1、彩色图像声纳设备,中国船舶重工集团公司七五试验场,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
2、）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
3、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
4、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,郎之万和他设计的换能器,二战时美国潜艇用JP型听测设备,回声测距、听测和水下通讯兼具的QGB型声纳,一种典型的潜艇声纳,国产PS-I型海底地貌仪,国产761型水平多波束鱼探机,一 现代声纳技术及其发展,声纳技术面临的机遇和挑战 早期的声纳设计建立在较为理想的模型基础上. 无论是声纳设计者还是声纳使用人员,早就注意到声纳的性能与海洋环境密切相关. 但是,由于两个方面的原因,使声纳技术发展的初期采用了比较简单的模型. 第一个原因是人们对海洋中水声传播规律的研究和认识有一个由浅入深、由表及里的过程.虽然声纳的发明早于雷达19年,但是
5、由于海洋环境的复杂特点,使声纳的发展在某些方面滞后于雷达,这是丝毫不奇怪的. 第二个原因是由于硬件条件方面的限制. 20世纪5060年代,信息论已经为微弱信号的检测提供了相当充实的理论基础和实用技术,但是这些理论的应用需要非常复杂的计算,而在那时硬件设备还无力提供这种支持.自20世纪70年代以来,情况已经发生了很大的变化. 微电子技术的发展使计算机硬件的面貌发生了巨大的改观,从而推动了数字信号处理领域的变革. 英特尔公司的创始人之一摩尔在1973年提出了支配半导体工业发展的一个规律,就是我们现在所说的摩尔定律. 这个定律说,微处理芯片每隔18个月性能提高一倍,价格降低到原来的二分之一. 据摩尔
6、自己说,早在1964年他还在仙童公司工作时,就已注意到这一事实了. 1996 年, 他又在IEEEProc. 上重新公布手稿,对自己的这一定律深信不疑。,（二）现代声纳技术,一 现代声纳技术及其发展,声纳技术面临的机遇和挑战 微电子工业的这种迅猛发展势头,使得数字式声纳应运而生,并且使声纳设计者面临巨大的机遇和挑战. 因为,作为数字式声纳硬件支撑的DSP芯片,似乎“无所不能”,过去很多受计算机能力限制的技术,现在都可以实现了. 但是,很不幸,声纳的性能不仅仅依赖于硬件的能力,更大程度上依赖于主导声纳性能的建模技术、微弱信号检测算法、参数估计理论、人工智能等 数字声纳设计者就是面临这样一种局面:
7、硬件的发展向声纳设计者预示,只要你提出理论,我就能实现它;如果今天有一种目标识别的算法需要一个小时才能得出结果,那么10年之后,用不了1分钟就可完成. 微电子技术的这种发展潮流也已部分地改变了信号处理理论的发展方向. 20世纪60年代中期,当Cooley, Turky提出FFT算法时,有关改进的算法非常多,哪怕提高计算速度10%或节省存贮量10%的理论工作都还得到认可,但是10年之后,就没有人去做类似的工作了,因为硬件的发展使得那种小小的改进黯然失色. 现在需要的是理论的创新,是那种能带来跨越式发展的新概念、新理论和新工艺.,（二）现代声纳技术,一 现代声纳技术及其发展,声纳技术发展的推动力-
8、需求 早期的声纳技术发展的最大用户是海军,即未来水下战的需求. Marburger在美国防务新闻(DefenseNews)周刊上提供了美国海军的一个有关安静型潜艇的辐射噪声的图,表明美国在20世纪90年代的海狼级核潜艇噪声和俄罗斯改进的Akula级噪声相当. 在近3040年内,潜艇的辐射噪声大约每年下降0. 51dB,从而使被检测的距离每年缩小0.52km,而声纳技术的改进弥补不了这一下降趋势带来的损失。潜艇降噪用的是综合的技术,即同时考虑消声瓦和本艇辐射噪声的控制,称为CSMC ( collabo2rative signature monitoring and control) ,防噪声辐射
9、的核心技术是主动噪声和振动控制,即AMVC ( ac2tive noise and vibration control). 为探测安静型潜艇,需要发展大功率、低频、宽带换能器,需要发展主/被动的拖曳式线列阵声纳,需要发展潜用的细长缆拖线阵声纳,需要研究更有效的水声通信方法及水下定位技术等。,（二）现代声纳技术,一 现代声纳技术及其发展,声纳技术发展的推动力-需求 在寻找新型水声换能材料方面,有的研究者认为,镍合金和压电陶瓷材料的设计极限早在25年之前就达到了. 所以人们开始研究稀土系列元素的磁致伸缩特性,这类材料能产生较大的声功率,并且可以在低频、宽带下稳定工作. 美国海洋实验室发现了一种镧和
10、铁的合金,称之为Terfenol - D 的磁致伸缩材料,据说已获得应用. 这种T - D换能器具有良好性能,在合理使用时几乎不变形,样品经过上亿次发射仍完好无损,有可能成为下一代声纳发射换能器的首选材料. 在众多水听器中,近年来发展较快的是一种聚偏二氟乙烯( Polyvinylidene fluoride, PVDF)薄膜,这是一种柔顺压电材料,加工较方便,压电常数非常高. 目前已研制出厚度为12mm, 面积为30 80cm2 的薄膜面元水听器,它可以用于舷侧线列阵声纳中,其缺点是它的电压灵敏度对温度比较敏感.,（二）现代声纳技术,一 现代声纳技术及其发展,声纳技术发展的推动力-需求 在由于
11、声纳性能与海洋环境的密切关系,需要声纳设计者寻求一种新的体系结构,它能把海洋环境融入声纳的整体设计中,以便使声纳系统的性能对模型失配更宽容一些. 这就是基于模型的声纳系统. 它是立足于宽容性检测的原理. 任何声纳系统的设计都是基于某种模型的假设,然后在这种假设下寻求一种最佳的处理方法. 当实际环境符合最佳处理的假设条件时,系统的增益很大,但是一旦模型失配,最佳检测器的性能迅速下降. 而宽容性检测就不同,它虽然在理想条件下的增益不如最佳检测器,但是对模型失配却显得很“宽容”,具有相对来说变化不大的系统增益. 研究模型失配的概念非常重要,可惜到现在为止,我们还无法在理论上回答模型匹配以及失配应如何
12、从数值上进行刻划. 对声纳技术的需求还来自海洋开发. 水声遥测始终是获得海洋环境参数的最重要手段之一. 大洋测温、近海油气田的数字地震勘探、声层析、大洋海底金属矿的开采以及水气化合物的勘探开发都离不开声纳技术.,（二）现代声纳技术,一 现代声纳技术及其发展,声纳信号处理的热点问题 在作为声纳技术的理论支撑的水声信号处理是一门综合性的边缘学科. 它在发展进程中,既有自己的特色,又吸收了雷达、医学成像、通信、语音信号处理等其他领域的成果. 1998年, IEEE信号处理分会为纪念协会成立50周年,编发了一篇专稿,即水声信号处理的过去、现在与将来. 文章回顾了水声信号处理的发展历史,提出了一些有潜在
13、应用价值的热点技术,如合成孔径技术、声层析、水声通信等.水声信号处理理论的发展面临着众多问题,相关和临近学科又不断产生一些新的概念,所以水声信号处理专家以积极而审慎的态度来对待它们,一方面担心错过了应用新理论的机会,一方面又怀疑它们是否真的能在声纳系统中获得应用. 这些课题是不胜枚举的,例如人工神经网络、混沌理论、小波变换、分维变换与时间反转算法等. 我们在本节中就水声信号处理本身介绍若干热点问题.,（二）现代声纳技术,一 现代声纳技术及其发展,声纳信号处理的热点问题 1.被动测距 被动测距声纳是从20世纪70年代初开始研制的. 从理论上讲,只要声纳基阵的孔径足够大,用三点阵测距是没有问题的.
14、 关键是把三个基阵的声中心的相对延时精确测量出来.可以证明,被动测距的相对误差等于测延时的相对误差,即R/R =/ 根据这一公式我们就会明白被动测距声纳所面临的问题. 举例来说,孔径为40m的基阵要测量相距为20km的目标,延时量大约为13s. 如果要求相对误差为10%,则延时估计误差不能大于1. 3s. 在海洋环境中要做到这一点非常困难. Urick, 张仁和等曾报道,海水中声传播起伏值就在10s这样的量级,这就使得被动测距问题变得十分困难,因为要在接收到的大量数据中,剔除由不稳定性引起的“野值”(wild value) ,然后再进行平均. 对延时测量精度的过高要求,还使得基阵的准确安装变得
15、困难起来. 目前还没有找到突破传统几何原理进行被动目标测距的有效方法.,（二）现代声纳技术,一 现代声纳技术及其发展,声纳信号处理的热点问题 2.合成孔径技术 合成孔径声纳的研制近十年来受到很大的重视. 已经报道有相当高性能的样机问世. 合成孔径作为一种技术在雷达上成功应用已近40年了,但在声纳上迟迟未获得实质性的进展. 主要是由于声传播的海洋介质比无线电传播的大气介质复杂得多,另外声纳平台运动速度与声传播速度之比约为1750,而雷达平台运动速度和无线电波传播速度之比是1106 ,所以合成孔径声纳的运动补偿、成像远比合成孔径雷达复杂. 合成孔径声纳( SAS)的初步研究结果是令人振奋的,它大约
16、可以在400m的距离上达到10cm的分辨率. 这在以前的旁测声纳中是无法达到的.美国DTI (Dynamic Technology Inc. )研制的样机在华盛顿(Washington)湖作试验时,甚至得到了一架早先沉没湖底的飞机残骸的“声像”。合成孔径技术还用于高分辨率的波束成形,这在安静型潜艇辐射噪声的测量中可以获得应用,利用这种技术可以把潜艇作为一个体积元,确定对辐射噪声最有贡献的分量的部位.,（二）现代声纳技术,左图为美国LockheedMartin公司研制的被动测距声纳PUFFS,右图为PB4Y - 2的SAS图像(1997年4月, 华盛顿湖, 50kHz的SAS穿透湖水看到了飞机内
17、部),一 现代声纳技术及其发展,声纳信号处理的热点问题 3.水声通信与水下GPS 水声通信一直是声纳研究中的一个重要领域.美国和北约的其他国家有一系列研究课题是与水声通信有关的. 水声通信系统的性能一直受到传输率和作用距离的约束. Kilfoyle等根据美国几十次海试结果,给出了一条曲线,认为在现阶段传输率(R ,以kbit/ s为单位)和作用距离(R ,以km 为单位)的乘积不超过40. 但在20世纪70年代初,这个值只有5左右. 因为为了提高传输速率必须提高信号频率,而一旦频率增高了,传播损失增大,作用距离就下降了. 所以R R 40kmkbit/ s,这在客观上反映了当前水声通信所达到的
18、水平. 如果要突破这个约束,就要增加发射功率,采用新的编码/解码体制和信道均衡技术. 水声通信的一个重要应用领域就是水下全球定位系统(GPS) ,虽然目前还只是一些设想,但一旦建立起完善的水下GPS体制,反潜战的一些战略、战术原则都必须随之改变.,（二）现代声纳技术,水声通信传输率与作用距离的关系曲线,一 现代声纳技术及其发展,声纳信号处理的热点问题 4.数据融合 由于声纳系统的集成度越来越高,数据量越来越大,单靠声纳员处理多平台、多传感器的信息就显得很不够. 所以数据融合的技术自然而然地受到重视. 目前,虽然还不能完全做到全自动判别,但至少为辅助决策提供了强有力的工具.数据融合从所处理的信息
19、层次来分,可以分为三级,即基元级、特征级和决策级. 研究课题的级别越到底层就越复杂. 现在大多数的研究工作还是围绕决策级展开的.数据融合中的一个基本定理,保证了声纳系统.进行数据融合的必要性,这个定理是说,无论是独立观测资料还是相关观测资料,最佳的线性数据融合所带来的误差不会大于任何个别观测资料所带来的误差. 基于这一事实,解决声纳系统的数据融合问题就有了理论依据. 举一个具体的例子,假定潜艇上有圆阵和舷侧阵同时进行目标定位. 我们知道,圆阵的定向误差基本上与信号入射方向无关. 而线阵则不同,在侧射方向误差较小,在端射方向误差较大,把圆阵和线阵的数据进行融合,我们得到了很好的测向方法,它的误差
20、不仅小于各自的定向误差,并且在360范围内基本均匀.,（二）现代声纳技术,一 现代声纳技术及其发展,声纳信号处理的热点问题 5.目标识别与水下快速运动目标轨迹提取 数字式声纳的基本功能是测向和测距,目标识别的功能通常由声纳员通过鉴别目标辐射噪声来完成. 随着声纳技术的发展,国外的一些声纳已具备目标识别功能,甚至专门配置鱼雷报警声纳.目标识别和鱼雷报警是两个相关的课题,虽然后者可以抽象为水下快速运动目标的轨迹提取问题,但最后的判决仍离不开识别这一环节.目标识别的关键当然是特征提取. 只有对大量目标样本进行设计分析,才有可能确定合适的特征量. 于是数据库的建立就是必不可少的,可惜这是缘于高度机密的
21、信息,因而在一定程度上阻碍了识别研究工作的进度. 能够在目标识别方面发挥作用的方法很多,如专家系统(最小邻近准则) ,人工神经网络、聚类分析等,但是目前还没有一种办法被公认为是解决目标识别问题的有效方法. 其原因是实验室系统模拟的结果与实际海上的条件差异很大,要寻找出不受传播影响的信号特征非常困难. 声纳工作平台的任何机动(这在实验室里不会出现)都会干扰目标识别系统的工作.,（二）现代声纳技术,一 现代声纳技术及其发展,声纳信号处理的热点问题 6.水下蛙人探测声纳(DDS)系统 2000年10月,美国导弹驱逐舰Cole号在也门港口受到恐怖袭击,艇身受到重创. 港口警戒问题引起重视.“911”事
22、件之后,恐怖袭击遍及海陆空各个领域,港口警戒成为国土安全的重要课题. 海军基地、大型集装箱码头、港口和V IP (贵宾)浴场的保卫问题已成为水声技术研究的迫切任务. 当然,我们需要的是海陆空的立体防护. 但是在水下如何发现并阻止蛙人(包括有呼吸和无呼吸系统的潜水者)、水下有人或无人载器的攻击显得尤为重要. 虽然从原理上讲, DDS也是传统意义上的主动或被动声纳,但是在声纳技术的应用上仍面临一些新的挑战. 比如,DDS通常用于浅海,作用距离较短(例如1 km) ,这就使声纳工作于混响背景限制的状态,所以能抑制混响和抗多途效应的波形设计显得很重要;又比如,蛙人的目标强度较小(例如TS =- 10
23、dB) , 检测难度较大,等等.,（二）现代声纳技术,一 现代声纳技术及其发展,声纳SONAR 声纳一词的概念来源于二战期间，是由声音（sound）、导航（Navigation）和测距（Ranging）三个英文单词的词头构成的。 现代声纳的定义是：利用水下声波判断海洋中物体的存在、位置、及类型的方法和设备.更广义的说，凡是利用水声能量进行观测或通讯的系统，均称为声纳系统。 为何不使用电磁波作为水下探测的手段？这是因为海水是电的良好导体，它使电能很快地以热的方式耗散掉，所以在同样的频率下，电磁波的衰减比声波快得多，结果就是传播距离也要近得多.,（三）声纳系统的概念,一 现代声纳技术及其发展,以工
24、作方式分 声纳一般可以笼统的分为被动声纳和主动声纳。 一个基本的声纳系统模型，他有两种工作方式，即主动和被动工作方式，在主动工作方式时，一个已知的信号被发射出去，当它照射到某个目标时，反射信号（或称回波）就被接收到，经过适当的处理，再由接收机显示出来；在被动方式工作时，目标的被发现是由于它所辐射的噪声. 各种不同类型的声纳由于它们的用途不同，具体构成也不相同，但其基本结构都是一样的。也就是说，其基本工作方式是一样的。不同声纳模型的差别，在于这些基本工作方式的参数的差别，以及其联接方法的不同。要了解声纳系统，首先要知道这些基本工作方式。,（四）声纳的分类,基本的声纳系统模型,声纳发射机框图,控制
25、程序,信号发生器,波束形成,功率放大,发射基阵,一 现代声纳技术及其发展,以工作方式分 上图是声纳发射机的典型方框图。信号发生器可以有很多种形式的输出：模拟的或数字的，连续波脉冲或线性调频波，这取决于所考虑的应用场合。信号发生器的输出送到波束形成矩阵，其目的是给信号一个合适的加权和延时，使得发射基阵在声信道中产生一个所希望的波束图。该图决定了由发射机所发射的声纳的集中程度和空间分布情况。信号的加权和延时通常叫做定向或波束成形。功率放大的目的是要获得足够大的电功率，然后将其与发射基阵匹配，并以较高的效率向水中发射声能。 基阵的几何形状（如圆阵、线阵、球阵）依赖于具体的应用场合。此外，发射基阵是很
26、多个辐射单元的综合，它们的材料取决于传播介质。声纳系统中通常用压电陶瓷或某类型的磁致伸缩金属，作为电能和声能互换的器件。“程序控制”主要指管理或控制中心，它使整个发射机能在我们所希望的状态下工作。,（四）声纳的分类,声纳接收机框图,控制程序,接收基阵,动态范围压缩,波束形成,信号处理,显示,判决,一 现代声纳技术及其发展,以工作方式分 上图是声纳接收机的典型方框图。通过比较发现，它比发射机复杂一些，这是毫不奇怪的。因为在发射过程中，信噪比是接近于无限的；而在接收过程中，在大多数感兴趣的情况下，信噪比小于1.所以在做出有价值的判断之前，还必须做一些别的事情。 接收基阵（或水听器阵）与发射基阵非常
27、相似，在简单的声能系统中，它们通常就是同一个。动态范围压缩指的是自动增益控制（AGC）与时变增益放大（TVG），它们是为了八接收到的信号动态压缩到一定范围，以便使波束成形系统及信号处理系统能够正常工作。接收机的波束成形功能与发射机的类似，但是接收机的波束成形方式要比发射机的复杂得多。接收机的波束成形是基阵在空间上抗噪声和混响场的一种处理过程，实现波束成形时，要进行一系列的运算（包括加权、延时及对空间各阵元收到的信号求和）。然后再作进一步的频域和时域处理。波束成形之后还需进行信号处理，它通常是某一个检测信号的最佳准则的物理实现。信号处理的主要形式为匹配滤波、相关技术和自适应技术。实际上，信号处理
28、系统、显示、听测、判决等都是和声纳员密切相关的，它们共同代表信号处理系统。处理增益的最大损失通常产生于它们的衔接处。“程序控制”是为了进行同步和自适应。,（四）声纳的分类,一 现代声纳技术及其发展,以波束形式分 可以分为单波束声纳和多波束声纳。以技术类型分 可以分为合成孔径声纳、多波束声纳、超短基线定位声纳等。以应用方式分 探测声纳、拖曳声纳、水下地貌仪、鱼探仪等等。 彩色图像声纳属于机械扫描式的单波束探测主动声纳。,（四）声纳的分类,二 彩色图像声纳,CST-I彩色图像声纳 上世纪90年代投入使用的彩色图像声纳。CIS-2000彩色图像声纳 应用范围最广的彩色图像声纳。DFIS-I彩色图像声
29、纳 具有双频率的彩色图像声纳。TKIS-I头盔式彩色图像声纳 可由潜水员携带使用的小型彩色图像声纳。,（一）750试验场的彩色图像声纳设备,DFIS-I双频彩色图像声纳,CIS-2000彩色图像声纳,TKIS-I头盔式彩色图像声纳,二 彩色图像声纳,CIS-2000彩色图像声纳 功能特点：1.逐行显示，图像稳定、清晰；2.极坐标、扇形和B型扫描；3.深度测量显示；4.声纳画面硬盘存储、回放；5.预留GPS接口，可输入GPS信号实时显示和存储；6.扇扫中心与实际扫描中心一致；7.光标距离不随距离换档变化；8.可存储8幅声纳图像；9.硬拷贝输出图像；10.系统参数永久保存；11.实时时钟。 性能特
30、点：1.工作频率：675kHz；2.波束开角：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：大于100m；7.最大量程：100m，5档可调。,（二）彩色图像声纳设备功能及性能特点,二 彩色图像声纳,DFIS-I彩色图像声纳 功能特点： 1. 体积小，重量轻；2. 双频工作，适用于不同作业场合要求；3. 可靠性、可维修性好，低磁性，耐腐蚀；4. 功能齐全，图文清晰易懂，操作简单方便；5. 良好的互换性，声纳头、信号处理机都采用标准接口；6. 防接错设计，所有接插件一一对应；7. 可利用计算机进行声纳图像记录和回放；8.
31、 信号处理机采用高可靠的工控机作为主机，可输出视频信号进行实时录像；9.Windows XP Embedded操作系统；10.测高功能；11.测深功能。 性能特点：1.工作频率： 400kHz 2 kHz，655 kHz 2 kHz ；2.波束开角：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：大于100m；7.测距精度：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）彩色图像声纳设备功能及性能特点,二 彩色图像声纳,TKIS-I头盔式彩色图像声纳 功能特点： 1. 体积小
32、，重量轻；2.功能齐全，图文清晰易懂，操作简单方便；3.潜水员携带；4.单人操作 ；5.具有良好的水下水上互动功能；6. 可利用计算机进行声纳图像记录和回放；7. 信号处理机采用高可靠的工控机作为主机，可输出视频信号进行实时录像；8.Windows Embedded操作系统。 性能特点：1.工作频率： 678kHz2kHz ；2.波束开角：水平 2.2，垂直 约22；3.扫描步距角：0.45；4.扫描范围：0150 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）彩色图像声纳设备功能及性能特点,二 彩色图像声纳,联接及拆卸步骤 联接步骤：
33、连接水下电缆与声纳头 连接过渡缆与水下电缆缆车 连接主机与过渡缆 连接电源线与主机 连接电源线与电源插座 通电。 注意事项：1.设备连接前应进行检查，确保各部件完备完好；2.连接设备时应断电操作；3.连接水密插头座和航空插头座时应遵循相应的步骤和要求；4.连接及搬运过程中应确保人身安全和设备安全。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,联接及拆卸步骤 拆卸步骤： 声纳头快出水前断电 断开电源线与电源插座 从主机上拆下电源线 从主机上拆卸过渡缆 从水下电缆缆车上拆下过渡缆 清洁水下电缆及声纳头并冲淡 从声纳头上拆下水下电缆。 注意事项：1.设备拆卸前应关断电源并拔除电源线；2.声纳
34、头及水下电缆应进行冲淡处理并擦拭干洁后再拆卸装箱；3.拆卸水密插头座和航空插头座时应遵循相应的步骤和要求；4.拆卸及搬运过程中应确保人身安全和设备安全。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,水密插头座的连接拆卸技巧 步骤：先对准止口插入硫化头，再按步骤重复顺时针扭压盖和插入硫化头的动作，直到可靠上紧！拆卸水密插头时，先拉硫化头，后松金属压盖，同样是不断重复直到卸下水密插座。以上过程不可用力过猛！ 注意事项：连接前，应仔细检查水密插头及插座，确认针孔对应，排除可能存在的异物、破损、进水、变形等故障，以保证水下电缆的连接可靠！拆卸前应进行冲淡处理并擦拭干洁，不可带电拆卸，以免造成设
35、备及人员伤害。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,水密插头的连接及拆卸,二 彩色图像声纳,航空插头座的连接拆卸技巧 步骤：先对准止口插入航空插头，再顺时针拧动螺套，直到可靠上紧！拆卸航空插头时，逆时针拧动螺套直到卸下航空插座。 注意事项：连接前，应确认针孔、类型对应，仔细检查插头及插座，排除可能存在的异物、破损、进水、变形等故障，以保证电缆的连接可靠！拆卸前应断电，以免造成设备及人员伤害。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,航空插头的连接与拆卸,二 彩色图像声纳,拖鱼的安装使用,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,拖鱼的安装使用 在彩色图像声纳的使用过程中，应避免声纳头以及声纳
36、主机发生磕碰、损伤，对于声纳专用水下电缆与声纳头、主机的连接部分应严格按照操作说明完成电气、机械连接，任何不标准的操作都可能对关键连接器件造成不可修复的损伤！水密插头座在连接时必须保证无异物、无水分、无损伤，以确保水密连接可靠！彩色图像声纳的专用水下电缆只作为传输信号使用，不能用于承重，在吊放声纳头及拖鱼的过程中，应避免水下电缆承载声纳头及拖鱼的重量！ 拖鱼布放应使用专门的承重缆绳，并要保证专用水下电缆不承受重量！ 专用水下电缆的水密插头一端采取了防止水下电缆及水密插头插座连接处承受外力的设计，如图所示，固定在水下电缆水密插头一端的专用防受力高强度缆绳： 每次使用拖鱼都必须将防止水密插头座连接
37、处受力的高强度缆绳固定到拖鱼的吊环上，以不使水下电缆受力为宜，即在高强度缆绳拉紧时连接段的水下电缆仍能保持松弛。当水下电缆或拖鱼遇到意外情况受力时（如拖鱼受到撞击或者水下电缆意外缠绕），高强度缆绳能够保护水密插头座连接处不因外力冲击而损伤或毁坏。拖鱼的承重吊缆在拖鱼布放、使用时承受拖鱼与声纳头的全部重量，专用水下电缆不承受重量！,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,声纳头零方位的确定 声纳头0 方位：声纳头的0位方向其实是指，当面板上扫描中心为0时，声纳启动后声纳头开始转动的起始位置。这是一个为了方便判别声纳扫描方位而设定的零位，是一个用于参考的相对位置。 。 注意事项：不同类
38、型声纳头的0位方向可能会有所不同，应根据实际情况来判别。 0 方位的作用：声纳头的0位方向的设定主要是为了方便目标与声纳头之间的相对方位的判定，与罗经的意义不同，但作用类似。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,声纳头零方位的确定 DFIS-I声纳头0 方位：声纳头两个水密插座连线的垂向，朝向深度传感器的一端为声纳头扫描的0方位，它对应于扫描中心为0时的换能器面的法线方向。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,声纳头零方位的确定 CIS-2000声纳头0 方位：声纳头两个水密插座连线的垂向，朝向深度传感器的一端为声纳头扫描的0方位，它对应于扫描中心为0时的换能器
39、面的法线方向。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,声纳头零方位的确定 另一种确定声纳头扫描的0方位的方法是： (1) 将声纳的工作方式开关拨至极坐标； (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）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,声纳头零方位的确定 声纳头固定在载体上时的0方位的方法：,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,声纳头磁罗经的使用 声纳头磁罗经：声纳头的磁罗经对应大地真北所确定的方向坐标 。磁罗经安装在声
40、纳头中，用于声纳头在水下的方向指示。磁罗经使用时要求周围没有铁磁物体形成的磁场干扰。 磁罗经的校准：声纳头的磁罗经校准功能对用户是关闭的，由于校准时对环境的要求较高，且需要校准设备，一般需要返场校准。 磁罗经的精度：声纳头的磁罗经的精度约为10，我们将不断提高磁罗经的精度。 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）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,声纳数据的记录 CIS-2000：2005年以后生产的设备都配备硬盘，具备本机记录数据的功能。同时还可以通过声纳记录软件利用计算机进行同步记
41、录。 DFIS-I：可以保存到本机，也可以保存到外接的移动存储介质。 TKIS-I：保存到本机或移动存储介质。 注意事项：DFIS-I的数据不能保存到C盘，以免造成设备系统崩溃。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,声纳数据的记录 系统进入工作状态后，将用于声纳资料存储的USB设备（通常是U盘）插入主机面板USB接口，并在软件里设置将声纳记录路径为该USB设备。推荐使用Sandisk的高速USB设备。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,警告！ 严禁将声纳数据保存到系统C盘！任何对C盘的操作可能导致严重的系统崩溃，请勿更改、删除C盘的任何文件，同时严禁向C盘写入任何文件！请将重要
42、资料保存到USB设备！,二 彩色图像声纳,声纳操作 系统开机：按照说明将声纳各系统连接好，并将声纳头置于水中。当系统安装就绪后声纳即可进入工作。在打开声纳电源前，应首先检查电源电压是否正常。正常的电源电压应在180V 240V之间，过高的电源电压会损坏声纳系统。 增益调整：声纳图像的彩色和亮度（当前的调色板为彩色表。对于黑白表则为灰度和亮度。）反映了声信号回波的强弱。回波越强，图像的亮度就越高，彩色就越鲜艳。增益旋钮控制系统的增益；增益太低，反射本领较弱的目标就不能显示出来；增益太高，则系统的输出噪声增加，使得目标难以分辨。 转动增益旋钮，仔细观察声纳图像的变化。操作时，将“作用距离”置于5米
43、档，工作方式选择为“PPI”。 增益的选择与声纳的工作距离也有很大的关系。一般在近距离(5 10米)作业时，可将增益设置在1/4满刻度以下；在中等距离(20 50米)作业时，可将增益设置在1/4满刻度左右；在远距离(100米)作业时，可将增益设置在1/4 1/2满刻度之间；在长电缆工作时，应相应提高增益。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,声纳操作 工作方式选择：根据声纳的用途来确定声纳的工作方式，DFIS-I声纳可用在水下载体导航、避碰、水下目标搜索、目标定位、测深等方面。 声纳具有四种工作方式：“PPI”、“扇扫”、“B扫”、“侧扫”。“PPI”方式用在全景搜索，声纳以载
44、体为中心进行360度搜索，该方式的主要优点是搜索范围大，但搜索同一目标的间隔时间较长，对声纳头的安装位置有特殊要求（载体不应影响声纳头换能器的波束）。在“PPI”方式下，声纳头的位置处于图像显示区的中心。 “扇扫”工作方式针对某一固定的扇面区域进行扫描，它与“扫描角度”、“扫描中心”配合使用。在导航、避碰等应用场合，感兴趣的区域一般都在载体的正前方，此时可将“扫描中心”设置在0，“扫描角度”设置在120进行扇扫。在水下目标搜索应用场合，在“PPI”方式下找到目标后，可调整载体的方位使得目标处于载体的正前方，然后再改用“扇扫”工作方式，为了加快扫描速度，可将“扫描角度”设置得小一点。“扇扫”工作
45、方式下，声纳头的位置处于图像显示区的边缘。改变“扫描角度”和“扫描中心”，声纳头的位置也将在显示区边缘上移动。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,声纳操作 工作方式选择：“B扫”工作方式是将声纳图像进行线性变换后显示在屏幕上，其结果使得近距离的目标被放大。当声纳接近目标时，将声纳作用距离设置为近距离工作状态（5 10米），此时“B扫”工作方式会显示出优越性，近距离的目标被放大后显示出来，可以更清楚地观察目标及其方位。值得注意的是，声纳图像是畸变的，并且显示的声纳图像不随中心角的变化而旋转，操作时应注意声纳当前的中心角度。该方式与“扫描角度”、“扫描中心”配合使用。 “侧扫”可
46、使声纳具有旁视的功能，也可用此方式测深。但作为图像声纳，一般很少用作测深，并且在测深工作时需将声纳头作水平安装。在“侧扫”方式下，图像作走航式移动，根据中心角度的不同分为左右舷。当声纳头朝右舷时，图像显示的原点位于图像显示区的左边，反之，图像显示的原点位于图像显示区的右边。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,声纳操作 作用距离选择：声纳的作用距离档的选择依赖于声纳的应用场合。对于较大目标的搜索，声纳的作用距离档一般应首先选择在最大作用距离档（200米档或100米档），以保证最有效的搜索半径。在声纳发现目标，逐步引导载体靠近后，应不断地改变作用距离档以提高声纳的扫描速度和目标的
47、分辨率。 当声纳用在避碰作业时，可根据载体的航行速度及要求的障碍物预警距离来确定声纳的作用距离档和扫描范围。一般地，载体的航速越快，要求声纳的扫描范围越小，作用距离越大。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,声纳操作 扫描速度选择：作为搜索、避碰声纳的应用场合，都希望声纳的扫描速度越快越好，但在单波束机械转动的声纳系统中，声音的传播速度制约了扫描速度的提高。本系统在保持声纳目标不丢失的情况下将声纳的扫描速度提高到了极限。设有：“特快”、“快速”，“中速”、“慢速”、“特慢”五档。 一般地，“中速”档的声纳图像已经比较细腻，对于要求图像质量较高的应用场合，可采用“中速”或“慢速”
48、档扫描；在要求扫描速度的应用场合，可采用“快速”甚至“特快”档扫描，它们在牺牲图像质量的基础上达到了扫描速度的提高，这两档扫描速度均不影响目标的搜索。在中、远距离工作时，建议使用“快速”或“特快”档扫描。 在较小的区域或比较浅的水域工作时，“特慢”档提供一种有力的手段来保证图像的清晰度，免受多次回波的影响。当然，会大大降低扫描速度。,（三）彩色图像声纳设备的操作使用,二 彩色图像声纳,声纳原理 彩色图像声纳是一种利用超声波进行水下目标探测的声学设备。它通过声纳头上的换能器发射出声波，声波在水下传播，遇到物体就会形成反射的回波，回波被换能器接收到以后，经信号处理后形成声纳图像，显示在主机屏幕上。 彩色图像声纳是一种机械扫描式声纳，声纳头上的换能器在处理主机的控制下，可以360度旋转扫描。换能器的旋转角度可以精确控制，换能器旋转到一个角度时，换能器发射出声波，在既定的量程里，反射回波被接收到后，换能器才旋转到下一个角度。这个时间非常短，足够声波到达目标并形成反射回波，并被换能器接收到。由于声波在水下传播的速度是已知的（约1500m/s），声波发射和接收到回波的时间也是已知的（信号处理计算得出），故而可以得出目标与换能器之间的距离。换能器连续转动，就可以得到目标的连续声纳影像。在这个影像中，可以得到目标与换能器的方位和距离。,
