深水多波束測深系統(tǒng)現(xiàn)狀及展望

張同偉，秦升杰，唐嘉陵，王向鑫

(1. 國家深?；毓芾碇行?，山東 青島 266237； 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

海洋科學(xué)研究、資源調(diào)查與開發(fā)、工程建設(shè)及軍事等活動都需要準(zhǔn)確地獲取所關(guān)注區(qū)域內(nèi)的海底地形地貌信息，并將其作為基礎(chǔ)資料與支撐依據(jù)。因此，如何去了解海洋地形地貌信息，對海洋地形地貌信息進(jìn)行有效的測繪，獲取海洋地形地貌信息圖譜，成了海洋研究中的重要問題[1-5]。

不同于傳統(tǒng)單波束測深技術(shù)[6]，多波束測深系統(tǒng)是一種進(jìn)行海洋水底資源開發(fā)的新手段[7-12]。它不但可以獲得采樣點(diǎn)的位置和深度信息，而且能夠根據(jù)不同物質(zhì)對聲波的回波強(qiáng)度，探測海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)海底底質(zhì)分類。此外，多波束測深系統(tǒng)對海底實(shí)施的是一種全覆蓋測量，所提取的信息不但反映了海底的地形地貌變化情況，還能給出水體特征。因此，深水多波束測深系統(tǒng)在深海海底地形測繪、海洋資源探測、天然氣水合物探測、地球物理探測等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

本文首先介紹了深水多波束測深的基本原理和系統(tǒng)組成，然后系統(tǒng)介紹了L3 ELAC Nautik、Teledyne(原ATLAS)和Kongsberg等公司的3款典型深水多波束測深系統(tǒng)，并分析了國內(nèi)發(fā)展情況，最后展望了深水多波束測深系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 多波束測深系統(tǒng)原理和組成

1.1 基本原理

多波束測深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的海底被測點(diǎn)的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。

多波束測深系統(tǒng)的波束形成原理可以分為兩種：束控法(在特定角度下，測量反射信號的往返時間)和相干法(在特定時間下，測量反射回波信號的角度)。在多波束測深系統(tǒng)中主要有兩個待測變量，即斜距或聲學(xué)換能器到海底每個點(diǎn)的距離和從換能器到水底各點(diǎn)的角度。所有的多波束測深系統(tǒng)利用束控法和相干法中的一種或兩種來測定這些變量。

1.2 系統(tǒng)組成

現(xiàn)代多波束測深系統(tǒng)主要包括：多波束聲學(xué)系統(tǒng)(聲吶信號處理系統(tǒng)、發(fā)射/接收換能器、顯控系統(tǒng))、軟件系統(tǒng)(數(shù)據(jù)后處理軟件、導(dǎo)航采集軟件)、外圍輔助傳感器(羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器、聲速計(jì)、驗(yàn)潮儀、GPS/水下導(dǎo)航系統(tǒng)等)。

目前國外深水多波束測深技術(shù)比較成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)深水多波束測深系統(tǒng)的產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化、系列化。國際上主要的深水多波束測深系統(tǒng)生產(chǎn)廠商主要有：L3 ELAC Nautik、Teledyne(ATLAS)和Kongsberg等幾家公司。表1給出了典型深水多波束測深系統(tǒng)的對比。

表1 典型深水多波束測深系統(tǒng)對比

2 幾款典型深水多波束測深系統(tǒng)

2.1 L3 ELAC Nautik公司的SeaBeam 3012

SeaBeam 3012是ELAC公司的最新一代深水多波束測深系統(tǒng)，其工作頻率為12 kHz，工作水深50～11 000 m，波束數(shù)301個，最小波束寬度1°×1°，具有等角和等距兩種波束間隔，最大覆蓋寬度5.5倍水深，最大工作速度可達(dá)12節(jié)。SeaBeam 3012采用先進(jìn)的波束掃描專利技術(shù)，可以完全進(jìn)行艏搖、縱橫搖運(yùn)動補(bǔ)償。它是世界上唯一能在所有水深下進(jìn)行實(shí)時全姿態(tài)運(yùn)動補(bǔ)償?shù)娜Ｑ笊疃榷嗖ㄊ鴾y深系統(tǒng)。新的波束掃描技術(shù)包括寬覆蓋、淺水近場聚焦、多脈沖、線性調(diào)頻等特性，使其性能遠(yuǎn)超過其他常規(guī)扇區(qū)掃描技術(shù)。

SeaBeam 3012系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集測深信息、后向散射數(shù)據(jù)、水體數(shù)據(jù)、側(cè)掃聲吶圖像等，并以良好的視覺形式將測量結(jié)果呈現(xiàn)在操作員面前。在深海海底地形測繪、海底構(gòu)造研究、海洋資源探測、天然氣水合物探測、地球物理探測等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

SeaBeam 3012多波束測深主系統(tǒng)由水下的發(fā)射、接收換能器陣，水面的接收發(fā)射單元，數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)后處理計(jì)算機(jī)組成。輔助配套設(shè)備有表面聲速儀、光纖羅經(jīng)運(yùn)動傳感器、不間斷電源、聲學(xué)同步器、圖形顯示器和后處理計(jì)算機(jī)等。

2.2 Teledyne公司的HydroSweep DS

Teledyne HydroSweep DS屬于第三代全海深多波束測深系統(tǒng)，其工作頻率為14～16 kHz，工作水深10～11 000 m，波束數(shù)320個，最小波束寬度0.5°×1°，具有等角和等距兩種波束間隔，最大覆蓋寬度5.5倍水深，最大工作速度可達(dá)10節(jié)。它可以持續(xù)不間斷獲得較高要求的海底數(shù)據(jù)，其特點(diǎn)在于水柱、后向散射和沉積物分析。在接收端，每次發(fā)射被分解成320個接收波束。

為了克服傳統(tǒng)陣列孔徑的限制，HydroSweep DS采用了一種獲得過專利的接收波束形成技術(shù)，即高階波束形成。至于水深數(shù)據(jù)，它可以實(shí)現(xiàn)掃描的角度高達(dá)140°(5.5倍水深)，分解成960個窄波束。聲學(xué)足跡設(shè)為等距或等角度模式，以適應(yīng)特定的調(diào)查需要。它具備多頻發(fā)射功能，可同時發(fā)射和接收多種頻率，而傳統(tǒng)的測深儀通常只能進(jìn)行單頻循環(huán)。多頻大幅度提升了調(diào)查效率，特別是當(dāng)在船舶航跡方向提高到0.5°波束精度時，為了確保實(shí)現(xiàn)100%海底無縫覆蓋，該船只的速度將被限制為4海里/h或更低。但是，運(yùn)用多頻發(fā)射，為了獲得較高的波束分辨率，可以保持船只高速航行，或在不需要達(dá)到很高精度的情況下，甚至可以提高船速?？臻g分辨率為各種廣泛應(yīng)用提供了最大的操作和科研價(jià)值。圖1給出了HydroSweep DS的系統(tǒng)組成框圖。

圖1 Teledyne(ATLAS) HydroSweep DS系統(tǒng)組成框圖

2.3 Kongsberg公司的EM122

EM 122是Kongsberg公司新一代深海多波束測深系統(tǒng)，其工作頻率為12 kHz，工作水深20～11 000 m，波束數(shù)288個，最小波束寬度0.5°×1°，具有等角、等距和加密3種波束間隔，最大覆蓋寬度6倍水深，最大工作速度可達(dá)16節(jié)。系統(tǒng)采用高效降噪前放、頻率編碼分組波束、縱橫搖和艏搖主動波束轉(zhuǎn)向等技術(shù)，保證獲得最大的海底覆蓋寬度。在提高測量精度和分辨率上，系統(tǒng)采用相位和振幅檢測結(jié)合技術(shù)及聲源級多向分別自動控制技術(shù)。系統(tǒng)具有覆蓋扇面和波束指向角可隨水上變化而自動變化、等距波束、集成海底聲學(xué)圖像和聲速剖面內(nèi)插等功能，能在一個航次之內(nèi)獲得最大的測量效益。

2.4 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聯(lián)合國內(nèi)幾家單位共同研制了國內(nèi)第一套深水多波束測深系統(tǒng)，在西太平洋獲得了6000 m海域海底地形地貌圖，并在國家“863”計(jì)劃重大項(xiàng)目“海底觀測網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)”進(jìn)行了實(shí)際試驗(yàn)性應(yīng)用，完成了相應(yīng)調(diào)查工作。該系統(tǒng)擁有波束數(shù)289個，波束寬度1°×2°，最大覆蓋寬度6倍水深，具備發(fā)射三維姿態(tài)穩(wěn)定、接收橫搖穩(wěn)定和邊緣波束發(fā)射線性調(diào)頻功能，可滿足20～11 000 m全海深海底地形地貌探測的需求。

3 深水多波束測深系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

通過對國內(nèi)外典型深水多波束測深系統(tǒng)的比較分析，以及參考其他一些系統(tǒng)，可以得出深水多波束測深系統(tǒng)的發(fā)展趨勢為更高的測深分辨率、更高的測深精度、更大的覆蓋范圍、更強(qiáng)的水體探測和更便捷的探測成圖。

3.1 更高的測深分辨率

多波束測深分辨率是指多波束測深系統(tǒng)在海底空間三維方向上所能分辨的相鄰兩個目標(biāo)點(diǎn)的最小間隔，它決定了水下小目標(biāo)及復(fù)雜地形的精細(xì)探測能力。影響多波束測深分辨率的因素主要有脈沖寬度、ping采樣率、波束寬度、航速等。如HydroSweep DS可以配備波束寬度為0.5°×1°的發(fā)射/接收換能器陣，每次發(fā)射可以獲得320個反饋波束(硬波束)，又通過高階波束形成技術(shù)分解成960個水深點(diǎn)；其2倍多頻發(fā)射使得接收波束的數(shù)量加倍達(dá)到640個，水深點(diǎn)加倍到1920個，大大提高了測深分辨率。

3.2 更高的測深精度

深海多波束測深系統(tǒng)最重要的用途是深海海底地形測繪，測深精度無疑是衡量其性能的核心指標(biāo)。國際水道測量組織第44號特別出版物第一條對測深的準(zhǔn)確性有專門的規(guī)定，對測量的水深數(shù)據(jù)分別進(jìn)行聲速折射補(bǔ)償、運(yùn)動姿態(tài)補(bǔ)償和潮位補(bǔ)償。聲速可以通過表面聲速計(jì)實(shí)時獲取表面聲速，并結(jié)合可拋棄式全海深聲速計(jì)定期獲得全海深聲速剖面，提供聲速折射補(bǔ)償準(zhǔn)確性；運(yùn)動傳感器可以提供發(fā)射陣和接收陣的三維偏移參數(shù)，其中發(fā)射波束將進(jìn)行縱搖、橫搖和艏搖校正，接收波束進(jìn)行橫搖校正；針對深遠(yuǎn)海缺乏潮位站支持的情況，利用GPS載波相位測量技術(shù)確定潮位的瞬時變化，對測深數(shù)據(jù)進(jìn)行潮位補(bǔ)償。

3.3 更大的覆蓋范圍

多波束測深覆蓋范圍直接決定了多波束測深系統(tǒng)的測繪效率。它一般用幾倍水深覆蓋(5～6)或條帶扇面角度(140°)來表示，但是在深海情況下，受雙程傳播衰減的影響，外側(cè)(小掠射角)信號的信噪比很低、波形展寬嚴(yán)重，因此覆蓋范圍又受最大覆蓋寬度(30 km)的制約。通過對發(fā)射陣和接收陣的陣型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并使用寬帶信號可以提高外側(cè)信號的信噪比；使用寬帶信號也能抑制波形展寬的問題；采用新的目標(biāo)方位估計(jì)方法(如多子陣檢測方法)則可以提高外側(cè)信號的方位估計(jì)精度。

3.4 更強(qiáng)的水體探測

當(dāng)來自海底地層之下的氣體或流體以噴溢或滲漏的形式進(jìn)入海底附近，形成與周圍海水物理性質(zhì)相異的羽狀、柱狀、鞭狀等各種形狀的局部異常海水。羽狀流可以作為海底熱液、冷泉和天然氣水合物探測的重要標(biāo)志。只有當(dāng)深水多波束測深系統(tǒng)具備強(qiáng)大的水體探測能力時，才能探測水體里的異常特征體，實(shí)現(xiàn)大面積的無縫海底羽狀流探測，并對海底以上一定水深范圍的海水進(jìn)行全覆蓋三維立體探測。

3.5 更便捷的探測成圖

船載多波束測深系統(tǒng)一般全程工作，每個航次/航段都要生成大量的探測數(shù)據(jù)，達(dá)上百GB，甚至更多。雖然商業(yè)化的多波束測深系統(tǒng)都配備相應(yīng)的成圖軟件，但是仍需要大量的人為干預(yù)，不同經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理人員的處理結(jié)果可能不完全相同。面對如此龐大的數(shù)據(jù)量，應(yīng)建立統(tǒng)一的多波束測深數(shù)據(jù)成圖標(biāo)準(zhǔn)，盡量減少人為因素影響，提高成圖軟件的智能化、可靠性和便捷化。

4 結(jié) 語

隨著深海開發(fā)技術(shù)的不斷完善，人們越來越深入地探索著海洋底部無窮無盡的資源，所采用的研究手段也越來越多，如載人潛水器、ROV、AUV、水下滑翔機(jī)、深拖系統(tǒng)、電視抓斗及其他探測設(shè)備。這些探測裝備開展水下探測的前提條件是詳細(xì)了解探測區(qū)域的海底地形圖。多波束測深系統(tǒng)稱為海洋地形探測的主要技術(shù)手段，在海洋資源調(diào)查和科學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。

雖然世界上有多家公司和科研院所可以提供成熟的系列化深水多波束測深系統(tǒng)，但是隨著科學(xué)與技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類對深水多波束測深技術(shù)也提出了越來越高的要求。

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