高精度和高分辨率水下地形地貌探測技術(shù)綜述

宋帥 周勇 張坤鵬 范孝忠

摘要：為提高我國水下地形地貌探測技術(shù)水平，促進對海洋的科學認知和高效開發(fā)利用，文章綜述高精度和高分辨率水下地形地貌探測技術(shù)研發(fā)進展，并分析關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向。研究結(jié)果表明：采用機載激光、多波束、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面、雙頻識別聲吶、合成孔徑聲吶和水下三維掃描聲吶等探測技術(shù)以及無人船、水下機器人和海底觀測網(wǎng)等探測平臺，可獲取高精度和高分辨率水下地形地貌信息;應在提高設備性能、減小探測誤差和完善數(shù)據(jù)算法等方面加大研究力度，重點發(fā)展綜合探測技術(shù)，從而全面和清晰地反映水下地形地貌。

關(guān)鍵詞：水下探測;聲吶;多波束;海洋調(diào)查;水聲工程

中圖分類號：P71;TB56? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1005-9857（2019）06-0074-06

A Summary of High-precision and High-resolution Underwater Topography Detection Techniques

SONG Shuai1，ZHOU Yong2，ZHANG Kunpeng1，F(xiàn)AN Xiaozhong1

（1.Troop 32033，Haikou 571100，China;

2.Beijing Piesat Information Technology Co.，Ltd.，Beijing 100195，China）

Abstract：In order to improve the technology of underwater topography detection and promote the scientific recognition and efficient development and utilization of the ocean，this paper reviewed the research progress of high-precision and high-resolution underwater topography detection technology，and analyzed the developing prospect of key technologies.The results showed that high-precision and high-resolution underwater topographic information can be obtained by using airborne laser，multi-beam，side-scan sonar，shallow stratum profiler，dual-frequency recognition sonar，synthetic aperture sonar，underwater three-dimensional scanning sonar and other detection techniques，as well as unmanned ship，underwater vehicle and submarine observation network.For the purpose of detecting the underwater topography fully and clearly，it should strengthen the research on improving equipment performance，reducing detection errors and optimizing data algorithms，and focus on the development of comprehensive underwater detection technology.

Key words：Underwater detection，Sonar，Multi-beam，Ocean survey，Underwater acoustic engineering

隨著聲學尤其是多波束探測技術(shù)以及衛(wèi)星遙感和計算機等技術(shù)的進步，徹底改變水下地形地貌探測方式[1]，即采取數(shù)字化測量、自動化操作、智能化處理和可視化顯示等綜合技術(shù)，以各種平臺為載體，在不同深度水域，快速獲取高精度和高分辨率水下地形地貌信息[2]。其中，探測平臺包括衛(wèi)星、飛機、船舶、水下機器人和水下觀測網(wǎng)，探測深度包括淺層（水深小于200 m）、淺中層（水深200～2 000 m）和深層（水深大于2 000 m）。

1 探測技術(shù)

1.1 機載激光探測技術(shù)

與傳統(tǒng)的船載聲學探測技術(shù)相比，機載激光探測技術(shù)具有精度高、范圍大、密度大、周期短、成本低和機動性高等特點[3]，且具有淺層水域探測優(yōu)勢，探測深度最小可達0.15 m，有效填補近海探測的空白[4]。此外，最大探測深度為90 m[5]，精度通常小于0.3 m，測點密度最大可達0.12 m×0.12 m[2]。

自20世紀60年代起，中國、美國、加拿大、俄羅斯、法國、瑞典、荷蘭和澳大利亞等國家相繼開展機載激光探測技術(shù)研究，常見的機載激光探測系統(tǒng)如表1所示。

機載激光探測技術(shù)在獲取淺層水域尤其是近海的高精度和高分辨率水下地形地貌信息方面具有廣闊的應用前景，目前我國在該領(lǐng)域仍未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但已研發(fā)多代樣機并開展多次探測實驗，實驗結(jié)果符合預期，發(fā)展?jié)摿^大;但仍須突破若干關(guān)鍵技術(shù)，進一步提高探測精度，滿足IHO S-44一類標準的基本要求和探測任務的實際需求[4]。

（1）定位和定向技術(shù)。機載激光探測技術(shù)對探測點的精確定位和定向通常通過高精度航空遙感運動補償姿態(tài)系統(tǒng)（POS）實現(xiàn)，目前我國相關(guān)研究已取得突破性進展，如基于濾波器建模的時延補償法的對稱8點減振慣性敏感組件結(jié)構(gòu)、采用偽距和偽距率的緊耦合導航系統(tǒng)以及適用于PPP/INS緊密組合的前后向平滑算法，都可有效提高POS的精度和穩(wěn)定性[5]。

（2）波浪和潮汐修正技術(shù)。黃謨濤等[6]和胡善江等[7]研究并總結(jié)無修正法、濾波法和慣導輔助修正法3種波浪和潮汐修正方法，利用平均海平面的高程計算探測點的海底高程，解決探測瞬時海面與深度基準面的相互轉(zhuǎn)換問題，從而提高探測精度。

（3）探測精度評估技術(shù)。對探測數(shù)據(jù)誤差的分析和校正是獲取高精度和高分辨率水下地形地貌信息的關(guān)鍵，黃謨濤等[6]和歐陽永忠等[8]對深度歸算技術(shù)的研究，為評估探測精度提供參考。

（4）多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)。在處理探測數(shù)據(jù)的過程中，須對航線邊緣的覆蓋探測、不同時間的分段探測和多種設備的組合探測等的多源數(shù)據(jù)進行精度補償，從而提高整體探測精度。

1.2 多波束探測技術(shù)

多波束探測技術(shù)采用較窄波束的條帶式探測和寬扇面的覆蓋探測、高密度的探測點云、集成化的組合系統(tǒng)、結(jié)合傳感器的姿態(tài)修正以及聲速剖面的聲線修正，具有探測范圍大、速度快、效率高和精度高等顯著優(yōu)勢，保障高精度和高分辨率水下地形地貌信息的獲取。

根據(jù)波束形成的原理，多波束探測系統(tǒng)可分為電子多波束探測系統(tǒng)和相干多波束探測系統(tǒng)。與電子多波束探測系統(tǒng)接收多個波束相比，相干多波束探測系統(tǒng)通過回波角度的相位獲取數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)快速采集和處理的特點。適用于不同水域深度的多波束探測系統(tǒng)如表2所示。

多波束探測技術(shù)是獲取高精度和高分辨率水下地形地貌信息的最重要的聲學探測技術(shù)之一，基于應用需求，須從硬件設備和軟件數(shù)據(jù)2個方面著手，取得突破性的研究進展和技術(shù)創(chuàng)新。其中，對采集數(shù)據(jù)的后期處理是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括聲速剖面處理技術(shù)、異常數(shù)據(jù)檢測和處理技術(shù)以及條帶數(shù)據(jù)拼接處理技術(shù)等[10]。

（1）聲速剖面處理技術(shù)。聲速剖面處理是多波束探測數(shù)據(jù)處理中的重要環(huán)節(jié)之一。由于海水具有非均質(zhì)性，聲線在海水不同介質(zhì)層間發(fā)生折射而彎曲，不僅影響探測深度（聲線的傳播距離），而且影響探測結(jié)果，且越往條帶邊緣處聲線的彎曲越明顯，影響也越大。趙建虎等[11]和丁繼勝等[12]提出采用實測聲速、溫度和鹽度的剖面數(shù)據(jù)，建立聲線跟蹤模型和計算公式，從而減小聲線彎曲造成的誤差，提高探測精度和分辨率。

（2）異常數(shù)據(jù)檢測和處理技術(shù)。受海風和海浪等海洋環(huán)境、船身震動、環(huán)境噪聲和氣泡等因素的影響，采集的原始數(shù)據(jù)難免存在異常，對異常數(shù)據(jù)的檢測和處理決定探測結(jié)果的真實性和可靠性。此外，在數(shù)據(jù)量極大的情況下，人-機交互的數(shù)據(jù)處理方式可靠性較高但效率較低。目前CUBE算法[13]取得極大的研究進展，并在異常數(shù)據(jù)檢測和處理中得到廣泛應用。在實際應用中，采用人-機交互和智能算法相結(jié)合的方式可獲得更好的效果。

（3）條帶數(shù)據(jù)拼接處理技術(shù)。為實現(xiàn)對水下地形地貌的全覆蓋探測，相鄰條帶的邊緣一般有所重疊。受隨機誤差和環(huán)境干擾等因素的影響，條帶邊緣重疊區(qū)的數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生明顯誤差。因此，須建立相應的精度補償模型，基于多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，采用誤差驗后補償理論和兩步平差計算方法，實現(xiàn)條帶數(shù)據(jù)的合理拼接處理[14]。

1.3 側(cè)掃聲吶探測技術(shù)

側(cè)掃聲吶探測技術(shù)根據(jù)回聲探測儀的工作原理，利用聲線的反向散射信號獲取水下地形地貌信息，并生成直觀反映水下微地形地貌的圖像，同時還可根據(jù)海底回波的強度定性分析海底底質(zhì)成分。側(cè)掃聲吶可分為船載式和拖曳式，其中船載式側(cè)掃聲吶的探測幅度寬和效率高，但分辨率較低;拖曳式側(cè)掃聲吶可根據(jù)探測任務的需求調(diào)節(jié)拖體距水底的高度，以獲取高精度和高分辨率水下地形地貌信息。

傳統(tǒng)的電子型側(cè)掃聲吶的正下方存在探測盲區(qū)，而相干型側(cè)掃聲吶結(jié)合條帶探測手段，可通過聲線回波的相位精確定位探測點，并可提高探測精度。但水深大于200 m時，相干型側(cè)掃聲吶的探測效果不如電子型側(cè)掃聲吶[2]。

側(cè)掃聲吶探測的最大有效作用距離取決于聲吶設備的工作頻率，探測分辨率則與脈沖寬度（距離分辨率）和水平波束開角（水平分辨率）有關(guān)。常見的側(cè)掃聲吶探測系統(tǒng)如表3所示（不同探測頻率條件下）。

側(cè)掃聲吶探測技術(shù)具有造價較低、分辨率高和可連續(xù)獲取二維海底圖像等優(yōu)勢，得到廣泛應用。拖曳式側(cè)掃聲吶的拖體須盡可能地貼近海底，因而探測效率較低;同時，為保障拖體的安全，作業(yè)航速不能過快，進一步限制探測速度。

1.4 淺地層剖面探測技術(shù)

淺地層剖面探測技術(shù)基于水聲學原理，利用聲線反射，連續(xù)走航式探測海底地形地貌、淺層沉積地層和基底、特殊目標以及淺表層災害地質(zhì)體，具有效率高、分辨率高和成本低等優(yōu)勢，且探測所得的聲學記錄剖面在形態(tài)上與真實地質(zhì)剖面極其相近。

隨著非線性聲線傳播技術(shù)[15]和實時海底追蹤時延記錄技術(shù)等的發(fā)展，淺地層剖面探測技術(shù)實現(xiàn)高精度和高分辨率水下地形地貌探測，并應用到深層水域。常見的淺地層剖面探測系統(tǒng)如表4所示。

海底底質(zhì)、環(huán)境噪聲和船身震動等都會干擾淺地層剖面探測，為保障獲取高精度和高分辨率水下地形地貌信息，須減小甚至消除這些因素的影響，可采用直達波、多次波和側(cè)反射等方法[16]進行分析和校正，并改變聲源和接收基陣的指向等。此外，根據(jù)應用需求，淺地層剖面探測技術(shù)也應有所突破，如：采用超寬頻技術(shù)，解決分辨率與地層穿透深度之間的沖突，提高在深層水域的探測能力;與多波束探測技術(shù)和側(cè)掃聲吶探測技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)三維探測;進一步提高探測精度和效率[17]。

1.5 雙頻識別聲吶探測技術(shù)

雙頻識別聲吶具有較高的分辨率，利用聲學透鏡折射率大和聚焦短的特點形成較窄波束，最大限度地減小傳播損失，可在能見度極低的水下生成接近光學照片的高質(zhì)量圖像，相當于高性能水下攝影機。常見的雙頻識別聲吶探測系統(tǒng)如表5所示。

雙頻識別聲吶探測系統(tǒng)在獲取高精度和高分辨率水下地形地貌信息的過程中，對聲吶信號的處理和分析尤為重要，其影響因素主要包括海水介質(zhì)、海底底質(zhì)、海面影響、環(huán)境噪聲和設備條件等[18]。除盡可能地消除這些干擾外，對聲吶數(shù)據(jù)的后期處理也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可采用特征圖像配準法[19]實現(xiàn)對圖像的無縫拼接，使圖像直觀、清晰和完整。

受聲吶有效作用距離和作業(yè)航速的影響，雙頻識別聲吶探測技術(shù)適用于對確定目標的精確探測，而不適用于大范圍和較粗略的目標探測。

1.6 合成孔徑聲吶探測技術(shù)

合成孔徑聲吶探測技術(shù)利用小孔徑的聲吶換能器陣，通過運動形成虛擬大孔徑，經(jīng)延時補償生成較均勻的高分辨率圖像，適用于對水下地形地貌的全覆蓋探測，且可提取確定目標的精確信息和完成三維成像。由于合成孔徑聲吶的分辨率與探測頻率和距離無關(guān)，可比常規(guī)聲吶高出1～2個數(shù)量級。常見的合成孔徑聲吶探測系統(tǒng)如表6所示。

中國科學院聲學研究所于2000年成功研發(fā)國內(nèi)第一代合成孔徑聲吶。李海森等[20]研究多波束合成孔徑聲吶的機理，結(jié)合多波束探測技術(shù)和合成孔徑成像技術(shù)，很好地解決了側(cè)掃聲吶探測精度較低和存在探測盲區(qū)等問題。

為獲取高精度和高分辨率水下地形地貌信息，合成孔徑聲吶探測技術(shù)仍須改進，如：對于水聲信道穩(wěn)定性和時空相關(guān)性以及物體散射性等造成的干擾，可通過對目標回波信號的相位補償減小或消除;對于載體平臺，可通過慣性導航設備的姿態(tài)補償以減小誤差;對于較低的作業(yè)航速，可采用多重接收基陣提高探測效率;對于數(shù)據(jù)后期處理，須完善多子陣成像算法、運動補償模型和自聚焦算法[21]。1.7 水下三維掃描聲吶探測技術(shù)

水下三維掃描聲吶探測系統(tǒng)類似于三維激光掃描探測系統(tǒng)，但其利用聲吶設備發(fā)射聲線，通過對回波信號的接收和處理，實現(xiàn)三維成像和定位。與常規(guī)聲吶相比，水下三維掃描聲吶可在水下實時探測，并生成較完整、精確、清晰和立體的高分辨率三維圖像;而與三維激光掃描相比，水下三維掃描不受水體能見度的影響，即可在能見度極低的情況下生成高質(zhì)量圖像[22]。常見的水下三維掃描聲吶探測系統(tǒng)如表7所示。

通過水下三維掃描聲吶探頭的轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)水平方向360°和豎直方向130°的立體掃描探測[2]，獲取高精度和高分辨率的水下地形地貌信息，但須關(guān)注聲吶設備的固定和聲速剖面的精度補償。

2 探測平臺

常規(guī)的船載式探測不能最大限度地發(fā)揮探測設備的優(yōu)勢和性能，在中深層水域探測中的劣勢尤其明顯。為解決這一問題，一系列探測平臺不斷涌現(xiàn)。

2.1 無人船

載人船通常不便進入淺層水域和島礁區(qū)水域，而無人船可通過搭載單波束探測儀、淺水多波束探測儀和側(cè)掃聲吶等設備，與母船協(xié)同作業(yè)，高效完成探測任務。無人船的探測效果取決于其搭載設備的性能，通過對數(shù)據(jù)的后期處理，獲取高精度和高分辨率水下地形地貌信息。

隨著定位、導航、控制和自動化等技術(shù)的快速發(fā)展，無人船可通過遙控或自主的方式，連續(xù)走航式探測水下地形地貌。由于無人船具備自動GPS導航和自動規(guī)避障礙物等功能，可提前設定或隨時接收探測任務，隨后自動完成任務，極大地保障工作人員的安全和效率。

2.2 水下機器人

水下機器人是水下地形地貌探測的重要平臺，具有中深層水域探測優(yōu)勢，主要分為無纜自治潛水器（AUV）、載人潛水器（HOV）和纜控潛水器（ROV）。

水下機器人可作為搭載各種設備的移動平臺，獲取高精度和高分辨率水下地形地貌信息，其性能主要體現(xiàn)在下潛深度、續(xù)航時間和航行速度等方面。目前水下機器人的最大下潛深度可達6 000米級（AUV）、7 000米級（HOV）和11 000米級（ROV），提高續(xù)航能力是關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.3 海底觀測網(wǎng)

通過在海底鋪設以光纜和接駁盒連接的傳感器，形成海底觀測網(wǎng)，從而實時、在線和長期探測海底地形地貌和監(jiān)測海洋環(huán)境[22]。其中，采用光-電復合纜連接海底觀測設備和陸地基站的海底觀測網(wǎng)，適用于離岸較近的海域，具有數(shù)據(jù)傳輸較快的優(yōu)勢，但造價較高;無纜連接的海底觀測網(wǎng)通過電池供電，并通過海面浮標發(fā)送衛(wèi)星數(shù)據(jù)，適用于離岸較遠的海域，且造價較低，但電力供應和數(shù)據(jù)傳輸受限較大。

海底觀測網(wǎng)可為其他探測技術(shù)提供基站，如為水下機器人提供中轉(zhuǎn)平臺和蓄能服務等，實現(xiàn)大范圍、長期性和立體化的海底地形地貌探測。

3 結(jié)語

為滿足軍用或民用需求，開展高精度和高分辨率水下地形地貌探測研究具有重要的戰(zhàn)略意義和廣闊的應用前景。未來應重點發(fā)展多維度、多設備、多來源和多手段的探測技術(shù)，盡可能真實、完整、全局和精確地反映水下地形地貌，為進一步的研究和應用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

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