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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。

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