索尼克SONIC SCS-18H 高頻半圓掃描聲吶工作原理詳解

SONIC SCS-18H 是一款廣泛應(yīng)用于漁業(yè)、海底地形探查、水下目標(biāo)探測(cè)和水下工程支持的高性能聲學(xué)成像設(shè)備。其核心設(shè)計(jì)理念是通過(guò)高頻聲波和獨(dú)特的機(jī)械掃描方式，在前方扇形區(qū)域內(nèi)提供高分辨率的實(shí)時(shí)水下圖像，宛如為船只安裝了一雙“水下之眼"。

一、 核心系統(tǒng)組成

SCS-18H 系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成：

1. 水下單元：包含核心的換能器（探頭）和機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)，通過(guò)拖纜與甲板單元連接。

2. 甲板單元：負(fù)責(zé)供電、控制、信號(hào)處理和用戶交互。

3. 顯示控制終端：通常是一臺(tái)安裝專用軟件的工業(yè)電腦或船用顯示器。

二、 工作原理分步解析

其工作原理可以概括為“聲波發(fā)射-接收-處理-成像"的循環(huán)過(guò)程，具體步驟如下：

第1步：高頻聲波的脈沖發(fā)射

• 甲板單元的控制電路產(chǎn)生一個(gè)特定頻率（SCS-18H通常工作在180kHz或更高的高頻）的電脈沖信號(hào)。

• 該電信號(hào)通過(guò)拖纜傳輸至水下單元的壓電陶瓷換能器。換能器在電壓的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生振動(dòng)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并向水中發(fā)射一束極其狹窄的錐形聲波脈沖。

• “高頻"意味著波長(zhǎng)更短。波長(zhǎng)越短，分辨率越高，能探測(cè)到更小的物體（如單條魚(yú)、纜繩、海底細(xì)節(jié)），但聲波在水中的衰減也更快，因此其優(yōu)勢(shì)在于中短距離的精細(xì)探測(cè)。

第二步：獨(dú)特的“半圓"機(jī)械掃描

• 這是SCS-18H區(qū)別于傳統(tǒng)多波束聲吶的關(guān)鍵。其換能器安裝在一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的掃描頭上。

• 換能器在垂直面內(nèi)以一個(gè)固定的傾斜角（例如向下45°）安裝。當(dāng)掃描頭在水平面內(nèi)連續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)（通常每秒數(shù)轉(zhuǎn)） 時(shí)，換能器發(fā)射的狹窄聲束就會(huì)在水下形成一個(gè)180°的扇形掃描面。

• 這個(gè)扇形掃描面從船底正下方一直延伸到船體正前方及側(cè)前方的水域，形狀類似于一個(gè)倒扣的“半圓碗"或“扇面"，因此得名“半圓掃描"。

第三步：聲波反射與接收

• 發(fā)射出的聲波脈沖在傳播過(guò)程中，遇到任何聲阻抗界面（如魚(yú)群、海底、礁石、沉船、管線等）時(shí)，一部分能量會(huì)被反射回來(lái)。

• 同一個(gè)換能器在發(fā)射脈沖的間隙，會(huì)切換到接收模式，像一個(gè)精密的水下“麥克風(fēng)"，捕獲這些從不同距離、不同方向返回的微弱回聲信號(hào)。

第四步：信號(hào)處理與數(shù)據(jù)解析

• 接收到的模擬回聲信號(hào)被傳回甲板單元。

• 信號(hào)處理器對(duì)回聲進(jìn)行放大、濾波和數(shù)字化處理。最關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)是：

• 往返時(shí)間：從發(fā)射到接收回聲的時(shí)間，根據(jù)聲波在水中的傳播速度（約1500米/秒），可精確計(jì)算出目標(biāo)與換能器的斜距。

• 回聲強(qiáng)度：反射信號(hào)的強(qiáng)弱，反映了目標(biāo)的材質(zhì)、大小和表面粗糙度（如巖石回波強(qiáng)，泥沙回波弱）。

• 同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)高精度編碼器實(shí)時(shí)讀取換能器當(dāng)前的旋轉(zhuǎn)角度（方位角）。

第五步：扇形圖像實(shí)時(shí)合成與顯示

• 系統(tǒng)將每個(gè)回聲信號(hào)都轉(zhuǎn)化為屏幕上的一個(gè)像素點(diǎn)：

• 像素點(diǎn)的位置 由計(jì)算出的斜距和實(shí)時(shí)讀取的方位角共同決定，通過(guò)極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，精確地放置在屏幕對(duì)應(yīng)的扇形區(qū)域。

• 像素點(diǎn)的亮度或顏色 由回聲強(qiáng)度決定，通常以灰度或彩色圖譜顯示（強(qiáng)回波亮/紅色，弱回波暗/藍(lán)色）。

• 隨著換能器持續(xù)旋轉(zhuǎn)，成千上萬(wàn)個(gè)回聲點(diǎn)被實(shí)時(shí)繪制在屏幕上，迅速組合成一幅連續(xù)、動(dòng)態(tài)更新的水下扇形全景聲學(xué)圖像。操作員可以直觀地看到海底地形起伏、魚(yú)群分布、水下障礙物等。

三、 核心優(yōu)勢(shì)與技術(shù)特點(diǎn)

1. 高分辨率成像：高頻聲束和窄波束寬度提供了細(xì)節(jié)分辨能力，能夠清晰區(qū)分緊密相鄰的物體。

2. 實(shí)時(shí)性強(qiáng)：機(jī)械掃描方式提供了近乎無(wú)延遲的實(shí)時(shí)圖像，對(duì)于動(dòng)態(tài)追蹤魚(yú)群或規(guī)避障礙物至關(guān)重要。

3. 大范圍覆蓋：?jiǎn)未涡D(zhuǎn)即可覆蓋180°寬廣區(qū)域，探查效率高。

4. 測(cè)距精確：通過(guò)測(cè)量回聲時(shí)間，能提供目標(biāo)到探頭的準(zhǔn)確斜距。

5. 抗干擾能力：工作在高頻段，受低頻船舶噪音干擾較小。

四、 典型應(yīng)用場(chǎng)景

• 精準(zhǔn)漁業(yè)：探測(cè)、識(shí)別魚(yú)群種類、評(píng)估魚(yú)群規(guī)模和運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)捕撈。

• 海底地形測(cè)繪：繪制港口、航道、養(yǎng)殖區(qū)的高精度海底等高線圖。

• 水下搜索與救援：定位沉沒(méi)物體、失事船只或車輛。

• 水下工程與檢查：檢查大壩、橋墩、管道、電纜等水下結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

• 科研與勘探：水下生態(tài)研究、地質(zhì)調(diào)查。

總結(jié)

SONIC SCS-18H 高頻半圓掃描聲吶的工作原理，本質(zhì)上是利用高頻聲波在水下的反射特性，通過(guò)精密的機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描，將水下不可見(jiàn)的世界以高分辨率的聲學(xué)圖像形式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)出來(lái)。它將時(shí)間、角度、強(qiáng)度信息融合成一幅直觀的扇形圖，是現(xiàn)代海洋探測(cè)和開(kāi)發(fā)中的視覺(jué)工具。