國產(chǎn)高精度寬覆蓋多波束系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用

金永新　劉佳　羅宇

摘要：響應(yīng)我國大力發(fā)展藍(lán)色經(jīng)濟空間的政策，突破數(shù)字波束形成、高精度底檢測、自適應(yīng)底跟蹤技術(shù)、深度修正等關(guān)鍵技術(shù)，研制國產(chǎn)淺海多波束測深儀，并集成多GNSS接收機、姿態(tài)儀、涌浪儀等輔助傳感器，形成了完整的淺海多波束測深儀解決方案，促進(jìn)了國產(chǎn)高端海洋探測裝備的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：國產(chǎn) 多波束 測深 高精度 底檢測 波束形成 深度修正

中圖分類號：P229 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）04（a）-0018-04

21世紀(jì)以來，國際社會上向海洋進(jìn)軍成為世界主要沿海國家重大的戰(zhàn)略選擇。黨中央、國務(wù)院對加快海洋經(jīng)濟發(fā)展高度重視，提出建設(shè)海洋強國的宏偉目標(biāo)，實施海洋開發(fā)成為國民經(jīng)濟發(fā)展的重要任務(wù)?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》明確提出拓展藍(lán)色經(jīng)濟空間，堅持陸海統(tǒng)籌，發(fā)展海洋經(jīng)濟，科學(xué)開發(fā)海洋資源，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，維護(hù)海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強國?！秶鴦?wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》明確提出“高端裝備制造業(yè)要大力發(fā)展海洋工程設(shè)備”。

海底地形測量是一切海洋工程活動的基礎(chǔ)，它最基本的任務(wù)，就是測量海水的深度，測繪海底地形圖（水深圖）。特別是《聯(lián)合國海洋法公約》頒布以來，海洋測繪和調(diào)查的意義己不再局限于航行安全與科學(xué)研究，它更迫切、更直接地關(guān)系到海底資源的歸屬和國家的主權(quán)和尊嚴(yán)。因此，各海洋大國都竭盡全力開展以大陸架為主的各種“海洋測繪工程”，海底地形地貌的測量更加頻繁。在這種背景下，具有高效率、高精度、高分辨率的海底地形測繪設(shè)備-多波束測深系統(tǒng)應(yīng)運而生，并已在人類認(rèn)識和開發(fā)海洋的進(jìn)程中發(fā)揮越來越重要的作用。因此，迫切需要開發(fā)我國自己的多波束測深系統(tǒng)”掌握自主知識產(chǎn)權(quán)高端海洋探測技術(shù)，并進(jìn)行大規(guī)模的商用，具有國家安全戰(zhàn)略層面的意義。

1.多波束系統(tǒng)研發(fā)國內(nèi)外現(xiàn)狀

多波束測深系統(tǒng)是一種多傳感器的復(fù)雜組合系統(tǒng)，高度集成了現(xiàn)代信號處理技術(shù)、高性能計算機技術(shù)、高分辨顯示技術(shù)、高精度導(dǎo)航定位技術(shù)、數(shù)字化傳感器技術(shù)等相關(guān)高新技術(shù)。自70年代問世以來就一直以系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和技術(shù)含量高著稱。當(dāng)前，國際多波束測量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為：體積重量小型化、數(shù)據(jù)高密度和高精度化、數(shù)據(jù)處理通用化。

到目前為止，世界上僅有美國、丹麥、德國、挪威等少數(shù)發(fā)達(dá)國家能夠生產(chǎn)取得規(guī)?；瘧?yīng)用。由于種種原因，我國自行研制的多波束系統(tǒng)并沒有真正大規(guī)模商用，使得我國現(xiàn)階段使用的多波束系統(tǒng)主要依靠從國外購買，不但購買時價格昂貴，而且使用過程中維修、定期標(biāo)定、甚至安裝等都需返回原廠或者國外的技術(shù)支持，費用高、周期長。商用化的多波束核心技術(shù)受制于人，極大限制了我國海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.多波束系統(tǒng)構(gòu)成與關(guān)鍵技術(shù)

該項目以研發(fā)小型化、高測量效率、高測量精度、高分辨率的海底地形測量系統(tǒng)為目標(biāo)，具體設(shè)計如下。

2.1總體架構(gòu)設(shè)計

多波束測深系統(tǒng)由顯控計算機、接口盒、聲納濕端以及軟件系統(tǒng)組成（見圖1）。

聲納濕端完成聲信號的發(fā)射、接收、采集和預(yù)處理，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)從聲納濕端傳送給顯控計算機。在顯控計算機對數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理，并結(jié)合傳感器系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，獲得海底深度信息。軟件系統(tǒng)完成顯示控制和數(shù)據(jù)處理。其中聲納濕端包含發(fā)射模塊和接收模塊，其中發(fā)射模塊由發(fā)射換能器和發(fā)射電子艙組成，發(fā)射電子系統(tǒng)安放在電子艙中；接收模塊由接收換能器和接收電子艙組成，接收電子系統(tǒng)安放在電子艙中。同時，多波束可以集成了北斗定位定向儀、姿態(tài)傳感器、羅經(jīng)、表面聲速儀、聲速剖面儀、地面三維激光掃描儀等多種傳感器，一體化測量快速獲得水上水下目標(biāo)數(shù)據(jù)（見圖2）。

軟件模塊主要包含顯控軟件和信號處理軟件，主要實現(xiàn)信號處理、實時控制、實時顯示和數(shù)據(jù)管理功能。用于控制聲納濕端的工作參數(shù)和工作狀態(tài)，實時接收、處理聲納原始數(shù)據(jù)，存儲聲納原始數(shù)據(jù)到本地硬盤，實時解算測深深度，顯示測量水域的海底聲圖；軟件系統(tǒng)也能對本地硬盤聲納原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行回放，以備查詢詳細(xì)的歷史數(shù)據(jù)（見圖3）。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1高精度底檢測技術(shù)

多波束系統(tǒng)的信號處理過程可以簡述為：首先將接收數(shù)據(jù)利用波束形成得到預(yù)成波束數(shù)據(jù)，利用底檢測技術(shù)估計波達(dá)時間與方向，再利用輔助傳感器獲得的姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行運動補償，同時利用聲速剖面信息進(jìn)行聲速修正，最終得到海底深度信息，底檢測模塊是測深算法的核心（見圖4）。

系統(tǒng)采用幅度檢測方法和相位檢測方法聯(lián)合測定回波的到達(dá)時刻（TOA）和方位（DOA），以保證大開角工作情況下，邊緣波束的檢測能力。其中幅度檢測方法由加權(quán)能量中心時間法（WMT--Weight Mean Time）和角度方位估計法（BDI-Bearing Direction Indicator）組成。在回波方向在25°以內(nèi)采用WMT幅度檢測，大于25°采用相位檢測（見圖5）。

WMT處理方法是根據(jù)波束輸出定義一系列波束角度，首先在制定波束時間片上將幅度進(jìn)行內(nèi)插，然后通過對幅度進(jìn)行加權(quán)來估計這些角度回波的TOA。

（1）幅度內(nèi)插。

假設(shè)一制定的波束角為θ n，經(jīng)過橫搖修正后得到其相鄰的兩個方向角θ n-1和θ n+1，對θ n-1和θ n+1兩個方向的回波信號幅度進(jìn)行拋物線內(nèi)插，即可得到θ n方向的回波信號幅度值，如圖6。

（2）幅度加權(quán)估計TOA。

將時間片上對應(yīng)方向的各時間點的幅度進(jìn)行內(nèi)插，然后按照時間先后順序排列，根據(jù)起始門、終止門來剔除媚外的數(shù)據(jù)，然后利用公式（1）對門內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均求得TOA（見圖7）。

BDI與WMT的區(qū)別在于其估計每一波束真實回波方位，特別適用于非鏡像區(qū)域的信號處理。處理流程如圖8。

利用BDI處理技術(shù)能在邊緣波束上得到較為穩(wěn)定的時間方位估計，但在中間區(qū)域的估計結(jié)果誤差較大。所以尋求WMT與BDI聯(lián)合估計的底檢測方法，能夠適應(yīng)波束大開角的系統(tǒng)設(shè)計要求。下圖對比了同一組數(shù)據(jù)系統(tǒng)底檢測處理結(jié)果與國外設(shè)備處理結(jié)果的對比圖，可以看出自研設(shè)備與國外設(shè)備處理結(jié)果非常一致（見圖9）。

2.2.2自適應(yīng)底跟蹤技術(shù)

自適應(yīng)底跟蹤技術(shù)是測深系統(tǒng)的關(guān)鍵，通過設(shè)定合理的跟蹤窗，可以濾除來自水流、魚群等的干擾回波信號，提高多波束測深系統(tǒng)測深結(jié)果的穩(wěn)定性。波束形成、信號檢測算法和濾波算法。

系統(tǒng)依據(jù)海底的坡度走勢和深度以及當(dāng)前跟蹤效果，采用粒子濾波算法，設(shè)計合理的跟蹤策略，實現(xiàn)自適應(yīng)底跟蹤。

圖10是海底劇烈起伏狀態(tài)下的自適應(yīng)跟蹤曲線，可以看出雖然海底起伏比較大，但是跟蹤門仍然準(zhǔn)確有效（見圖10）。

2.2.3深度修正技術(shù)

海水中的聲速是受到溫度、深度、鹽度等因素水平分層變化的影響也近似為水平分層變化，存在聲速方向的聲速梯度，導(dǎo)致海水中的聲線軌跡發(fā)生彎曲。如果采用近似的恒定聲速，必然帶來測深誤差和對應(yīng)海底的位置誤差，達(dá)不到精確測量海底深度的目的（見圖11）。

系統(tǒng)依據(jù)snell定律，采用聲線跟蹤技術(shù)實現(xiàn)海底深度修正（見圖12）。

在將波達(dá)時間和方位轉(zhuǎn)化為海底的深度信息時，盡管對中間波束來說，把聲線徑跡近似地視為直線是合適的，但對于邊緣波束而言，聲線彎曲是比較明顯的。需要利用海區(qū)的聲速剖面信息，利用全射線跟蹤技術(shù)，由傳播時間重新建立海底深度值。

由此得到海底對應(yīng)點的真實深度，以及它和測量船的水平偏移距離。

圖13中是下方的曲線是經(jīng)過深度修正后的湖上試驗結(jié)果。

2.3輔助傳感器集成

為了達(dá)到良好的測深效果，淺水多波束測深儀系統(tǒng)還需要搭配聲速剖面儀、表面聲速儀、RTKGPs、姿態(tài)傳感器等。該系統(tǒng)通過硬件時鐘同步，輔助傳感器與聲學(xué)數(shù)據(jù)的同步精度可以達(dá)到1 ms，完全可以滿足高精度水深測量的要求。

3.展望應(yīng)用領(lǐng)域與市場

該文介紹了國產(chǎn)高精度淺海多波束測深儀系統(tǒng)，其波束扇形開角為160°，波束數(shù)256個，斜距分辨率為3.75 cm，是一種具有高測量效率、高測量精度、高分辨率的淺海海底地形測量設(shè)備。特別適合于大面積的掃海測量作業(yè)、海洋資源調(diào)查、海底地形可視化測量、水下打撈，可在海洋測繪、海洋工程建設(shè)、海洋資源開發(fā)、海洋科學(xué)研究、維護(hù)海洋權(quán)益等領(lǐng)域得到廣泛而深遠(yuǎn)的應(yīng)用，有利于支撐我國海洋戰(zhàn)略。