側掃聲吶技術及在海洋測繪中的應用探討

孫麗平

摘 要：該文以側掃聲吶技術在海洋測深中的應用為研究對象，論文首先探討了側掃聲吶測深的優(yōu)點和國內發(fā)展現(xiàn)狀，進而分析了國產(chǎn)側掃聲吶HRBSSS的工作原理和數(shù)據(jù)處理流程，在此基礎上，結合某具體案例分析了該系統(tǒng)的測深精度。

關鍵詞：側掃聲吶技術 海洋測繪 數(shù)據(jù)處理 測深精度評估

中圖分類號：P714 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（a）-0088-02

1 研究背景

地球表面近70%的面積被海洋所覆蓋，因此海洋的戰(zhàn)略地位和蘊含的潛在經(jīng)濟價值正越來越受到人們的重視。相對于陸地而言，海底可能蘊藏著更加豐富的資源，為了合理地開發(fā)這些資源，就需要對海底的地形地貌有一個全面的了解，這是建設海洋工程、開發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋科學研究、維護海洋權益等各種海洋活動的基礎，但如何去了解海底地形地貌呢？眾所周知，在陸地上可以利用衛(wèi)星遙感，紅外遙感等方法來獲得地表的地形地貌，但在海洋中這些方法卻行不通，因為電磁波在水中衰減太快，幾乎傳播不到海底就衰減完了，所以無法用電磁波來探測海底的地形地貌。聲波和電磁波雖然都是波，存在很多類似的地方，但海水對它們的吸收系數(shù)卻很不一樣，聲波在海水中衰減較小，可以在海水中傳播得較遠，所以理論上可以用聲波來探測海底的地形地貌。

基于聲波這樣一種優(yōu)良的性質，人們利用聲學原理，并結合信號處理技術和圖像處理技術，研制出側掃聲納來探測海底的地貌，形成能反映海底地貌的側掃聲圖。后來又有人提出多波束測深聲納，用來測量海底的深度，從而獲得海底地形。相對于傳統(tǒng)的單波束測深聲納而言，多波束測深聲納不僅大大提高了測深效率，并且能得到直觀的海底三維地形圖。

側掃聲納的優(yōu)點：（1）橫向分辨較高，能得到高分辨率的二維海底地貌圖；（2）可以根據(jù)海底回波強度信息定性分析海底介質的組成；（3）價格便宜，安裝簡單。缺點：不能得到直觀的三維地形圖，不能精確地測出海底深度。

在測深側掃技術方面，國內從事測深側掃聲納研制的單位更是少之又少，僅有聲學所從20世紀80年代開始開展測深側掃聲納相關理論研究，形成了一套包括模型、信號處理技術、聲納陣設計、誤差分析與精度評估在內的較完整的高分辨率測深側掃聲納的理論體系，用于指導聲納設計。2007年，在國家海洋資源開發(fā)技術主題支持的背景下，聲學所率先自主研制出了高分辨測深側掃聲納HRBSSS，該系統(tǒng)具有分辨率高、功耗低、體積小等特點，適于安裝在拖曳體、水下機器人、遙控潛水器等多種載體上，可應用于海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)、海洋工程、海洋開發(fā)以及水中目標探測等領域。

2 HRBSSS工作原理與主要誤差源

中科院聲學所研制的第三代HRBSSS工作原理見圖1，其聲納陣沿載體長軸安裝于載體兩側，每側由一條發(fā)射線陣和八條接收線陣組成。

兩側發(fā)射陣同時發(fā)射信號，經(jīng)海底散射后的回波信號分別被八條接收陣接收。

由采樣點時刻計算信號傳播時延基于八通道接收數(shù)據(jù)的空間關系估計波達方向，之后利用回波入射角、時延以及聲速計算測深點相對于載體的水平距離和深度，再結合載體定位和姿態(tài)數(shù)據(jù)最終得到測深點的經(jīng)緯深。

HRBSSS主要誤差源包括：姿態(tài)傳感器輸出延遲及其與換能器陣相對高度和相對角度偏差、換能器陣幅相誤差、表面聲速和聲速剖面誤差、深度傳感器與換能器陣相對高度偏差、定位數(shù)據(jù)誤差和輸出延遲、定位系統(tǒng)與換能器陣相對位置偏差以及信號處理方法誤差等。

其中姿態(tài)類誤差、幅相誤差、聲速類誤差及定位誤差對測深結果影響較大，通常為主要校準對象。

3 HRBSSS數(shù)據(jù)處理與偏差校準

為降低HRBSSS測深誤差，需進行系統(tǒng)偏差校準工作，前期測量和標定工作主要包括：標定換能器幅相誤差，測量定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、深度傳感器與換能器陣的相對位置以及換能器陣安裝角度；利用示波器和處理程序確定聲納頻率參數(shù)與預期一致； 靜態(tài)采集定位數(shù)據(jù)確定定位精度。此后需在試驗海區(qū)測量近期表面聲速與聲速剖面，并完成多組參數(shù)校準所需測線，包括：平坦區(qū)域軌跡平行的S形測線，相鄰測線50%覆蓋，用于roll偏差校準；有明顯坡度區(qū)域兩條重合反向測線用于pitch偏差校準； 有突出孤立標志物區(qū)域兩側平行反向測線用于heading偏差校準； 平坦區(qū)域十字測線用于幅相誤差校準。測深數(shù)據(jù)處理及參數(shù)校準流程見圖2，因多種參數(shù)誤差互相作用，采用循環(huán)校準策略，直到各參數(shù)的校準量收斂到某個值，才認為得到校準結果。最后利用校準量修正參數(shù)獲得最終測深結果。

4 實驗數(shù)據(jù)測深精度評估

該文實際對安裝于DTA-6000聲學深拖系統(tǒng)的HRBSSS進行了測深數(shù)據(jù)精度評估。

2009年DTA-6000在南海某區(qū)域進行作業(yè)，水深約5 000 m，單條測線覆蓋寬度需求為 250 m×2。分析單Ping測深數(shù)據(jù)，精度評估結果見圖2。圖2（a）為單Ping測深結果，可見測深數(shù)據(jù)能夠滿足單側250 m覆蓋需求。圖2（b）所示為每2 m范圍內測深標準差，在此基礎上計算得左、右舷標準差均值均為0.09 m。進一步計算相對測深精度，得出95% 置信度下左、右舷相對測深精度均優(yōu)于0.75%，即HRBSSS聲納自身在測線250 m×2覆蓋范圍內符合IHOS-44特級標準。

參考文獻

[1] 高俊濤.高分辨率測深側掃聲納參數(shù)修正和系統(tǒng)偏差校正方法研究[D].北京：中國科學院研究生院，2008.

[2] 楊玉春.測深側掃聲納關鍵技術研究[D].北京：中國艦船研究院，2014.