側(cè)掃聲吶：海底地貌“掃描儀”

　　側(cè)掃聲吶：海底地貌“掃描儀”

　　■夏志軍 王皓凡 本報(bào)特約記者 黎明宇　　

Shark-S455M多波束側(cè)掃聲吶。資料圖片

　　近段時(shí)間，“北溪2號(hào)”管道泄漏事件在國(guó)際社會(huì)上被“炒”得沸沸揚(yáng)揚(yáng)。這條從俄羅斯烏斯季盧加出發(fā)的天然氣管道并未走陸上通道，而是穿越波羅的海直達(dá)德國(guó)格賴夫斯瓦爾德市。

　　除了像“北溪2號(hào)”這樣的能源輸送管道，大洋深處還靜靜“躺”著海底電纜等連接著不同地區(qū)的管線，它們是地區(qū)之間政治經(jīng)濟(jì)文化交流的重要紐帶。

　　深邃的海底并非一馬平川。管線鋪設(shè)想要順利開(kāi)展，離不開(kāi)對(duì)海底形形色色地貌的掌握。有一種儀器，可以通過(guò)掃描方式向海底發(fā)射超聲波束，再將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)，可謂是一臺(tái)真真切切的海底地貌“掃描儀”。它，就是側(cè)掃聲吶。

　　作為海底地貌“掃描儀”，側(cè)掃聲吶是如何洞悉海底的?從誕生到成熟經(jīng)歷了怎樣的進(jìn)階之路?其軍事應(yīng)用前景如何?請(qǐng)看本期解讀——

　　一掃知海，以聲波洞悉茫茫大洋

　　側(cè)掃聲吶是一種主動(dòng)聲吶，也稱旁掃聲吶、旁視聲吶、側(cè)視聲吶。顧名思義，側(cè)掃聲吶的水聲換能器常常安裝在船體(或拖體)兩側(cè)向側(cè)方發(fā)射聲波，通過(guò)水底地物對(duì)入射聲波反向散射來(lái)探測(cè)水底形態(tài)和目標(biāo)。

　　一套完整的側(cè)掃聲吶，主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、換能器、控制器和顯示器等組成。

　　聲吶聲波發(fā)出后，聲脈沖以球面波擴(kuò)展方式沿側(cè)向向遠(yuǎn)處傳播，碰到海底或水下目標(biāo)的反射或散射信號(hào)會(huì)原路返回，并根據(jù)距離的不同被先后接收，距離越遠(yuǎn)回波信號(hào)越弱。通常來(lái)說(shuō)，硬的、粗糙的和凸起的海底回波信號(hào)強(qiáng);軟的、平滑的和凹陷的海底回波信號(hào)弱;被凸起海底遮擋部分的海底沒(méi)有回波。

　　回波脈沖串幅度的高低對(duì)應(yīng)著海底的起伏軟硬，換能器每次發(fā)射可獲得兩側(cè)一窄條海底的信息，在計(jì)算機(jī)上顯示為一條線。換能器按一定的時(shí)間間隔發(fā)射接收脈沖，將每次接收到的回波數(shù)據(jù)顯示排列起來(lái)，就可得到完整的海底地形地貌聲吶圖像。操作人員借助計(jì)算機(jī)對(duì)聲吶圖像進(jìn)一步處理，便可對(duì)海底或目標(biāo)物進(jìn)行判讀。

　　側(cè)掃聲吶的優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在可以利用海底或沉底物的回波強(qiáng)度信息，對(duì)海底介質(zhì)或沉底物特征進(jìn)行定性分析;具有較高的橫向分辨率，可以獲得分辨率較高的、二維的海底地貌圖;探測(cè)面積大，且對(duì)特殊外形的水下目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng);安裝難度低，且成本低廉……所以側(cè)掃聲吶出現(xiàn)以后很快得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在已成為水下探測(cè)的主要設(shè)備之一。

　　在軍事上，側(cè)掃聲吶主要用于海底沉底目標(biāo)、水雷、蛙人和潛艇等的探查，水下戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境調(diào)查以及援潛救生等;在民用領(lǐng)域則主要用于水下考古、救撈、海洋大陸架專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)劃分以及海洋工程等。

　　當(dāng)然，側(cè)掃聲吶也存在明顯的缺點(diǎn)，比如只能獲取海底相對(duì)起伏的數(shù)據(jù)，無(wú)法獲得直觀的、三維的地形圖，海底深度測(cè)量的精度也比較低等。

　　一路進(jìn)階，不斷迭代的探海利器

　　近日，電影《泰坦尼克號(hào)》即將以3D形式在大銀幕重映的消息，再次將人們的記憶帶回泰坦尼克號(hào)沉沒(méi)事件。

　　1912年，堪稱當(dāng)時(shí)世界上最奢華舒適的“夢(mèng)幻郵輪”泰坦尼克號(hào)，與一座冰山相撞后沉入大西洋底3700米處。從那以后，許多人曾嘗試著打撈泰坦尼克號(hào)的殘骸，卻毫無(wú)收獲。直到20世紀(jì)80年代初，水下考古學(xué)家羅伯特·巴拉德及其團(tuán)隊(duì)借助側(cè)掃聲吶技術(shù)，在距沉沒(méi)區(qū)域約21公里處的黑暗海底發(fā)現(xiàn)了這艘巨輪。

　　2022年4月15日，泰坦尼克公司聯(lián)手美國(guó)伍茲霍爾海洋學(xué)研究所、維特研究所，在泰坦尼克號(hào)沉沒(méi)100周年紀(jì)念日當(dāng)天公布了船體殘骸的首次全景繪制圖。繪制該圖，首先由研究人員以高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲吶進(jìn)行探測(cè)，再派出遙控潛水器依據(jù)探測(cè)結(jié)果實(shí)施拍攝。

　　從發(fā)現(xiàn)泰坦尼克號(hào)到繪制殘骸全景，在其中發(fā)揮巨大作用的側(cè)掃聲吶也經(jīng)歷了巨大的發(fā)展變化：

　　第一代是采用了模擬電路單波束聲吶。早期聲吶由模擬電路和模擬器件構(gòu)成，完成信號(hào)處理和目標(biāo)跟蹤等功能。聲吶向水下發(fā)射一個(gè)聲波窄波束，隨著船體的移動(dòng)，形成從點(diǎn)到線的測(cè)量。1970年，英國(guó)海洋研究所研制出適合大洋使用的GLORIA側(cè)掃聲吶，作用距離可達(dá)20多公里。

　　第二代是采用了混合模擬/數(shù)字電路的單波束聲吶。20世紀(jì)80年代后，計(jì)算機(jī)的普及加快了側(cè)掃聲吶數(shù)字化進(jìn)程，聲吶由模擬電路進(jìn)化為混合模擬/數(shù)字電路，從儀器制造到數(shù)據(jù)采集處理都發(fā)生了根本性的變化。美國(guó)K-MAPS測(cè)繪聲吶的工作深度可以達(dá)到400～1000米。

　　第三代是采用了數(shù)字電路單波束聲吶。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，聲吶發(fā)展為以高性能計(jì)算機(jī)為控制處理核心，并廣泛采用數(shù)字信息處理，由電子器件和電子電路構(gòu)成的探測(cè)設(shè)備。我國(guó)自主研發(fā)的Shark-S455M多波束側(cè)掃聲吶具有低速和高速兩種使用模式，可根據(jù)需要實(shí)時(shí)在線選擇。低速模式為單波束雙頻側(cè)掃，可極大提高中、近距離沿航跡方向的分辨率。高速模式為高頻多波束側(cè)掃，提高了測(cè)繪效率。

　　第四代是采用了數(shù)字電路的多波束聲吶和多脈沖聲吶。相比傳統(tǒng)側(cè)掃聲吶，多波束聲吶和多脈沖聲吶提高了信號(hào)的空間采樣率，很好地解決了近程和高速拖曳情形下目標(biāo)丟失的“燈下黑”現(xiàn)象。美國(guó)一家公司研發(fā)出了第一款使用波束技術(shù)的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)Klein System 5000型聲吶。這型聲吶有效減少了海上側(cè)掃時(shí)間，降低了測(cè)量成本，被廣泛應(yīng)用于高速掃雷、港口安全、管線和路由檢查。

　　第五代是采用了數(shù)字電路的合成孔徑聲吶。合成孔徑聲吶是一種新型二維成像聲吶，具有橫向分辨率與工作頻率和距離無(wú)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，分辨率比常規(guī)側(cè)掃聲吶高1到2個(gè)量級(jí)。據(jù)報(bào)道，國(guó)外一些研究機(jī)構(gòu)已將合成孔徑聲吶技術(shù)應(yīng)用于水下潛航器，作用距離提高4倍，分辨率提高36倍。

　　如今，國(guó)內(nèi)外在側(cè)掃聲吶系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域水平基本相當(dāng)，美國(guó)Klein Marine Systems公司的Klein系列，瑞典DeepVision公司的DE系列，我國(guó)北京藍(lán)創(chuàng)海洋公司的Shark系列等，都是廣受歡迎的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)。此外，“蛟龍?zhí)枴焙汀安屎玺~(yú)”號(hào)等載人潛水器的重大突破也在一定程度上促進(jìn)了側(cè)掃聲吶的發(fā)展。

　　一物多能，軍事應(yīng)用前景廣闊

　　二戰(zhàn)時(shí)期，日本十分依賴海上戰(zhàn)略物資輸送。1945年3月27日，美軍啟動(dòng)了一項(xiàng)名為“饑餓戰(zhàn)役”作戰(zhàn)任務(wù)，出動(dòng)了上百架B-29轟炸機(jī)在東京、名古屋等重要港口和瀨戶內(nèi)海的主要航道布設(shè)了超過(guò)12000枚水雷，使其海上交通幾近癱瘓。雖然日本相繼投入340余艘艦船和2萬(wàn)多人進(jìn)行掃雷，但是收效甚微。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，掃雷要比布雷成本高出10～200倍，未來(lái)一旦發(fā)生海戰(zhàn)，水雷封鎖依舊會(huì)大概率成為海上通道封控戰(zhàn)的首選手段。但隨著側(cè)掃聲吶技術(shù)的迭代發(fā)展，其對(duì)海下“掃描”的“清晰度”越來(lái)越高。在這種情形下，合成孔徑聲吶技術(shù)的重要性便凸顯了出來(lái)。

　　合成孔徑聲吶可以獲得明顯優(yōu)于傳統(tǒng)側(cè)掃聲吶的海底成像效果，由于低頻聲波傳播衰減小，作用距離遠(yuǎn)，使得低頻寬帶合成孔徑聲吶可用于探測(cè)沉底雷和掩埋雷。運(yùn)用在戰(zhàn)場(chǎng)上，可以大幅提高掃雷成功率，縮減成本。

　　近年來(lái)，無(wú)人潛航器的新聞“出鏡率”陡增。在多國(guó)競(jìng)相參與下，不斷下水的無(wú)人潛航器正在不斷拓展水下“用武之地”。作為一種無(wú)人駕駛、依靠遙控或自主控制在水下航行的智能化系統(tǒng)，面對(duì)海下復(fù)雜地形，潛航器如何能實(shí)現(xiàn)自主控制?

　　據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，隨著側(cè)掃聲吶技術(shù)致力于三維海底地形的可視化，把聲吶設(shè)備的接收換能器作為突破口，可在對(duì)海底的“掃描”中得到三維圖像，用于海圖繪制和水下導(dǎo)航，為潛艇或水下無(wú)人潛航器遂行軍事任務(wù)提供精細(xì)化環(huán)境支持，協(xié)助實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)駕駛”。

　　除掃雷和海底三維成像外，側(cè)掃聲吶在軍事應(yīng)用上的“切入點(diǎn)”還有很多。未來(lái)，新技術(shù)的發(fā)展將使其產(chǎn)生更多軍事運(yùn)用熱點(diǎn)：

　　利用高效與高精度兼具的新技術(shù)，為戰(zhàn)時(shí)艦艇出港航道高效快速清掃提供手段支持。實(shí)際應(yīng)用中，側(cè)掃聲吶正在克服“掃測(cè)速度越快，掃測(cè)寬度越窄”的缺點(diǎn)，多脈沖等新技術(shù)的發(fā)展和完善有助于實(shí)現(xiàn)高效高精度的測(cè)量，助力艦艇在戰(zhàn)爭(zhēng)中快速前出，搶占時(shí)機(jī)。

　　利用目標(biāo)識(shí)別和海底底質(zhì)分類技術(shù)預(yù)置水下武器。要實(shí)現(xiàn)在海底預(yù)置武器，特別是一些有特殊布防要求的武器裝備，需要對(duì)部署海域的地形、地貌以及海底沉積層特性進(jìn)行充分的調(diào)查研究，通過(guò)聲吶圖像自動(dòng)識(shí)別水下目標(biāo)和底質(zhì)分類工作，可實(shí)現(xiàn)水雷、海底預(yù)置武器的布設(shè)以及水下威脅目標(biāo)探查。

　　利用新型聲吶換能器技術(shù)整體提高側(cè)掃聲吶的探測(cè)性能。換能器是整個(gè)聲吶系統(tǒng)的核心部件，從換能器的設(shè)計(jì)出發(fā)，朝著大功率、寬頻、小體積和抗干擾的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)最大化減小環(huán)境噪聲和混響的影響，能夠使裝備它的潛航器更出色地執(zhí)行情報(bào)偵察、跟蹤敵方潛艇或作為誘餌協(xié)助獵殺潛艇、搭載導(dǎo)彈攻擊等任務(wù)。