜寻和定位水下丢失的物品或残骸 ，为打捞工作提供帮助。
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要点二
资源调查与生态评估
有源声呐可以探测海底生物、海底矿物等资源分布情况， 为资源开发和生态保护提供依据。
航海安全与防险系统
航海安全预警
有源声呐可以实时探测周围船只、暗礁等障碍物，为航 海安全提供预警。
防碰撞系统
有源声呐可以与船舶控制系统结合，实现自动避碰和防 碰撞功能，提高航海安全性。
水下考古与搜寻应用
频率调整
为了更好地控制信号传播距离和方向 ，需要对信号的频率进行调整。通过 调整频率，可以实现对目标距离和位 置的精确测量。
信号传播与衰减
水介质特性
有源声呐的信号传播主要是在水介质中进行的。水介质具有复杂的物理特性，包括密度、声速等，这 些特性对信号的传播和衰减具有重要影响。
以3DSS-iDX-450三维侧扫声纳为例探究声纳于海洋测绘中的应用
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。
水下便携式三维声纳实时成像系统设计
水下便携式三维声纳实时成像系统设计陈加洋;陈耀武【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2015(000)002【摘要】针对传统三维声纳装置体积庞大、设备沉重，在水下难以灵活作业的问题，设计了水下便携式三维声纳实时成像系统。
通过现场可编程门阵列（ FPGA）控制多路信号同步采样，优化波束形成算法大幅提高声纳信号处理速度，同时采用基于低功耗的数字媒体处理器以并行处理方式实时完成三维建模和图像显示。
实验结果表明：系统续航时间可达4 h，水下零重量，可在40 m范围内实现角度分辨率1.2°的三维成像，图像刷新率可达25帧/s。
%Aiming at problem of large size,heavy weight and can’t work flexibly underwater of traditional 3D sonar device,a design of portable 3D underwater sonar real-time imaging system is proposed. Control multiple path signal for synchronization sampling by FPGA,beamforming algorithm is optimized to improve processing speed of sonar signal,digital media processor based on low power consumption is used to achieve 3D modeling and image display by the way of parallel processing. Experimental result shows that the system can work for 4 h offline,and its weight underwater is zero,and is able to form 3D imaging with a resolution of 1. 2° within the range of 40 m,and the image refresh rate can reach up to 25 frames/s.【总页数】4页(P99-102)【作者】陈加洋;陈耀武【作者单位】浙江大学数字技术及仪器研究所，浙江杭州310027;浙江大学数字技术及仪器研究所，浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TP752.1【相关文献】1.手持式三维声纳实时成像系统设计 [J], 蒋涛琳;田翔2.水下三维场景实时成像系统 [J], 万华;周凡;胡银丰3.便携式三维成像声纳的非网格化稀疏阵列技术 [J], 赵冬冬;刘雪松;周凡;陈耀武4.兼顾远场和近场性能的便携式三维声纳设计 [J], 赵冬冬;刘雪松;周凡;胡映天;陈耀武5.基于多波束测深与三维扫描声纳的拦污网水下结构检测技术应用 [J], 李同飞;朱瑞虎;徐鹏飞;丁德荣因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水下目标识别与声信号处理技术
水下目标识别与声信号处理技术水下目标识别与声信号处理技术 1、目的与意义水下目标探测与识别技术对海洋资源的开发和利用以及军事方面有着极大的意义和作用。
比如海底石油的开发和探测，下水潜艇的探测，以及海底残骸，海底底质的分类等等。
目前水下目标探测的主要传感器有:微光TV、激光成像和声纳传感器。
微光TV的图像清楚,但受海水能见度影响很大,总的来说可识别的距离太近,实际应用中难以满足要求;激光成像是在近几年发展起来的新方法,比较适合水下机器人使用,其体积、重量和所需功耗都较小,成像质量远高于声学成像并类似于微光TV,作用距离比TV远,同时可提供较准确的距离信息。
然而要满足对水下目标识别的要求,仍然有不少技术难关需攻克;声学传感器(声纳)在水中作用距离远,又有一定的分辨率,所以是目前水下目标探测的主要传感器。
但是,声纳传感器受海洋环境、背景目标等影响,成像的清晰度不够,给目标探测和识别增加了难度。
智能水下机器人的视觉系统主要依靠“声视觉”。
与传统的声纳系统不同，声视觉系统不仅有声图像和声信息的获取能力，而且应该具备对图像和信息的处理、特征提取以及分类和识别的功能。
安装在机器人主体上的成像探测声纳主要有两类:(1)侧扫声纳:对机器人下方和两侧进行扫描成像的声纳系统，主要用于远距离，大范围的目标探测与定位。
(2)前视声纳:对机器人前方物体和景物声成像的声纳系统。
2、整个声视觉系统的框架为:(l)机器人前方:安装低分辨前视声纳、高分辨率前视声纳(采用声透镜技术)或三维成像声纳。
低分辨前视声纳主要用来发现前方远距离目标，在探测到可疑目标后，接近目标启动高分辨率前视声纳或三维声纳，进行目标的精细探测和识别;(2)机器人侧面:安装高分辨侧扫声纳，主要用来进行远距离海底探测，发现目标后，引导机器人下潜进行近距离识别; (3)机器人下方:安装高分辨的近距离成像声纳或三维成像声纳。
主要进行海底目标(水雷，沉船或管道等)高分辨率识别。
合成孔径声纳技术及其在海底探测中的应用
合成孔径声纳技术及其在海底探测中的应用2天津市鼎致仪器设备有限公司天津300143摘要：合成孔径声呐是目前海底探测中的一个热点，在地形成像、海底小目标成像、海底管线探测等领域具有重要的应用价值。
本文对合成孔径声纳技术的相关概述和基本原理进行了较为详细的论述，并着重分析了合成孔径声纳技术及其在海底探测中的应用及其效果。
并对其在水下探测方面的应用进行了展望。
关键词：合成孔径声纳技术；海底探测；应用海洋科学研究，海洋勘探，海洋资源开发，是海洋经济发展的三个主要方面。
作为海洋勘探的一种技术方法，水下声波检测对维护海洋主权、防治海洋灾害、开发海洋油气资源具有十分重要的意义。
在水声导航、高速数字信号处理、多子阵成像、运动误差估计等方面的迅猛发展的今天，合成孔径声纳技术的研究得到了迅猛的发展。
目前，我国在不同类型的海洋平台，如无人驾驶、水下拖曳等方面均已获得较大的成功；其中，地形成像，海底小目标成像，海底小目标成像，海底管道探测，海底光缆探测，都有了长足的进步。
1相关概述随着中国海洋石油天然气工业的迅速发展，其海底管线的敷设数量越来越多，其事故发生率和危害性也越来越大。
海底管道的泄漏风险来源涉及许多领域，如：地质灾害引起的管道失稳、埋设不合理引起的管道滞留、复杂地形引起的管道变形、砂砾移动引起的管道磨损等。
为此，需要对已有管线的埋深、暴露状况及位置进行探测，同时，对海底管线区域的地形、地貌等因素进行研究。
目前，海洋勘探中最常见的方法有：多波束测深系统，侧扫声呐，浅地层剖面图等。
当前，合成孔径声纳技术（syntheticaperturesonar，SAS）是一种具有自主知识产权的新型水下检测与成像系统。
该技术可提供宽范围、高解析度的图像，可侦测水下、半埋及被埋物体。
该技术可用于探测与识别水下地雷及其他有威胁的目标，海底调查，水下沉船搜寻等，具有广阔的应用前景。
2合成孔径声纳技术基本原理合成孔径声呐技术是一种以小口径声呐为基础，通过对大口径声呐阵列做线性同步运动的方法。
基于高分辨图像声呐的舰船声尾流实测研究
Ｔｈ ｃ ｏ ｈ ｇ ｌｇ ｔｏ ｈ ｐ ｈ ｌ ｎ ｃ ｕ ｔ ｍａ ｅ ｏ ｈｉ ｋ ｈ ｅ ｉ ｎ ｉｎａ ｅ ｔｔ ｔｏ ｒ ｅ ｓ ｒｄ． ｅ ｅ ｈ ｉｈ ｉ ｈ ｆｓ ｉ ｕ ｌａ ｄ ａ ｏ ｓｉ ｉ ｇ ｆｓ ｐ ｗａ ｅｔ ｒ ｅ ｄ ｍｅ ｓｏ ｌｄ ｓｉｕ ｉｎｓａｅ ｍ ａ ｕ ｅ ｃ Ｔｈ ｈ ｐ ｗａ ｅ ｃ ｕ ｔｃ ｃ ｔｅ ｉ ｇ ｔｅ ｇ ｈ ａ ｉ ｇ ｅ ｓ ｉ ｋ ａ ｏ ｓｉ ｓ ａｔｒｎ ｓｒ ｎ ｔ ｖ ｒ ｎ ｗｉｈ ｉ ａ ｄ ｈ ｌｆ ｌｎ ｔ ｏ ｈ ｐ ｙ ｔ ｔｍｅ ｎ ｔ ｅ ｉｅ ｅ ｇ ｈ ｆ ｓ ｉ ｗａ ｅ ｒ ａ ｓ ｋ ａ ｅ ｌｏ ｏ ｔｉ ｅ ｆｅ ｈ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ｏ ｈ ａ ａ ｂ ａｎ ｄ ａｔｒｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｆｔ ｅ ｄ ｔ ． Ｋ ｅ ｏ ｄｓ： ｓ ｉ ｋ ｙ ｗ ｒ ｈ ｐ ｗａ ｅ；ａ ｏ ｓｉ ｍ ａ ｅ；ｓ ａ ｔｉｌ ｃ ｕ ｔｃ ｉ ｇ ｅ ｒａ
状、 寿命 和散 射强 度 分布 等 特 性 与舰 船 的航 速 、 水 吃 深度 、 吃水宽度 等 目标属 性之 间的关 系是 声尾 流 自导 研究 的 重点 ， 而对尾 流 中的空 穴和 断层提 供散 射特性
束， 样 ４。４。 这 ０ ｘ ０ 的空 间范 围就被 波束 间距 为 ０ ４ 的 ．。
Ｅｘ ｒｍ ｅ ｔ ｌｓｕｄ ｎ ｔ ｅ ａ ｏ ｔｃ ｓ ａ ｔ ｒｎｇ ｏ ｈｅ ｓ ｐ ’ｗａ ｅ ｓｎ ｍ ａ ｉ ｇ ｓ ｎ ｒ ｐｅ ｉ ｎ ａ ｔ ｙ ｏ ｈ ｃ ｕｓｉ ｃ ｔｅ ｉ ｆｔ ｈｉ ｓ ｋ ｓｕ ｉｇ ｉ ｇｎ ｏ ａ
Ｃ Ｅ ｕ — ｉＪ ｉｇ Ｌ ｕ— ａ ， Ａ ｅ Ｈ Ｎ Ｙ ｎｆ ，Ｉ Ｂｎ ， Ｉ ｉｕ ｎ Ｇ Ｏ Ｌ ｉ ｅ Ａ Ｇ ｊ （ ｅ ａ ｏａ ｒ ｆｒ ｎ ｅｗ ｔ ｅｔ ｎ ｏ ｔ ｌ ｅｈ ｏｏｙ Ｄ ｌ ｎ １ ， ｈｎ ） Ｋ ｙＬ ｂｒｔ ｙ ｏ ｄｒ ａ ｒ ｓ ａｄＣ ｎｒ ｃ ｎ ｌ ， ａ ａ ０ Ｃ ｉａ ｏ Ｕ ｅＴ ｏＴ ｇ ｉ １ １ ６ ３
浅水多波束测深声纳关键技术剖析
浅水多波束测深声纳关键技术剖析
浅水多波束测深声纳是一种用于浅水区域海底地形测量的技术，其核心是利用声波的反射和散射来获取海底地形信息。
本文将从以下几个方面剖析浅水多波束测深声纳的关键技术。
一、声波发射和接收技术
在浅水多波束测深声纳系统中，声波的发射和接收是非常关键的环节。
为了实现高精度的海底地形测量，需要设计高效的声波发射和接收技术。
其中，声波发射技术包括发射频率、发射角度、发射能量等方面的优化；声波接收技术则包括接收灵敏度、接收波束宽度、接收角度等方面的优化。
二、多波束成像技术
多波束成像技术是浅水多波束测深声纳的核心技术之一。
通过同时发射多个波束，并利用多通道接收系统接收反射回来的声波信号，可以实现对海底地形的高精度成像。
多波束成像技术需要考虑多个波束的发射角度、频率、能量等参数，以及多通道接收系统的信号处理算法等方面的问题。
三、信号处理技术
针对多波束声纳得到的复杂信号，需要进行信号处理，以提取出有用的海底地形信息。
信号处理技术主要包括滤波、谱分析、波束形成等方面的内容。
其中，波束形成技术是一种非常关键的技术，可以根据不同的海底地形进行波束形成，以实现对不同区域的高精度成像。
综上所述，浅水多波束测深声纳的关键技术包括声波发射和接收
技术、多波束成像技术和信号处理技术等方面。
这些技术的优化和改进，将有助于实现对浅水区域海底地形的高精度测量。
水下目标探测与识别技术
SAS技术发展过程中遇到的两个主要的技术瓶颈：第一个问题：系统平台的测绘速率问题。由于合成孔径技术的苛刻条件，方位向进行的充分采样与声速较低的传播速度，使得平台的行进速度受到严格约束，测绘速率低下。通过采用方位向的阵列技术，将多个接收器在方位向组成阵列，同时接收目标区域的回波信号，提高了数据采样率，使得测绘速率得到改善。第二个问题：平台的随机运动问题。在数据采集过程中，由于扰动造成的系统平台偏离直线路径，仅靠平台的导航装置只能得到数据的较低精度运动信息，无法成功的进行合成孔径处理。
SAS技术研究：
实际处理时,一般将运动补偿分为粗运动补偿（Coarse MOCOMP）和细运动补偿（Fine MOCOMP）（或称为微导航）两个部分。前者主要是利用导航工具获得的数据信息进行纠正,而后者则是在前者处理的基础上，利用数据自身的自聚焦方法进一步进行补偿纠正，从而最终获得清晰的SAS图像。
1965年，Wiley申请到了首个SAR的技术专利；1969年，Walsh申请了 “Acoustic Mapping Apparatus声学定位装置”专利，首次将合成孔径技术应用于水下侧扫声纳；70年代受阻，几乎处于停滞状态；1978年，Gilmour的专利使用了拖弋阵列平台，突破了单接收器声纳的速度约束；几乎在同时，Cutrona在理论上论证了 SAS的可行性，并强调了方位向接收器阵列的重要性，这些研究给SAS技术的发展带来了新的动力；1983年，Spiess和Anderson申请专利，利用两个独立接收。阵列的相位干涉测量水深度。
本章小结
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合成阵列
L为合成孔径。对于条带式系统，L的取值有一定的限制。其中，R为到目标点的距离。分辨率与距离和波长成正比，与孔径长度成反比。
声纳技术在海洋研究中的应用
声纳技术在海洋研究中的应用海洋是人类永远的未知领域之一，深处隐藏着丰富的物种和神秘的生态环境，如何更好地研究和保护海洋成为了生态学、环境学和海洋科学等多个学科领域的研究重点。
而声纳技术作为一种有效的探测和测量手段，已经在海洋研究中得到了广泛应用。
第一、声纳技术简介声纳技术是利用声波的传播和反射特性，通过接收声波的反射信息来获取信息和测量距离的一种技术。
声纳技术广泛应用于潜水、探测、导航、水下影像、海底地质等领域。
声纳技术主要分为两类，即主动声纳和被动声纳。
主动声纳是通过发射声波，接收其传播后反射回来的声波，再将其转化成电信号进行处理；被动声纳则是通过接收环境中存在的声波进行研究和测量。
第二、声纳技术在海洋生态研究中的应用1. 海豚及鲨鱼行为研究海豚为普遍存在于海洋中的生物之一，被视作海洋动物行为研究的重要代表。
声纳技术可通过记录海豚发出的声音，用于研究它们的行动能力和交流层面，从而对海豚的行为有更深入的了解。
声纳技术也为鲨鱼的研究提供了依据。
研究指出，鲨鱼会发出一系列的低频声音，通过声纳技术，可以研究到鲨鱼在一定温度范围下生命的发展状态。
2. 海底深渊环境研究海底深渊是一片未经人类发现的未知领域，想要更好的了解和研究海底深渊，需要进行深入细致的研究。
声纳技术在潜水器、潜艇等设备上的应用为海底深渊的探寻、海底地质情况的测量环境提供了依据。
通过主动声纳技术发出的声波信号，能够探测到水下不同地貌的状况以及海洋生物分布的情况。
3. 浅滩污染监测浅滩是海洋生态研究的一个重要组成部分，但是由于多种因素的不断影响，污染问题在浅滩中也越来越严重。
声纳技术可以通过主动声纳扫描，来研究相应水下区域的状态，质量以及被浓度的情况。
通过将声纳技术与传感器结合使用，可以检测海洋底层各种有害物质的浓度，监控海底环境的变化，并对其采取控制措施。
4. 水下考古发现研究利用声纳技术的被动声纳可以探测到海底隐藏的物体，比如有价值的文物、石礁以及其他水下构造物等。