一、工作原理
SONIC 2020 是一种基于第五代声呐架构 的多波束回声测深系统，其核心设计理念是将处理器和控制器嵌入声呐头，简化系统安装与集成。系统主要由以下组件构成：
1. 系统组成
- 声呐头（Sonar Head）：包含发射器、接收器、波束成形器和底部检测模块。
- 声呐接口模块（SIM）：负责供电、时间同步、传感器数据集成、命令转发和数据路由。
- Sonic Control 图形用户界面（GUI）：运行于 Windows 系统的控制软件，通过以太网与 SIM 通信。
2. 工作流程
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发射阶段：
- 用户通过 Sonic Control 设置工作频率（200--400 kHz，可选 700 kHz）、脉冲长度、功率等参数。
- 发射器产生连续波脉冲，通过复合陶瓷换能器转换为声能，以宽幅覆盖（最大 130°）向海底发射。
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接收阶段：
- 海底反射的声能被接收器阵列捕获，转换为电信号。
- 信号传入湿控制器板，由 FPGA 进行实时波束成形与底部检测。
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数据处理与输出：
- 检测到的海底点（距离与方位）通过以太网传输至 SIM。
- SIM 集成 GPS 时间、运动数据、声速数据，并将多波束数据发送至数据采集计算机。
二、算法原理
1. 波束成形（Beamforming）
- 采用数字波束成形技术 ，通过对各接收单元信号施加时间延迟，实现声束的电子转向。
- 波束成形依赖于声速在接收面的准确值，由声速探头实时提供。
2. 底部检测（Bottom Detection）
- 在 FPGA 中实时处理，支持两种模式：
- 等角模式（Equiangular）：波束等角度分布。
- 等距模式（Equidistant）：波束等距离分布，适用于平坦海底。
- 支持双/四模式（Dual/Quad Mode），通过逐脉冲微调波束位置，提高空间采样密度。
3. 超高清模式（Ultra High Density, UHD™）
- 每脉冲最多可输出 1024 个真实海底点，通过高分辨率信号处理在波束脚印内搜索多个反射点。
- 适用于高密度测绘，不推荐用于垂直面测绘。
4. 多模式操作（MultiMode）
- 多光谱模式（MultiSpectral Mode™）：逐脉冲切换频率（最多5个），用于优化背向散射数据。
- 管道模式（Pipeline Mode）：在 UHR（700 kHz）与标准模式间切换，兼顾管道与海底的高分辨率测绘。
5. 运动补偿
- 横摇/纵摇稳定：通过运动传感器数据实时补偿船体运动。
- 俯仰稳定：通过电子转向抵消纵摇，最大补偿角度随频率变化（400 kHz 时为 ±10°）。
三、通信协议解析
1. 系统通信架构
- 全部通信基于以太网（100/1000Base-T），使用 TCP/IP 与 UDP 协议。
- SIM 作为通信枢纽，连接声呐头、Sonic Control GUI、数据采集计算机及各类传感器。
2. 控制命令协议
- 命令以二进制数据包形式通过以太网发送至声呐头或 SIM。
- 端口号 ：
- 声呐头默认 IP：
10.0.0.86，基础端口：65500 - SIM 默认 IP：
10.0.0.99，基础端口：65500
- 声呐头默认 IP：
- 命令类型 ：
- 设置频率、功率、脉冲长度、波束角、采样模式等。
- 触发控制、固件更新、系统状态查询等。
3. 上行数据格式
- 数据通过 UDP 广播或多播发送至采集计算机。
- 主要数据类型与端口 ：
- 测深数据（Bathymetry）：基础端口 + 0（默认 4000）
- 片段数据（Snippets）：基础端口 + 6（默认 4006）
- 水柱数据（Water Column）：基础端口 + 5（默认 4005）
- TruePix™ 数据：基础端口 + 1（默认 4001）
- 声呐状态、SIM 状态、设备状态等。
4. 传感器接口
- GPS 时间同步：支持 NMEA ZDA 或 Trimble UTC 消息，配合 PPS 脉冲实现微秒级时间戳。
- 运动传感器：支持 TSS1、IXSea $PHOCT、MiniPOS3 等格式，最高 100 Hz 更新率。
- 声速探头：支持 Valeport miniSVS、SeaBird、SVP-C 等多种格式，通过串口或以太网输入。
5. 网络配置与发现机制
- 使用 Discover 功能自动识别声呐头与 SIM 的序列号并分配 IP。
- 支持双计算机配置，可实现控制与采集分离。
- 集成惯性导航系统（I2NS）时，INS 默认 IP 为
10.0.0.44，通过专用 UDP 端口（5606）输出姿态与位置数据。
四、总结
SONIC 2020 是一款高度集成、软件定义的多波束声呐系统，其核心特点包括：
- 实时可调频率与波束角，适应不同水深与测绘需求。
- 嵌入式处理，减少外部硬件依赖。
- 丰富的操作模式（UHD、MultiMode、FLS 等），支持多样化测绘任务。
- 标准化以太网通信，便于集成与扩展。
- 完善的传感器支持与时序同步，保障数据精度。