彩色图像声纳设备集中培训教材

彩色图像声纳设备中国船舶重工集团公司七五〇试验场集中培训一现代声纳技术及其发展达·芬奇的笔记意大利艺术家达·芬奇曾在笔记中记载：如果使船停航，将一根长管的闭口端插入水中，而将开口端放在耳边，便能听到远处的航船。导航钟二十世纪初出现了由水下导航钟和碳粒微音器组成的导航系统。动圈型振动器1912年英国邮轮“巨人号”遭遇冰山沉没，英国人理查森提出用空气声进行回声定位的建议，并提出了相仿的水声定位方案，是世界上第一个主动声纳方案。所谓主动声纳，就是一种自己向水中发射声波，并根据水中物体的回波来达到各种探测目的（比如定位）的水声设备。1913年，美国人费森登研制出一种新式动圈型振动器。（一）声纳的起源第一种水声导航系统费森登和他设计的动圈型振动器一现代声纳技术及其发展漂流型听测设备水下反潜战促使声纳技术迅速发展。1914年7月第一次世界大战爆发，德国利用U型潜艇击沉了协约国大量军舰和商船，有效探测水下潜艇迫在眉睫，协约国套入大量人力物力进行探测方法和设备的研究，实践发现声学手段最有效，于是各种声纳系统竞相问世。美国人格雷设计，英国人后来进行了改进的“漂流型听测设备”，是一种具有方向性的声纳系统，可以大致确定敌方潜艇的方向。改进型空气听测管人们对达·芬奇的空气听测管进行了改进，可测定水下噪声目标的方向。有经验的操作人员，可通过转动听测管的方向，来对水下目标进行较精确的定向。

（一）声纳的起源漂流型听测设备安装在潜艇和水面舰艇上的SC型声接收器一现代声纳技术及其发展郎之万换能器法国物理学家利用压电原理发明了石英-钢夹心型换能器，郎之万换能器的工作频率较高，具有较强的方向性。它的改进型一直使用到现在。郎之万还在实验中利用了刚刚问世的真空管放大器，这或许是电子技术在水声中的首次应用。1918年，第一次接收到了水下潜艇的回波，探测距离有时可达1500米。回声探测仪第一次世界大战结束后不久，用于船舶导航的新型设备-回声探测仪诞生了。它是人们在研制探潜回声定位系统的过程中所得到的副产品。此后，由于电子技术的发展，水声换能器性能的改善，特别是对于声波在海水中传播规律的深入了解，使声纳技术不断地先前迈进。（一）声纳的起源郎之万和他他设计的换换能器二战时美国国潜艇用JP型听测设备备回声测距、、听测和水水下通讯兼兼具的QGB型声纳一种典型的的潜艇声纳纳国产PS-I型海底地貌貌仪国产761型水平多波波束鱼探机机一现代声声纳技术及及其发展声纳技术面面临的机遇遇和挑战早期的声纳纳设计建立立在较为理理想的模型型基础上.无论是声纳纳设计者还还是声纳使使用人员,早就注意到到声纳的性性能与海洋洋环境密切切相关.但是,由于两个方方面的原因因,使声纳技术术发展的初初期采用了了比较简单单的模型.第一个原因因是人们对对海洋中水水声传播规规律的研究究和认识有有一个由浅浅入深、由由表及里的的过程.虽然声纳的的发明早于于雷达19年,但是由于海海洋环境的的复杂特点点,使声纳的发发展在某些些方面滞后后于雷达,这是丝毫不不奇怪的.第二个原因因是由于硬硬件条件方方面的限制制.20世纪50—60年代,信息论已经经为微弱信信号的检测测提供了相相当充实的的理论基础础和实用技技术,但是这些理理论的应用用需要非常常复杂的计计算,而在那时硬硬件设备还还无力提供供这种支持持.自20世纪70年代以来,情况已经发发生了很大大的变化.微电子技术术的发展使使计算机硬硬件的面貌貌发生了巨巨大的改观观,从而推动了了数字信号号处理领域域的变革.英特尔公司司的创始人人之一摩尔尔在1973年提出了支支配半导体体工业发展展的一个规规律,就是我们现现在所说的的摩尔定律律.这个定律说说,微处理芯片片每隔18个月性能提提高一倍,价格降低到到原来的二二分之一.据摩尔自己己说,早在1964年他还在在仙童公公司工作作时,就已注意意到这一一事实了了.1996年,他又在IEEEProc.上重新公公布手稿稿,对自己的的这一定定律深信信不疑。。（二）现现代声纳纳技术一现代代声纳技技术及其其发展声纳技术术面临的的机遇和和挑战微电子工工业的这这种迅猛猛发展势势头,使得数字字式声纳纳应运而而生,并且使声声纳设计计者面临临巨大的的机遇和和挑战.因为,作为数字字式声纳纳硬件支支撑的DSP芯片,似乎“无无所不能能”,过去很多多受计算算机能力力限制的的技术,现在都可可以实现现了.但是,很不幸,声纳的性性能不仅仅仅依赖赖于硬件件的能力力,更大程度度上依赖赖于主导导声纳性性能的建建模技术术、微弱弱信号检检测算法法、参数数估计理理论、人人工智能能等数字声纳纳设计者者就是面面临这样样一种局局面:硬件的发发展向声声纳设计计者预示示,只要你提提出理论论,我就能实实现它;如果今天天有一种种目标识识别的算算法需要要一个小小时才能能得出结结果,那么10年之后,用不了1分钟就可可完成.微电子技技术的这这种发展展潮流也也已部分分地改变变了信号号处理理理论的发发展方向向.20世纪60年代中期,当Cooley,Turky提出FFT算法时,有关改进的算算法非常多,哪怕提高计算算速度10%或节省存贮量量10%的理论工作都都还得到认可可,但是10年之后,就没有人去做做类似的工作作了,因为硬件的发发展使得那种种小小的改进进黯然失色.现在需要的是是理论的创新新,是那种能带来来跨越式发展展的新概念、、新理论和新新工艺.（二）现代声声纳技术一现代声纳纳技术及其发发展声纳技术发展展的推动力-需求早期的声纳技技术发展的最最大用户是海海军,即未来水下战战的需求.Marburger在美国《防务新闻》(DefenseNews)周刊上提供了了美国海军的的一个有关安安静型潜艇的的辐射噪声的的图,表明美国在20世纪90年代的海狼级级核潜艇噪声声和俄罗斯改改进的Akula级噪声相当.在近30—40年内,潜艇的辐射噪噪声大约每年年下降0.5—1dB,从而使被检测测的距离每年年缩小0.5—2km,而声纳技术的的改进弥补不不了这一下降降趋势带来的的损失。潜艇艇降噪用的是是综合的技术术,即同时考虑消消声瓦和本艇艇辐射噪声的的控制,称为CSMC(collabo2rativesignaturemonitoringandcontrol),防噪声辐射的的核心技术是是主动噪声和和振动控制,即AMVC(ac2tivenoiseandvibrationcontrol).为探测安静型型潜艇,需要发展大功功率、低频、、宽带换能器器,需要发展主/被动的拖曳式式线列阵声纳纳,需要发展潜用用的细长缆拖拖线阵声纳,需要研究更有有效的水声通通信方法及水水下定位技术术等。（二）现代声声纳技术一现代声纳纳技术及其发发展声纳技术发展展的推动力-需求在寻找新型水水声换能材料料方面,有的研究者认认为,镍合金和压电电陶瓷材料的的设计极限早早在25年之前就达到到了.所以人们开始始研究稀土系系列元素的磁磁致伸缩特性性,这类材料能产产生较大的声声功率,并且可以在低低频、宽带下下稳定工作.美国海洋实验验室发现了一一种镧和铁的的合金,称之为Terfenol-D的磁致伸缩材材料,据说已获得应应用.这种T-D换能器具有良良好性能,在合理使用时时几乎不变形形,样品经过上亿亿次发射仍完完好无损,有可能成为为下一代声声纳发射换换能器的首首选材料.在众多水听听器中,近年来发展展较快的是是一种聚偏（二）现代代声纳技术术一现代声声纳技术及及其发展声纳技术发发展的推动动力-需求在由于声纳纳性能与海海洋环境的的密切关系系,需要声纳设设计者寻求求一种新的的体系结构构,它能把海洋洋环境融入入声纳的整整体设计中中,以便使声纳纳系统的性性能对模型型失配更宽宽容一些.这就是基于于模型的声声纳系统.它是立足于于宽容性检检测的原理理.任何声纳系系统的设计计都是基于于某种模型型的假设,然后后在在这这种种假假设设下下寻寻求求一一种种最最佳佳的的处处理理方方法法.当实实际际环环境境符符合合最最佳佳处处理理的的假假设设条条件件时时,系统统的的增增益益很很大大,但是是一一旦旦模模型型失失配配,最佳佳检检测测器器的的性性能能迅迅速速下下降降.而宽宽容容性性检检测测就就不不同同,它虽虽然然在在理理想想条条件件下下的的增增益益不不如如最最佳佳检检测测器器,但是是对对模模型型失失配配却却显显得得很很““宽宽容容””,具有有相相对对来来说说变变化化不不大大的的系系统统增增益益.研究究模模型型失失配配的的概概念念非非常常重重要要,可惜惜到到现现在在为为止止,我们们还还无无法法在在理理论论上上回回答答模模型型匹匹配配以以及及失失配配应应如如何何从从数数值值上上进进行行刻刻划划.对声声纳纳技技术术的的需需求求还还来来自自海海洋洋开开发发.水声声遥遥测测始始终终是是获获得得海海洋洋环环境境参参数数的的最最重重要要手手段段之之一一.大洋洋测测温温、、近近海海油油气气田田的的数数字字地地震震勘勘探探、、声声层层析析、、大大洋洋海海底底金金属属矿矿的的开开采采以以及及水水气气化化合合物物的的勘勘探探开开发发都都离离不不开开声声纳纳技技术术.（二二））现现代代声声纳纳技技术术一现现代代声声纳纳技技术术及及其其发发展展声纳纳信信号号处处理理的的热热点点问问题题在作作为为声声纳纳技技术术的的理理论论支支撑撑的的水水声声信信号号处处理理是是一一门门综综合合性性的的边边缘缘学学科科.它在在发发展展进进程程中中,既有有自自己己的的特特色色,又吸收收了雷雷达、、医学学成像像、通通信、、语音音信号号处理理等其其他领领域的的成果果.1998年,IEEE信号处处理分分会为为纪念念协会会成立立50周年,编发了了一篇篇专稿稿,即《水声信信号处处理的的过去去、现现在与与将来来》.文章回回顾了了水声声信号号处理理的发发展历历史,提出了了一些些有潜潜在应应用价价值的的热点点技术术,如合成成孔径径技术术、声声层析析、水水声通通信等等.水声信信号处处理理理论的的发展展面临临着众众多问问题,相关和和临近近学科科又不不断产产生一一些新新的概概念,所以水水声信信号处处理专专家以以积极极而审审慎的的态度度来对对待它它们,一方面面担心心错过过了应应用新新理论论的机机会,一方面面又怀怀疑它它们是是否真真的能能在声声纳系系统中中获得得应用用.这些课课题是是不胜胜枚举举的,例如人人工神神经网网络、、混沌沌理论论、小小波变变换、、分维维变换换与时时间反反转算算法等等.我们在在本节节中就就水声声信号号处理理本身身介绍绍若干干热点点问题题.（二））现代代声纳纳技术术一现现代声声纳技技术及及其发发展声纳信信号处处理的的热点点问题题1.被动测测距被动测测距声声纳是是从20世纪70年代初初开始始研制制的.从理论论上讲讲,只要声声纳基基阵的的孔径径足够够大,用三点点阵测测距是是没有有问题题的.关键是是把三三个基基阵的的声中中心的的相对对延时时精确确测量量出来来.可以证证明,被动测测距的的相对对误差差等于于测延延时的的相对对误差差,即ΔR/R=Δτ/τ根据这这一公公式我我们就就会明明白被被动测测距声声纳所所面临临的问问题.举例来来说,孔径为为40m的基阵要测量量相距为20km的目标,延时量大约为为13μs.如果要求相对对误差为10%,则延时估计误误差不能大于于1.3μs.在海洋环境中中要做到这一一点非常困难难.Urick,张仁和等曾报报道,海水中声传播播起伏值就在在10μs这样的量级,这就使得被动动测距问题变变得十分困难难,因为要在接收收到的大量数数据中,剔除由不稳定定性引起的““野值”(wildvalue),然后再进行平平均.对延时测量精精度的过高要要求,还使得基阵阵的准确安安装变得困困难起来.目前还没有有找到突破破传统几何何原理进行行被动目标标测距的有有效方法.（二）现代代声纳技术术一现代声声纳技术及及其发展声纳信号处处理的热点点问题2.合成孔径技技术合成孔径声声纳的研制制近十年来来受到很大大的重视.已经经报报道道有有相相当当高高性性能能的的样样机机问问世世.合成成孔孔径径作作为为一一种种技技术术在在雷雷达达上上成成功功应应用用已已近近40年了了,但在在声声纳纳上上迟迟迟迟未未获获得得实实质质性性的的进进展展.主要要是是由由于于声声传传播播的的海海洋洋介介质质比比无无线线电电传传播播的的大大气气介介质质复复杂杂得得多多,另外声纳平台台运动速度与与声传播速度度之比约为1∶750,而雷达平台运运动速度和无无线电波传播播速度之比是是1∶106,所以合成孔径径声纳的运动动补偿、成像像远比合成孔孔径雷达复杂杂.合成孔径声纳纳(SAS)的初步研究结结果是令人振振奋的,它大约可以在在400m的距离上达到到10cm的分辨率.这在以前的旁旁测声纳中是是无法达到的的.美国DTI(DynamicTechnologyInc.)研制的样机在在华盛顿(Washington)湖作试验时,甚至得到了一一架早先沉没没湖底的飞机机残骸的“声声像”。合成成孔径技术还还用于高分辨辨率的波束成成形,这在安静型潜潜艇辐射噪声声的测量中可可以获得应用用,利用这种技术术可以把潜艇艇作为一个体体积元,确定对辐射射噪声最有有贡献的分分量的部位位.（二）现代代声纳技术术左图为美国LockheedMartin公司研制的的被动测距距声纳PUFFS右图为PB4Y-2的SAS图像(1997年4月,华盛顿湖,50kHz的SAS穿透湖水看看到了飞机机内部)一现代声声纳技术及及其发展声纳信号处处理的热点点问题3.水声通信与与水下GPS水声通信一一直是声纳纳研究中的的一个重要要领域.美国和北约约的其他国国家有一系系列研究课课题是与水水声通信有有关的.水声通信系系统的性能能一直受到到传输率和和作用距离离的约束.Kilfoyle等根据美国国几十次海海试结果,给出了一一条曲线线,认为在现现阶段传传输率(R,以kbit/s为单位)和作用距距离(R,以km为单位)的乘积不不超过40.但在20世纪70年代初,这个值只只有5左右.因为为了了提高传传输速率率必须提提高信号号频率,而一旦频频率增高高了,传播损失失增大,作用距离离就下降降了.所以R·R≤40km·kbit/s,这在客观观上反映映了当前前水声通通信所达达到的水水平.如果要突突破这个个约束,就要增加加发射功功率,采用新的的编码/解码体制制和信道道均衡技技术.水声通信信的一个个重要应应用领域域就是水水下全球球定位系系统(GPS),虽然目前还只只是一些设想想,但一旦建立起起完善的水下下GPS体制,反潜战的一些些战略、战术术原则都必须须随之改变.（二）现代声声纳技术水声通信传输输率与作用距距离的关系曲曲线一现代声纳纳技术及其发发展声纳信号处理理的热点问题题4.数据融合由于声纳系统统的集成度越越来越高,数据量越来越越大,单靠声纳员处处理多平台、、多传感器的的信息就显得得很不够.所以数据融合合的技术自然然而然地受到到重视.目前,虽然还不能完完全做到全自自动判别,但至少为辅助助决策提供了了强有力的工工具.数据融合从所所处理的信息息层次来分,可以分为三级级,即基元级、特特征级和决策策级.研究课题的级级别越到底层层就越复杂.现在大多数的的研究工作还还是围绕决策策级展开的.数据融合中的的一个基本定定理,保证了声纳系系统.进行数据融合合的必要性,这个定理是说说,无论是独立观观测资料还是是相关观测资资料,最佳的线性数数据融合所带带来的误差不不会大于任何何个别观测资资料所带来的的误差.基于这一事实实,解决声纳系统统的数据融合合问题就有了了理论依据.举一个具体的的例子,假定潜艇上有有圆阵和舷侧侧阵同时进行行目标定位.我们知道,圆阵的定向误误差基本上与与信号入射方方向无关.而线阵则不同同,在侧射方向误误差较小,在端射方向误误差较大,把圆阵和线阵阵的数据进行行融合,我们得到了很很好的测向方方法,它的误差不仅仅小于各自的的定向误差,并且在360°范围内基本均均匀.（二）现代声声纳技术一现代声纳纳技术及其发发展声纳信号处理理的热点问题题5.目标识别与水水下快速运动动目标轨迹提提取数字式声纳的的基本功能是是测向和测距距,目标识别的功功能通常由声声纳员通过鉴鉴别目标辐射射噪声来完成成.随着声纳技术术的发展,国外的一些声声纳已具备目目标识别功能能,甚至专门配置置鱼雷报警声声纳.目标识别和鱼鱼雷报警是两两个相关的课课题,虽然后者可以以抽象为水下下快速运动目目标的轨迹提提取问题,但最后的判决决仍离不开识识别这一环节节.目标识别的关关键当然是特特征提取.只有对大量目目标样本进行行设计分析,才有可能确定定合适的特征征量.于是数据库的的建立就是必必不可少的,可惜这是缘于于高度机密的的信息,因而在一定程程度上阻碍了了识别研究工工作的进度.能够在目标识识别方面发挥挥作用的方法法很多,如专家系统(最小邻近准则则),人工神经网络络、聚类分析析等,但是目前还没没有一种办法法被公认为是是解决目标识识别问题的有有效方法.其原因是实验验室系统模拟拟的结果与实实际海上的条条件差异很大大,要寻找出不受受传播影响的的信号特征非非常困难.声纳工作平台台的任何机动动(这在实验室里里不会出现)都会干扰目标标识别系统的的工作.（二）现代声声纳技术一现代声纳纳技术及其发发展声纳信号处理理的热点问题题6.水下蛙人探测测声纳(DDS)系统2000年10月,美国导弹驱逐逐舰Cole号在也门港口口受到恐怖袭袭击,艇身受到重创创.港口警戒问题题引起重视.“911””事件之后,恐怖袭击遍及及海陆空各个个领域,港口警戒成为为国土安全的的重要课题.海军基地、大大型集装箱码码头、港口和和VIP(贵宾)浴场的保卫问问题已成为水水声技术研究究的迫切任务务.当然,我们需需要的的是海海陆空空的立立体防防护.但是在在水下下如何何发现现并阻阻止蛙蛙人(包括有有呼吸吸和无无呼吸吸系统统的潜潜水者者)、水下下有人人或无无人载载器的的攻击击显得得尤为为重要要.虽然从从原理理上讲讲,DDS也是传传统意意义上上的主主动或或被动动声纳纳,但是在在声纳纳技术术的应应用上上仍面面临一一些新新的挑挑战.比如,DDS通常用用于浅浅海,作用距距离较较短(例如1km),这就使使声纳纳工作作于混混响背背景限限制的的状态态,所以能能抑制制混响响和抗抗多途途效应应的波波形设设计显显得很很重要要;又比如如,蛙人的的目标标强度度较小小(例如TS=-10dB),检测难难度较较大,等等.（二））现代代声纳纳技术术一现现代声声纳技技术及及其发发展声纳SONAR声纳一一词的的概念念来源源于二二战期期间，，是由由声音音（sound）、导导航（（Navigation）和测测距（（Ranging）三个个英文文单词词的词词头构构成的的。现代声声纳的的定义义是：：利用用水下下声波波判断断海洋洋中物物体的的存在在、位位置、、及类类型的的方法法和设设备.更广义义的说说，凡凡是利利用水水声能能量进进行观观测或或通讯讯的系系统，，均称称为声声纳系系统。。为何何不不使使用用电电磁磁波波作作为为水水下下探探测测的的手手段段？？这这是是因因为为海海水水是是电电的的良良好好导导体体，，它它使使电电能能很很快快地地以以热热的的方方式式耗耗散散掉掉，，所所以以在在同同样样的的频频率率下下，，电电磁磁波波的的衰衰减减比比声声波波快快得得多多，，结结果果就就是是传传播播距距离离也也要要近近得得多多.（三）声声纳系统统的概念念一现代代声纳技技术及其其发展以工作方方式分声纳一般般可以笼笼统的分分为被动动声纳和和主动声声纳。一个基本本的声纳纳系统模模型，他他有两种种工作方方式，即即主动和和被动工工作方式式，在主主动工作作方式时时，一个个已知的的信号被被发射出出去，当当它照射射到某个个目标时时，反射射信号（（或称回回波）就就被接收收到，经经过适当当的处理理，再由由接收机机显示出出来；在在被动方方式工作作时，目目标的被被发现是是由于它它所辐射射的噪声声.各种不同同类型的的声纳由由于它们们的用途途不同，，具体构构成也不不相同，，但其基基本结构构都是一一样的。。也就是是说，其其基本工工作方式式是一样样的。不不同声纳纳模型的的差别，，在于这这些基本本工作方方式的参参数的差差别，以以及其联联接方法法的不同同。要了了解声纳纳系统，，首先要要知道这这些基本本工作方方式。（四）声声纳的分分类基本的声声纳系统统模型声纳发射射机框图图控制程序序信号发生生器波束形成成功率放大大发射基阵阵一现代代声纳技技术及其其发展以工作方方式分上图是声声纳发射射机的典典型方框框图。信信号发生生器可以以有很多多种形式式的输出出：模拟拟的或数数字的，，连续波波脉冲或或线性调调频波，，这取决决于所考考虑的应应用场合合。信号号发生器器的输出出送到波波束形成成矩阵，，其目的的是给信信号一个个合适的的加权和和延时，，使得发发射基阵阵在声信信道中产产生一个个所希望望的波束束图。该该图决定定了由发发射机所所发射的的声纳的的集中程程度和空空间分布布情况。。信号的的加权和和延时通通常叫做做定向或或波束成成形。功功率放大大的目的的是要获获得足够够大的电电功率，，然后将将其与发发射基阵阵匹配，，并以较较高的效效率向水水中发射射声能。。基阵的几几何形状状（如圆圆阵、线线阵、球球阵）依依赖于具具体的应应用场合合。此外外，发射射基阵是是很多个个辐射单单元的综综合，它它们的材材料取决决于传播播介质。。声纳系系统中通通常用压压电陶瓷瓷或某类类型的磁磁致伸缩缩金属，，作为电电能和声声能互换换的器件件。“程程序控制制”主要要指管理理或控制制中心，，它使整整个发射射机能在在我们所所希望的的状态下下工作。。（四））声纳纳的分分类声纳接接收机机框图图控制程程序接收基基阵动态范范围压压缩波束形形成信号处处理显示判决一现现代声声纳技技术及及其发发展以工作作方式式分上图是是声纳纳接收收机的的典型型方框框图。。通过过比较较发现现，它它比发发射机机复杂杂一些些，这这是毫毫不奇奇怪的的。因因为在在发射射过程程中，，信噪噪比是是接近近于无无限的的；而而在接接收过过程中中，在在大多多数感感兴趣趣的情情况下下，信信噪比比小于于1.所以在在做出出有价价值的的判断断之前前，还还必须须做一一些别别的事事情。。接收基基阵（（或水水听器器阵））与发发射基基阵非非常相相似，，在简简单的的声能能系统统中，，它们们通常常就是是同一一个。。动态态范围围压缩缩指的的是自自动增增益控控制（（AGC）与时时变增增益放放大（（TVG），它它们是是为了了八接接收到到的信信号动动态压压缩到到一定定范围围，以以便使使波束束成形形系统统及信信号处处理系系统能能够正正常工工作。。接收收机的的波束束成形形功能能与发发射机机的类类似，，但是是接收收机的的波束束成形形方式式要比比发射射机的的复杂杂得多多。接接收机机的波波束成成形是是基阵阵在空空间上上抗噪噪声和和混响响场的的一种种处理理过程程，实实现波波束成成形时时，要要进行行一系系列的的运算算（包包括加加权、、延时时及对对空间间各阵阵元收收到的的信号号求和和）。。然后后再作作进一一步的的频域域和时时域处处理。。波束束成形形之后后还需需进行行信号号处理理，它它通常常是某某一个个检测测信号号的最最佳准准则的的物理理实现现。信信号处处理的的主要要形式式为匹匹配滤滤波、、相关关技术术和自自适应应技术术。实实际上上，信信号处处理系系统、、显示示、听听测、、判决决等都都是和和声纳纳员密密切相相关的的，它它们共共同代代表信信号处处理系系统。。处理理增益益的最最大损损失通通常产产生于于它们们的衔衔接处处。““程序序控制制”是是为了了进行行同步步和自自适应应。（四）声纳纳的分类一现代声声纳技术及及其发展以波束形式式分可以分为单单波束声纳纳和多波束束声纳。以技术类型型分可以分为合合成孔径声声纳、多波波束声纳、、超短基线线定位声纳纳等。以应用方式式分探测声纳、、拖曳声纳纳、水下地地貌仪、鱼鱼探仪等等等。彩色图像声声纳属于机机械扫描式式的单波束束探测主动动声纳。（四）声纳纳的分类二彩色图图像声纳CST-I彩色图像声声纳上世纪90年代投入使使用的彩色色图像声纳纳。CIS-2000彩色图像声声纳应用范围最最广的彩色色图像声纳纳。DFIS-I彩色图像声声纳具有双频率率的彩色图图像声纳。。TKIS-I头盔式彩色色图像声纳纳可由潜水员员携带使用用的小型彩彩色图像声声纳。（一）750试验场的彩彩色图像声声纳设备DFIS-I双频彩色图图像声纳CIS-2000彩色图像声声纳TKIS-I头盔式彩色色图像声纳纳二彩色图图像声纳CIS-2000彩色图像声纳纳功能特点：1.逐行显示，图图像稳定、清清晰；2.极坐标、扇形形和B型扫描；3.深度测量显示示；4.声纳画面硬盘盘存储、回放放；5.预留GPS接口，可输入入GPS信号实时显示示和存储；6.扇扫中心与实实际扫描中心心一致；7.光标距离不随随距离换档变变化；8.可存储8幅声纳图像；；9.硬拷贝输出图图像；10.系统参数永久久保存；11.实时时钟。性能特点：1.工作频率：675kHz；2.波束开角：水水平1.7°，垂直约60°；3.扫描步距角：：0.225°°；4.扫描范围：360°连续扫描；5.测深精度：3‰；6.工作深度：大大于100m；7.最大量程：100m，5档可调。（二）彩色图图像声纳设备备功能及性能能特点二彩色图像像声纳DFIS-I彩色图像声纳纳功能特点：1.体积小，重量量轻；2.双频工作，适适用于不同作作业场合要求求；3.可靠性、可维维修性好，低低磁性，耐腐腐蚀；4.功能齐全，图图文清晰易懂懂，操作简单单方便；5.良好的互换性性，声纳头、、信号处理机机都采用标准准接口；6.防接错设计，，所有接插件件一一对应；；7.可利用计算机机进行声纳图图像记录和回回放；8.信号处理机采采用高可靠的的工控机作为为主机，可输输出视频信号号进行实时录录像；9.WindowsXPEmbedded操作系统；10.测高功能；11.测深功能。性能特点：1.工作频率：400kHz±2kHz，655kHz±2kHz；2.波束开角：水水平1.9°，垂直约30°；3.扫描步距角：：0.225°°；4.扫描范围：360°连续扫描；5.测深精度：3‰；6.工作深度：大大于100m；7.测距精度：优优于0.1米±2.5%dR；8.最大量程：200m，连续可调；；9.最小量程：2m。（二）彩色图图像声纳设备备功能及性能能特点二彩色图像像声纳TKIS-I头盔式彩色图图像声纳功能特点：1.体积小，重量量轻；2.功能齐全，图图文清晰易懂懂，操作简单单方便；3.潜水员携带；；4.单人操作；5.具有良好的水水下水上互动动功能；6.可利用计算机机进行声纳图图像记录和回回放；7.信号处理机采采用高可靠的的工控机作为为主机，可输输出视频信号号进行实时录录像；8.WindowsEmbedded操作系统。性能特点：1.工作频率：678kHz±2kHz；2.波束开角：水水平2.2°，垂直约22°；3.扫描步距角：：0.45°；4.扫描范围：0～150°往复扫描；5.视场角：28.5°°；6.工作深度：60m；7.最大量程：100m，4档可调。（二）彩色图图像声纳设备备功能及性能能特点二彩色图像像声纳联接及拆卸步步骤联接步骤：连接水下电缆缆与声纳头→→连接过渡渡缆与水下电电缆缆车→连连接主机与与过渡缆→连连接电源线线与主机→连连接电源线线与电源插座座→通电。。注意事项：1.设备连接前应应进行检查，，确保各部件件完备完好；；2.连接设备时应应断电操作；；3.连接水密插头头座和航空插插头座时应遵遵循相应的步步骤和要求；；4.连接及搬运过过程中应确保保人身安全和和设备安全。。（三）彩色图图像声纳设备备的操作使用用二彩色图像像声纳联接及拆卸步步骤拆卸步骤：声纳头快出水水前断电→断断开电源线线与电源插座座→从主机机上拆下电源源线→从主主机上拆卸过过渡缆→从从水下电缆缆缆车上拆下过过渡缆→清清洁水下电缆缆及声纳头并并冲淡→从从声纳头上拆拆下水下电缆缆。注意事项：1.设备拆卸前应应关断电源并并拔除电源线线；2.声纳头及水下下电缆应进行行冲淡处理并并擦拭干洁后后再拆卸装箱箱；3.拆卸水密插头头座和航空插插头座时应遵遵循相应的步步骤和要求；；4.拆卸及搬运过过程中应确保保人身安全和和设备安全。。（三三））彩彩色色图图像像声声纳纳设设备备的的操操作作使使用用二彩彩色色图图像像声声纳纳水密密插插头头座座的的连连接接拆拆卸卸技技巧巧步骤骤：：先对对准准止止口口插插入入硫硫化化头头，，再再按按①①②②步步骤骤重重复复顺顺时时针针扭扭压压盖盖和和插插入入硫硫化化头头的的动动作作，，直直到到可可靠靠上上紧紧！！拆拆卸卸水水密密插插头头时时，，先先拉拉硫硫化化头头，，后后松松金金属属压压盖盖，，同同样样是是不不断断重重复复直直到到卸卸下下水水密密插插座座。。以以上上过过程程不不可可用用力力过过猛猛！！注意事项：：连接前，应应仔细检查查水密插头头及插座，，确认针孔孔对应，排排除可能存存在的异物物、破损、、进水、变变形等故障障，以保证证水下电缆缆的连接可可靠！拆卸卸前应进行行冲淡处理理并擦拭干干洁，不可可带电拆卸卸，以免造造成设备及及人员伤害害。（三）彩色色图像声纳纳设备的操操作使用水密插头的的连接及拆拆卸①②水密插座止口位置水密插头止口位置水密插头硫化头水密插头金属压盖深度传感器防尘盖②顺时针旋紧金属压盖①推入黄色硫化头二彩色图图像声纳航空插头座座的连接拆拆卸技巧步骤：先对准止口口插入航空空插头，再再顺时针拧拧动螺套，，直到可靠靠上紧！拆拆卸航空插插头时，逆逆时针拧动动螺套直到到卸下航空空插座。注意事项：：连接前，应应确认针孔孔、类型对对应，仔细细检查插头头及插座，，排除可能能存在的异异物、破损损、进水、、变形等故故障，以保保证电缆的的连接可靠靠！拆卸前前应断电，，以免造成成设备及人人员伤害。。（三）彩色色图像声纳纳设备的操操作使用航空插头的的连接与拆拆卸二彩色图图像声纳拖鱼的安装装使用（三）彩色色图像声纳纳设备的操操作使用二彩色图图像声纳拖鱼的安装装使用在彩色图像像声纳的使使用过程中中，应避免免声纳头以以及声纳主主机发生磕磕碰、损伤伤，对于声声纳专用水水下电缆与与声纳头、、主机的连连接部分应应严格按照照操作说明明完成电气气、机械连连接，任何何不标准的的操作都可可能对关键键连接器件件造成不可可修复的损损伤！水密密插头座在在连接时必必须保证无无异物、无无水分、无无损伤，以以确保水密密连接可靠靠！彩色图图像声纳的的专用水下下电缆只作作为传输信信号使用，，不能用于于承重，在在吊放声纳纳头及拖鱼鱼的过程中中，应避免免水下电缆缆承载声纳纳头及拖鱼鱼的重量！！拖鱼布放应使使用专门的承承重缆绳，并并要保证专用用水下电缆不不承受重量！！专用水下电缆缆的水密插头头一端采取了了防止水下电电缆及水密插插头插座连接接处承受外力力的设计，如如图所示，固固定在水下电电缆水密插头头一端的专用用防受力高强强度缆绳：每次使用拖鱼鱼都必须将防防止水密插头头座连接处受受力的高强度度缆绳固定到到拖鱼的吊环环上，以不使使水下电缆受受力为宜，即即在高强度缆缆绳拉紧时连连接段的水下下电缆仍能保保持松弛。当当水下电缆或或拖鱼遇到意意外情况受力力时（如拖鱼鱼受到撞击或或者水下电缆缆意外缠绕）），高强度缆缆绳能够保护护水密插头座座连接处不因因外力冲击而而损伤或毁坏坏。拖鱼的承承重吊缆在拖拖鱼布放、使使用时承受拖拖鱼与声纳头头的全部重量量，专用水水下电电缆不不承受受重量量！（三））彩色色图像像声纳纳设备备的操操作使使用二彩彩色图图像声声纳声纳头头零方方位的的确定定声纳头头0°°方位：：声纳头头的0°位方向向其实实是指指，当当面板板上扫扫描中中心为为0°时，声声纳启启动后后声纳纳头开开始转转动的的起始始位置置。这这是一一个为为了方方便判判别声声纳扫扫描方方位而而设定定的零零位，，是一一个用用于参参考的的相对对位置置。。。注意事事项：：不同类类型声声纳头头的0°位方向向可能能会有有所不不同，，应根根据实实际情情况来来判别别。0°°方位的的作用用：声纳头头的0°位方向向的设设定主主要是是为了了方便便目标标与声声纳头头之间间的相相对方方位的的判定定，与与罗经经的意意义不不同，，但作作用类类似。。（三））彩色色图像像声纳纳设备备的操操作使使用二彩彩色图图像声声纳声纳头头零方方位的的确定定DFIS-I声纳头头0°°方位：：声纳头头两个个水密密插座座连线线的垂垂向，，朝向向深度度传感感器的的一端端为声声纳头头扫描描的0°°方位位，，它它对对应应于于扫扫描描中中心心为为0°°时的的换换能能器器面面的的法法线线方方向向。。（三三））彩彩色色图图像像声声纳纳设设备备的的操操作作使使用用二彩彩色色图图像像声声纳纳声纳纳头头零零方方位位的的确确定定CIS-2000声纳纳头头0°°方位位：：声纳纳头头两两个个水水密密插插座座连连线线的的垂垂向向，，朝朝向向深深度度传传感感器器的的一一端端为为声声纳纳头头扫扫描描的的0°°方位位，，它它对对应应于于扫扫描描中中心心为为0°°时的的换换能能器器面面的的法法线线方方向向。。（三三））彩彩色色图图像像声声纳纳设设备备的的操操作作使使用用二彩彩色色图图像像声声纳纳声纳纳头头零零方方位位的的确确定定另一一种种确确定定声声纳纳头头扫扫描描的的0°°方位位的的方方法法是是：：(1)将声声纳纳的的工工作作方方式式开开关关拨拨至至极(2)将扫描中心开关拨至0°；(3)打开声纳电源；(4)待声纳自检结束，进入到极坐标方式。此时，立即按下冻结键,声纳头换能器面的法线方向固定指向声纳头扫描的0°方位。

（三三））彩彩色色图图像像声声纳纳设设备备的的操操作作使使用用二彩彩色色图图像像声声纳纳声纳头零零方位的的确定声纳头固固定在载载体上时时的0°方位的方方法：（三）彩彩色图像像声纳设设备的操操作使用用二彩色色图像声声纳声纳头磁磁罗经的的使用声纳头磁磁罗经：：声纳头的的磁罗经经对应大大地真北北所确定定的方向向坐标。。磁罗罗经安装装在声纳纳头中，，用于声声纳头在在水下的的方向指指示。磁磁罗经使使用时要要求周围围没有铁铁磁物体体形成的的磁场干干扰。磁罗经的的校准：：声纳头的的磁罗经经校准功功能对用用户是关关闭的，，由于校校准时对对环境的的要求较较高，且且需要校校准设备备，一般般需要返返场校准准。磁罗经的的精度：：声纳头的的磁罗经经的精度度约为10°，我们将将不断注意事项：声纳头在存放、安装及使用时，应避免声纳头靠近铁磁物质，如铁、镍及其合金以及磁铁等，以免导致声纳头内置电子罗盘偏差或失灵。（四）彩彩色图像像声纳设设备的操操作使用用二彩色色图像声声纳声纳数据据的记录录CIS-2000：2005年以后生生产的设设备都配配备硬盘盘，具备备本机记记录数据据的功能能。同时时还可以以通过声声纳记录录软件利利用计算算机进行行同步记记录。DFIS-I：可以保存存到本机机，也可可以保存存到外接接的移动动存储介介质。TKIS-I：保存到本本机或移移动存储储介质。。注意事项项：DFIS-I的数据不不能保存存到C盘，以免免造成设设备系统统崩溃。。（三）彩彩色图像像声纳设设备的操操作使用用二彩色色图像声声纳声纳数据据的记录录系统进入入工作状状态后，，将用于于声纳资资料存储储的USB设备（通通常是U盘）插入入主机面面板USB接口，并并在软件件里设置置将声纳纳记录路路径为该该USB设备。推推荐使用用Sandisk的高速USB设备。（三）彩彩色图像像声纳设设备的操操作使用用警告！严禁将声声纳数据据保存到到系统C盘！任何何对C盘的操作作可能导导致严重重的系统统崩溃，，请勿更更改、删删除C盘的任何何文件，，同时严严禁向C盘写入任任何文件件！请将将重要资资料保存存到USB设备！二彩色图像像声纳声纳操作系统开机：：按照说明将将声纳各系系统连接好好，并将声声纳头置于于水中。当当系统安装装就绪后声声纳即可进进入工作。。在打开声声纳电源前前，应首先先检查电源源电压是否否正常。正正常的电源源电压应在在180V～240V之间，过高高的电源电电压会损坏坏声纳系统统。增益调整：：声纳图像的的彩色和亮亮度（当前前的调色板板为彩色表表。对于黑黑白表则为为灰度和亮亮度。）反反映了声信信号回波的的强弱。回回波越强，，图像的亮亮度就越高高，彩色就就越鲜艳。。增益旋钮钮控制系统统的增益；；增益太低低，反射本本领较弱的的目标就不不能显示出出来；增益益太高，则则系统的输输出噪声增增加，使得得目标难以以分辨。转动动增增益益旋旋钮钮，，仔仔细细观观察察声声纳纳图图像像的的变变化化。。操操作作时时，，将将““作作用用距距离离””置置于于5米档档，，工工作作方方式式选选择择为为““PPI””。增益益的的选选择择与与声声纳纳的的工工作作距距离离也也有有很很大大的的关关系系。。一一般般在在近近距距离离(5～10米)作业业时时，，可可将将增增益益设设置置在在1/4满刻刻度度以以下下；；在在中中等等距距离离(20～50米)作业业时时，，可可将将增增益益设设置置在在1/4满刻刻度度左左右右；；在在远远距距离离(100米)作业业时时，，可可将将增增益益设设置置在在1/4～1/2满刻度之间；；在长电缆工工作时，应相相应提高增益益。（三）彩色图图像声纳设备备的操作使用用二彩色图像像声纳声纳操作工作方式选择择：根据声纳的用用途来确定声声纳的工作方方式，DFIS-I声纳可用在水水下载体导航航、避碰、水水下目标搜索索、目标定位位、测深等方方面。声纳具有四种种工作方式：：“PPI”、“扇扫”、、“B扫”、“侧扫扫”。“PPI”方式用在全景景搜索，声纳纳以载体为中中心进行360度搜索，该方方式的主要优优点是搜索范范围大，但搜搜索同一目标标的间隔时间间较长，对声声纳头的安装装位置有特殊殊要求（载体体不应影响声声纳头换能器器的波束）。。在“PPI”方式下，声纳纳头的位置处处于图像显示示区的中心。。“扇扫”工作作方式针对某某一固定的扇扇面区域进行行扫描，它与与“扫描角度度”、“扫描描中心”配合合使用。在导导航、避碰等等应用场合，，感兴趣的区区域一般都在在载体的正前前方，此时可可将“扫描中中心”设置在在‘0°’，“扫描角度度”设置在‘‘120°’进行扇扫。在在水下目标搜搜索应用场合合，在“PPI”方式下找到目目标后，可调调整载体的方方位使得目标标处于载体的的正前方，然然后再改用““扇扫”工作作方式，为了了加快扫描速速度，可将““扫描角度””设置得小一一点。“扇扫扫”工作方式式下，声纳头头的位置处于于图像显示区区的边缘。改改变“扫描角角度”和“扫扫描中心”，，声纳头的位位置也将在显显示区边缘上上移动。（三）彩色图图像声纳设备备的操作使用用二彩色图像像声纳声纳操作工作方式选择择：“B扫”工作方式式是将声纳图图像进行线性性变换后显示示在屏幕上，，其结果使得得近距离的目目标被放大。。当声纳接近近目标时，将将声纳作用距距离设置为近近距离工作状状态（5～10米），此时““B扫”工作方式式会显示出优优越性，近距距离的目标被被放大后显示示出来，可以以更清楚地观观察目标及其其方位。值得得注意的是，，声纳图像是是畸变的，并并且显示的声声纳图像不随随中心角的变变化而旋转，，操作时应注注意声纳当前前的中心角度度。该方式与与“扫描角度度”、“扫描描中心”配合合使用。“侧扫”可使使声纳具有旁旁视的功能，，也可用此方方式测深。但但作为图像声声纳，一般很很少用作测深深，并且在测测深工作时需需将声纳头作作水平安装。。在“侧扫””方式下，图图像作走航式式移动，根据据中心角度的的不同分为左左右舷。当声声纳头朝右舷舷时，图像显显示的原点位位于图像显示示区的左边，，反之，图像像显示的原点点位于图像显显示区的右边边。（三）彩色图图像声纳设备备的操作使用用二彩色图像像声纳声纳操作作用距离选择择：声纳的作用距距离档的选择择依赖于声纳纳的应用场合合。对于较大大目标的搜索索，声纳的作作用距离档一一般应首先选选择在最大作作用距离档（（200米档或100米档），以保保证最有效的的搜索半径。。在声纳发现现目标，逐步步引导载体靠靠近后，应不不断地改变作作用距离档以以提高声纳的的扫描速度和和目标的分辨辨率。当声纳用在避避碰作业时，，可根据载体体的航行速度度及要求的障障碍物预警距距离来确定声声纳的作用距距离档和扫描描范围。一般般地，载体的的航速越快，，要求声纳的的扫描范围越越小，作用距距离越大。（三）彩色图图像声纳设备备的操作使用用二彩色图像像声纳声纳操作扫描速度选择择：作为搜索、避避碰声纳的应应用场合，都都希望声纳的的扫描速度越越快越好，但但在单波束机机械转动的声声纳系统中，，声音的传播播速度制约了了扫描速度的的提高。本系系统在保持声声纳目标不丢丢失的情况下下将声纳的扫扫描速度提高高到了极限。。设有：“特特快”、“快快速”，“中中速”、“慢慢速”、“特特慢”五档。。一般地地，““中速速”档档的声声纳图图像已已经比比较细细腻，，对于于要求求图像像质量量较高高的应应用场场合，，可采采用““中速速”或或“慢慢速””档扫扫描；；在要要求扫扫描速速度的的应用用场合合，可可采用用“快快速””甚至至“特特快””档扫扫描，，它们们在牺牺牲图图像质质量的的基础础上达达到了了扫描描速度度的提提高，，这两两档扫扫描速速度均均不影影响目目标的的搜索索。在在中、、远距距离工工作时时，建建议使使用““快速速”或或“特特快””档扫扫描。。在较小的的区域或或比较浅浅的水域域工作时时，“特特慢”档档提供一一种有力力的手段段来保证证图像的的清晰度度，免受受多次回回波的影影响。当当然，会会大大降降低扫描描速度。。（三）彩彩色图像像声纳设设备的操操作使用用二彩色色图像声声纳声纳原理理彩色图像像声纳是是一种利利用超声声波进行行水下目目标探测测的声学学设备。。它通过过声纳头头上的换换能器发发射出声声波，声声波在水水下传播播，遇到到物体就就会形成成反射的的回波，，回波被被换能器器接收到到以后，，经信号号处理后后形成声声纳图像像，显示示在主机机屏幕上上。彩色图像像声纳是是一种机机械扫描描式声纳纳，声纳纳头上的的换能器器在处理理主机的的控制下下，可以以360度旋转扫扫描。换换能器的的旋转角角度可以以精确控控制，换换能器旋旋转到一一个角度度时，换换能器发发射出声声波，在在既定的的量程里里，反射射回波被被接收到到后，换换能器才才旋转到到下一个个角度。。这个时时间非常常短，足足够声波波到达目目标并形形成反射射回波，，并被换换能器接接收到。。由于声声波在水水下传播播的速度度是已知知的（约约1500m/s），声波波发射和和接收到到回波的的时间也也是已知知的（信信号处理理计算得得出），，故而可可以得出出目标与与换能器器之间的的距离。。换能器器连续转转动，就就可以得得到目标标的连续续声纳影影像。在在这个影影像中，，可以得得到目标标与换能能器的方方位和距距离。（四）彩彩色图像像声纳设设备的工工作原理理二彩色色图像声声纳声纳原理理声波在水水中会衰衰减，不不同频率率的声波波衰减程程度不同同，通常常情况下下，频率率越高，，衰减得得越快。。衰减意意味着声声波能量量的消耗耗，能量量消耗越越快，声声波传播播的距离离就越近近。故而而相同能能量的声声波，低低频传播播的距离离要比高高频远。。DFIS-I彩色图像像声纳是是一种双双频声纳纳，它有有两个工工作频率率，400kHz和655kHz，可以满满足不同同距离的的探测要要求。水水域环境境良好的的情况下下，DFIS-I彩色图像像声纳工工作在低低频（400kHz）的作用用距离是是200m，工作在在高频（（655kHz）的作用用距离是是100m。由于声声波对目目标的特特性，高高频工作作时的分分辨率要要优于低低频，故故而低频频适用于于大范围围粗略搜搜索目标标，高频频适用于于近距离离的观察察探测。。DFIS-I彩色图像像声纳的的操作非非常简单单，利用用它来进进行目标标探测的的难点集集中在声声纳图像像的判读读上。这这对操作作人员的的要求相相对较高高，一方方面，要要有一定定的水声声学和电