索尼克SONIC SCS-18H 高頻半圓掃描聲吶工作原理詳解

索尼克SONIC SCS-18H 高頻半圓掃描聲吶工作原理詳解

SONIC SCS-18H 是一款廣泛應用于漁業、海底地形探查、水下目標探測和水下工程支持的高性能聲學成像設備。其核心設計理念是通過高頻聲波和獨特的機械掃描方式，在前方扇形區域內提供高分辨率的實時水下圖像，宛如為船只安裝了一雙“水下之眼"。

一、 核心系統組成

SCS-18H 系統主要由三大部分構成：

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

2. 甲板單元：負責供電、控制、信號處理和用戶交互。

3. 顯示控制終端：通常是一臺安裝專用軟件的工業電腦或船用顯示器。

二、 工作原理分步解析

其工作原理可以概括為“聲波發射-接收-處理-成像"的循環過程，具體步驟如下：

第1步：高頻聲波的脈沖發射

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

• 該電信號通過拖纜傳輸至水下單元的壓電陶瓷換能器。換能器在電壓的驅動下產生振動，將電能轉換為機械能，并向水中發射一束極其狹窄的錐形聲波脈沖。

• “高頻"意味著波長更短。波長越短，分辨率越高，能探測到更小的物體（如單條魚、纜繩、海底細節），但聲波在水中的衰減也更快，因此其優勢在于中短距離的精細探測。

第二步：獨特的“半圓"機械掃描

• 這是SCS-18H區別于傳統多波束聲吶的關鍵。其換能器安裝在一個高速旋轉的掃描頭上。

• 換能器在垂直面內以一個固定的傾斜角（例如向下45°）安裝。當掃描頭在水平面內連續勻速旋轉（通常每秒數轉） 時，換能器發射的狹窄聲束就會在水下形成一個180°的扇形掃描面。

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

第三步：聲波反射與接收

• 發射出的聲波脈沖在傳播過程中，遇到任何聲阻抗界面（如魚群、海底、礁石、沉船、管線等）時，一部分能量會被反射回來。

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

第四步：信號處理與數據解析

• 接收到的模擬回聲信號被傳回甲板單元。

• 信號處理器對回聲進行放大、濾波和數字化處理。最關鍵的兩個參數是：

• 往返時間：從發射到接收回聲的時間，根據聲波在水中的傳播速度（約1500米/秒），可精確計算出目標與換能器的斜距。

• 回聲強度：反射信號的強弱，反映了目標的材質、大小和表面粗糙度（如巖石回波強，泥沙回波弱）。

• 同時，系統通過高精度編碼器實時讀取換能器當前的旋轉角度（方位角）。

第五步：扇形圖像實時合成與顯示

• 系統將每個回聲信號都轉化為屏幕上的一個像素點：

• 像素點的位置 由計算出的斜距和實時讀取的方位角共同決定，通過極坐標到直角坐標的轉換，精確地放置在屏幕對應的扇形區域。

• 像素點的亮度或顏色 由回聲強度決定，通常以灰度或彩色圖譜顯示（強回波亮/紅色，弱回波暗/藍色）。

• 隨著換能器持續旋轉，成千上萬個回聲點被實時繪制在屏幕上，迅速組合成一幅連續、動態更新的水下扇形全景聲學圖像。操作員可以直觀地看到海底地形起伏、魚群分布、水下障礙物等。

三、 核心優勢與技術特點

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

2. 實時性強：機械掃描方式提供了近乎無延遲的實時圖像，對于動態追蹤魚群或規避障礙物至關重要。

3. 大范圍覆蓋：單次旋轉即可覆蓋180°寬廣區域，探查效率高。

4. 測距精確：通過測量回聲時間，能提供目標到探頭的準確斜距。

5. 抗干擾能力：工作在高頻段，受低頻船舶噪音干擾較小。

四、 典型應用場景

• 精準漁業：探測、識別魚群種類、評估魚群規模和運動軌跡，實現瞄準捕撈。

• 海底地形測繪：繪制港口、航道、養殖區的高精度海底等高線圖。

• 水下搜索與救援：定位沉沒物體、失事船只或車輛。

• 水下工程與檢查：檢查大壩、橋墩、管道、電纜等水下結構的狀態。

• 科研與勘探：水下生態研究、地質調查。

總結

SONIC SCS-18H 高頻半圓掃描聲吶的工作原理，本質上是利用高頻聲波在水下的反射特性，通過精密的機械旋轉掃描，將水下不可見的世界以高分辨率的聲學圖像形式實時呈現出來。它將時間、角度、強度信息融合成一幅直觀的扇形圖，是現代海洋探測和開發中的視覺工具。