側(cè)掃聲吶技術(shù)及其在海洋測繪中的應(yīng)用探討

徐樂+王藝聰

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，海洋測繪領(lǐng)域掀起了新的技術(shù)應(yīng)用熱潮，高分辨率測深側(cè)掃聲納技術(shù)便是其中一種，其不僅成本低、易操作，且安裝方便。因此，被廣泛應(yīng)用于海洋測繪事業(yè)。為了對(duì)側(cè)掃聲吶技術(shù)及其在海洋測繪中的應(yīng)用進(jìn)行研究，論文通過概述側(cè)掃聲吶與海洋測繪的概念與特點(diǎn)，分析了側(cè)掃聲吶的工作原理、主要誤差源以及側(cè)掃聲吶的數(shù)據(jù)處理與參數(shù)校準(zhǔn)。

【Abstract】With the continuous development of science and technology， the field of marine surveying and mapping has set off a new wave of technological applications. One of them is high resolution bathymetric side-scan sonar technology， it is not only low cost， easy to operate， but also easy to install. Therefore， it is widely used in marine surveying and mapping. In order to study the side-scan sonar technology and its application in oceanographic mapping. By summarizing the concept and characteristics of side-scan sonar and ocean surveying and mapping， the working principle， main error sources， data processing and parameter calibration of side-scan sonar are analyzed in this paper.

【關(guān)鍵詞】側(cè)掃聲吶技術(shù)；海洋測繪；參數(shù)校準(zhǔn)

【Keywords】side-scan sonar technology； marine surveying and mapping； parameter calibration

【中圖分類號(hào)】TB2 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）12-0150-02

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展與工業(yè)化建設(shè)的不斷加快，很多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海洋測繪設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，且現(xiàn)階段的海洋測繪設(shè)備已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。側(cè)掃聲吶技術(shù)作為一種新型海洋測繪技術(shù)，也是現(xiàn)代化海洋測繪技術(shù)的典型代表。基于此，論文對(duì)側(cè)掃聲吶技術(shù)及在海洋測繪中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

2 概念闡述

2.1 側(cè)掃聲吶的概念與優(yōu)點(diǎn)

側(cè)掃聲吶又稱海底地貌儀，其本質(zhì)即借助回聲測深原理，對(duì)海底的地貌以及水下物體設(shè)備進(jìn)行探測，其工作頻率一般處在幾十千赫與幾百千赫之間，而其測繪儀器的有效作用范圍在300米至600米之間。側(cè)掃聲吶在進(jìn)行近程探測的過程中，儀器具有較高的分辨率。而用于深海地質(zhì)探測的側(cè)掃聲吶儀器的工作頻率，達(dá)到了幾千赫，其探測距離能夠達(dá)到20公里左右。側(cè)掃聲吶的換能器陣位于拖拽體或者船殼之內(nèi)，在走航的過程中朝兩側(cè)的下方發(fā)生聲脈沖，一般情況下聲脈沖為扇形的波束。側(cè)掃聲吶能夠利用聲波，對(duì)海面、海底、水體的介質(zhì)性質(zhì)以及聲學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，其主要組成部分包括數(shù)據(jù)的顯示與記錄單元、數(shù)據(jù)的傳輸單元、水下聲波發(fā)射器、拖拽電纜以及接收換能器。

側(cè)掃聲吶的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三方面：①可以利用海底回波強(qiáng)度信息，對(duì)海底介質(zhì)的組成情況進(jìn)行定性的分析；②具有較高的橫向分辨率，可以獲得分辨率較高的、二維的海底地貌圖；③安裝便捷、難度低，且成本低廉。但是，側(cè)掃聲吶也存在明顯的缺點(diǎn)，即無法獲得直觀的、三維的地形圖，海底深度測量的精度也比較低。

2.2 海洋測繪概念與特點(diǎn)

海洋測繪指的是將海底或者海洋水體作為研究對(duì)象，開展的一系列測量以及海圖編制的工作。海洋測繪既是測繪這一學(xué)科的重要組成部分，同時(shí)也是一門綜合性學(xué)科，涉及很多相關(guān)學(xué)科知識(shí)。海洋測繪的基本方法包括兩種，其一路線測量也稱剖面測量，主要應(yīng)用于測量海區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造以及地球物理場的特征；其二面積測量，即根據(jù)設(shè)計(jì)的成圖比例尺，布置一定距離的測線網(wǎng)進(jìn)行測量。海洋測繪的主要測繪對(duì)象是海洋，而海洋與陸地最大的不同，即海洋的底部之上覆蓋著一層富含各種無機(jī)物與生物的水體，這一水體使得海洋測繪相比于陸地測繪，具有如下特點(diǎn)：①海洋測繪只能通常在飛行或者海面航行中進(jìn)行，而水下開展測繪的難度較大；②海洋測繪的主要測量內(nèi)容包括海底地貌、沉船以及礁石等。雖然海底地貌相對(duì)簡單，但相比于陸地測繪，海洋測繪的難度更大。

3 側(cè)掃聲吶的工作原理以及主要誤差源

論文以側(cè)掃聲吶HRBSSS為例，對(duì)側(cè)掃聲吶的工作原理以及主要誤差源進(jìn)行研究。側(cè)掃聲吶HRBSSS是一種高分辨測深系統(tǒng)，不僅分辨率較高，且功耗低、體積小，主要應(yīng)用于水下機(jī)器人、拖拽體等載體上，用來探測水下目標(biāo)以及海洋開發(fā)、海洋工程建設(shè)、海洋礦產(chǎn)資源的開發(fā)等行業(yè)。

3.1 側(cè)掃聲吶的工作原理

側(cè)掃聲吶HRBSSS系統(tǒng)的工作原理詳見圖1。該系統(tǒng)的聲吶陣置于載體的兩側(cè)，載體的每一側(cè)均由發(fā)射線陣與接收線陣構(gòu)成。工作過程中，首先由載體兩側(cè)的發(fā)射陣發(fā)射聲波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)由海底散射之后，由接收陣負(fù)責(zé)接收回波信號(hào)。之后，根據(jù)采樣點(diǎn)的時(shí)刻，通過相應(yīng)計(jì)算得出信號(hào)傳播時(shí)延，再根據(jù)通道接收數(shù)據(jù)的空間關(guān)系，對(duì)波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)，在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)回波入射角、申訴以及時(shí)延進(jìn)行計(jì)算，得出測深點(diǎn)與載體之間的深度、水平距離。最后，根據(jù)載體的實(shí)際定位與相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出測深點(diǎn)的經(jīng)緯度。endprint

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圖1 側(cè)掃聲吶HRBSSS系統(tǒng)工作原理圖

3.2 側(cè)掃聲吶的主要誤差源

側(cè)掃聲吶HRBSSS系統(tǒng)的主要誤差源分為以下幾種：其一，換能器陣幅相誤差；其二，姿態(tài)傳感器輸出存在延遲，以及姿態(tài)傳感器與換能器陣二者之間的相對(duì)角度與相對(duì)高度存在誤差；其三，換能器陣與深度傳感器之間存在相對(duì)高度的偏差；表面聲速與聲速的剖面誤差；其四，定位數(shù)據(jù)存在偏差、信號(hào)處理方法導(dǎo)致的誤差；最后，換能器陣與定位系統(tǒng)之間相對(duì)位置存在偏差。其中，聲速誤差、幅相誤差、定位誤差以及姿態(tài)內(nèi)誤差，是測深結(jié)果準(zhǔn)確性的主要影響因素，一般情況下，需要對(duì)上述誤差進(jìn)行主要校準(zhǔn)。

4 側(cè)掃聲吶的數(shù)據(jù)處理以及偏差的校準(zhǔn)

由于側(cè)掃聲吶HRBSSS系統(tǒng)存在一定的測深誤差，故在測繪工作完成之后，需要對(duì)系統(tǒng)偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。初始階段的測量與標(biāo)定工作主要包括以下幾方面：第一，準(zhǔn)確標(biāo)定出換能器存在的幅相誤差，同時(shí)對(duì)定位系統(tǒng)、深度傳感器以及姿態(tài)傳感器相對(duì)于換能器陣的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括換能器陣的安裝角度。第二，通過相應(yīng)的處理程度以及示波器，對(duì)聲吶頻率參數(shù)是否與最先預(yù)想的相同，進(jìn)行判斷。第三，靜態(tài)采集定位數(shù)據(jù)信息，找準(zhǔn)定位精度。在此基礎(chǔ)上，需要在一塊試驗(yàn)海區(qū)內(nèi)，進(jìn)行近期海面表面聲速以及聲速剖面的測量，同時(shí)完成多組校準(zhǔn)參數(shù)需要的測線，主要包括具有明顯坡度區(qū)域的兩條重合反向測線，這一測線主要用于pitch偏差的校準(zhǔn)工作；平坦區(qū)域與軌跡平行的S形測線，這一測線主要用于roll偏差的校準(zhǔn)；平坦區(qū)域十字測線，這一測線主要用于幅相誤差的校準(zhǔn)工作；具有突出的、孤立的、標(biāo)志物區(qū)域平行反向測線，這一測線主要用于heading偏差的校準(zhǔn)工作。由于多種客觀存在的參數(shù)誤差的相互作用，故側(cè)掃聲吶HRBSSS系統(tǒng)在進(jìn)行偏差校準(zhǔn)時(shí)，需要采用循環(huán)校準(zhǔn)策略，校準(zhǔn)工作需要持續(xù)到各項(xiàng)參數(shù)的校準(zhǔn)量均收斂到某一個(gè)值為止，這時(shí)便認(rèn)為得到了合理的校準(zhǔn)結(jié)果。在校準(zhǔn)工作完成后，需要利用校準(zhǔn)量對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行修正，進(jìn)而獲得較為理想、準(zhǔn)確的測深結(jié)果。通過實(shí)際應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)掃聲吶HRBSSS系統(tǒng)具有較高的可應(yīng)用性，不僅測繪覆蓋面廣，測繪精度相對(duì)準(zhǔn)確，并且操作簡單、方便，值得廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)語

海洋測繪是一項(xiàng)關(guān)系著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要工作。隨著經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，國際競爭愈發(fā)激烈，這種情況下，行業(yè)測繪事業(yè)成了國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要推進(jìn)內(nèi)容。側(cè)掃聲吶技術(shù)作為一種新型的測繪技術(shù)，不僅操作簡便、成本低廉，且具有較強(qiáng)的時(shí)代性，是我國科學(xué)技術(shù)與社會(huì)進(jìn)步的一種具體體現(xiàn)，將其應(yīng)用于海洋測繪事業(yè)中，有利于進(jìn)一步促進(jìn)海洋事業(yè)的發(fā)展。論文從側(cè)掃聲吶以及海洋測繪的概念與特點(diǎn)入手，以HRBSSS系統(tǒng)為例，對(duì)側(cè)掃聲吶的工作原理以及主要誤差源進(jìn)行綜合分析，在此基礎(chǔ)上，深入研究了側(cè)掃聲吶的數(shù)據(jù)處理以及偏差的校準(zhǔn)工作，以期進(jìn)一步提高側(cè)掃聲吶技術(shù)在海洋測繪事業(yè)中的應(yīng)用水平，進(jìn)而推動(dòng)我國海洋測繪領(lǐng)域的全面發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

【1】王愛學(xué)，張紅梅，王曉，等.側(cè)掃聲吶條帶數(shù)據(jù)處理及其無縫成圖[J].測繪地理信息，2017，42（01）：26-29+33.endprint