三維合成孔徑聲吶在海底掩埋目標(biāo)探查中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

郎誠 茅克勤 向蕓蕓

摘要：為提高我國海底掩埋目標(biāo)的探查技術(shù)，以適應(yīng)不斷發(fā)展的探測(cè)需求，文章綜述了現(xiàn)有三維合成孔徑聲吶在海底掩埋目標(biāo)探查中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。結(jié)果表明：盡管三維合成孔徑聲吶在海底掩埋目標(biāo)探查中具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是由于技術(shù)難度大、復(fù)雜程度高，可提供成熟商用設(shè)備的單位僅有兩家，中科探海研發(fā)的三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)多項(xiàng)核心技術(shù)指標(biāo)領(lǐng)先。運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)和補(bǔ)償技術(shù)，掩埋目標(biāo)特征提取和識(shí)別分類算法，多通道大規(guī)模數(shù)據(jù)并行處理算法等關(guān)鍵技術(shù)將成為三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：掩埋目標(biāo)；合成孔徑聲吶；三維S A S；海底探測(cè)裝備；聲學(xué)成像

中圖分類號(hào)： TH 7 6 6； T B 5 6 5 . 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 1-0 0 4 9-0 4

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“土地資源約束下海島系統(tǒng)的適應(yīng)性管理研究”（ 4 1 5 0 6 1 4 0） ；自然資源部第二海洋研究所及中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（ J G 1 7 1 9）.

T h eA p p l i c a t i o n sa n dP r o s p e c t o f3 DS y n t h e t i cA p e r t u r eS o n a r S y s t e mi nB u r i e dT a r g e t sD e t e c t i o n

L AN GC h e n g1，MAOK e q i n1， X I AN GY u n y u n2

（ 1. Z h e j i a n gA c a d e m yo fM a r i n eS c i e n c e， H a n g z h o u3 1 0 0 0 0， C h i n a； 2 . S e c o n dI n s t i t u t eo fO c e a n o g r a p h y，MN R， H a n g z h o u3 1 0 0 1 2， C h i n a）

A b s t r a c t： F o r t h ep u r p o s eo f i m p r o v i n gt h ed o m e s t i ct e c h n o l o g yo nb u r i e dt a r g e t sd e t e c t i o n， a n d m a t c h i n g i n c r e a s i n gd e m a n d so fs u b m a r i n ed e t e c t i o n， t h i sp a p e rr e v i e w e dt h ea p p l i c a t i o n so f3 D s y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r s y s t e mo nb u r i e d t a r g e t sd e t e c t i o n， a n dp r o s p e c t e d t h e f u t u r ed i r e c t i o no f t h ec o r e t e c h n o l o g i e s .I tw a s f o u n dt h a t：t h e r ea r eo n l yt w oc o r p o r a t i o n sp r o v i d i n gd e v e l o p e d3 D S A Sd u et ot h eh i g hc o m p l e x i t ya n dd i f f i c u l t yi nd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t a t i o n， d e s p i t eo fi t s g r e a ta d v a n t a g e s i nb u r i e d t a r g e t sd e t e c t i o n；m a n yp a r a m e t e r s o f t h e 3 DS A Sp r o d u c e db yT - S E A M a r i n eT e c h n o l o g yC o . ， L t d .a r ea h e a do f t h ec o m p e t i t o r；m o t i o ne r r o r e s t i m a t i o na n dc o m p e n s a -t i o n， b u r i e dt a r g e t s f e a t u r ee x t r a c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h m， a n dm u l t i - c h a n n e l p a r a l l e l p r o -c e s s i n ga l g o r i t h mf o r l a r g e - s c a l ed a t aw o u l db e t h e f u t u r ed i r e c t i o no f 3 DS A S.

K e y w o r d s： B u r i e dt a r g e t s， S y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r， 3 DS A S， S u b m a r i n ed e t e c t i o n， A c o u s t i c a l i m a -g i n g

0 引言

隨著海洋科技和海洋經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展，對(duì)海洋的認(rèn)知和開發(fā)已遍布海洋的各個(gè)區(qū)域，對(duì)探查裝備的能力需求越來越高，要求探查裝備的探測(cè)能力從近海延展到中遠(yuǎn)海，從水中懸浮、沉底目標(biāo)擴(kuò)展到海底以下地質(zhì)層或掩埋物體。與此同時(shí)，隨著海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海底通信光纜、海底供電電纜、海島之間的輸水和輸氣等水下管道等鋪設(shè)量也越來越大，而且這些基礎(chǔ)工程都是關(guān)乎國計(jì)民生的重大事項(xiàng)?，F(xiàn)在海底管道和線纜均采用掩埋的方式鋪設(shè)，所以在后期的管纜路由探查和維護(hù)工作中，被掩埋的管纜目標(biāo)的精確探測(cè)需求越來越迫切。

目前，可用于掩埋目標(biāo)探查的技術(shù)主要包括淺地層剖面儀、二維合成孔徑聲吶和三維合成孔徑聲吶等[ 1-2]。淺地層剖面儀目前在傳統(tǒng)的作業(yè)方式中應(yīng)用最為廣泛[ 3-7]，但其主要問題在于開角非常窄，只能橫穿掩埋目標(biāo)作業(yè)。另外淺地層剖面儀對(duì)小的掩埋目標(biāo)（比如直徑2 0c m以內(nèi)的管纜、光纜、普通的掩埋目標(biāo)等）均無法探測(cè)。

合成孔徑聲吶的概念最早由美國的R a y t h o n公司在2 0世紀(jì)6 0年代提出[ 8]，其基本思想是對(duì)小孔徑基陣沿直線運(yùn)動(dòng)過程中記錄的接收信號(hào)進(jìn)行孔徑合成處理，從而達(dá)到虛擬大孔徑基陣的方位分辨力效果，在高分辨海底成像領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。

1 合成孔徑聲吶

1 . 1 二維合成孔徑聲吶

早期二維合成孔徑聲吶的研究主要集中于側(cè)掃式合成孔徑聲吶，只能形成目標(biāo)的二維圖像，無法給出深度信息[ 9]。而在海底掩埋目標(biāo)的位置探測(cè)時(shí)，掩埋目標(biāo)埋深這一判斷管纜目標(biāo)安全狀態(tài)的關(guān)鍵信息至關(guān)重要[ 1 0]。因此，二維合成孔徑聲吶在實(shí)際應(yīng)用中無法完全滿足工程需求。三維合成孔徑聲吶技術(shù)在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。

1 . 2 三維合成孔徑聲吶

三維合成孔徑聲吶技術(shù)最早由G r i f f i t h[ 1 1]通過干涉法在水池中試驗(yàn)成功，并逐步獲得研究學(xué)者的關(guān)注[ 1 2-1 4]。但是干涉式合成孔徑聲吶的三維圖像是通過多幅二維圖像重建獲得，并非目標(biāo)的真實(shí)三維成像，因此無法完成對(duì)目標(biāo)的高精度測(cè)深[ 1 5]。

2 1世紀(jì)初，為克服干涉式合成孔徑聲吶的這一缺點(diǎn)，日本學(xué)者A s a d a等[ 1 6]基于多波束測(cè)深聲吶技術(shù)，提出了多波束合成孔徑聲吶，并在試驗(yàn)中獲得了良好效果。國內(nèi)，哈爾濱工程大學(xué)和中國科學(xué)院也對(duì)三維合成孔徑聲吶技術(shù)開展了早期研究[ 1 7-1 8]，并奠定了一定的理論基礎(chǔ)。由于在三維成像上所具有的顯著優(yōu)勢(shì)，多波束合成孔徑聲吶使得海底掩埋目標(biāo)探查技術(shù)裝備的研究與開發(fā)重點(diǎn)聚焦于多波束合成孔徑聲吶。

2 三維合成孔徑聲吶在海底掩埋目標(biāo)探查

中的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于多波束合成孔徑聲吶在三維成像上的顯著優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于掩埋目標(biāo)探查的設(shè)備多基于多波束原理設(shè)計(jì)開發(fā)。目前成熟商用的三維合成孔徑聲吶僅有加拿大的P a n g e o公司的S B I（ S u bB o t t o m I m a g e r）型三維合成孔徑聲吶和我國中科探海海洋科技有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱中科探海）設(shè)計(jì)生產(chǎn)的下視三維合成孔徑聲吶。

2 . 1 S B I型三維合成孔徑聲吶

加拿大P a n g e o公司生產(chǎn)的S B I型三維合成孔徑聲吶，研發(fā)始于2 0 0 8年， 2 0 1 0年完成了對(duì)海底掩埋的高壓直流輸電（HV D C）電纜的驗(yàn)證，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示， 2 0 1 1年正式進(jìn)入商用領(lǐng)域，完成了大量的實(shí)際應(yīng)用。

S B I型三維合成孔徑系統(tǒng)采用5×8的水聽器陣列，可4～1 4k H z多個(gè)頻段掃描探測(cè)，可安裝于水下機(jī)器人上作業(yè)。該系統(tǒng)在線性探測(cè)時(shí)，探測(cè)寬度可以到5m，并在長(zhǎng)度方向上連續(xù)探測(cè)數(shù)千米。而在進(jìn)行區(qū)域探測(cè)時(shí)，可以在探測(cè)結(jié)束后對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行組合，形成整個(gè)區(qū)域的完整探測(cè)成像。

2 . 2 中科探海三維合成孔徑聲吶

2 . 2 . 1 產(chǎn)品概述

中科探海在2 0 1 6年開始了下視三維合成孔徑聲吶的研制工作，并于2 0 1 8年推出可商用的產(chǎn)品。與加拿大產(chǎn)品相比，該公司研制的三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)，突出優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)集成了下視三維合成孔徑聲吶、下視多波束聲吶、側(cè)視聲吶等三部聲吶分機(jī)，采用模塊設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同要求靈活組合，滿足不同任務(wù)場(chǎng)景以及安裝需求。

其中下視三維合成孔徑聲吶可獲得水體、海底、海底以下掩埋層等全海深的三維聲吶數(shù)據(jù)，下視多波束聲吶可獲得海底高精度地形數(shù)據(jù)，側(cè)視聲吶可獲得海底高精度的地貌數(shù)據(jù)。

利用不同聲吶的成像特性，可獲得目標(biāo)的多維度特征信息，可提供水下懸浮、沉底和掩埋目標(biāo)的高清影像、目標(biāo)位置、目標(biāo)埋設(shè)深度以及水下高精度三維地層等多種信息，對(duì)目標(biāo)的辨別、埋深的精確測(cè)定、路由走向、海底環(huán)境信息等均可獲得高質(zhì)量成果，極大地促進(jìn)海底電纜和管線的成像和信息提取。

該系統(tǒng)可滿足用戶水下環(huán)境探查、水下目標(biāo)搜索、航道整治復(fù)勘、護(hù)堤結(jié)構(gòu)復(fù)勘、橋墩監(jiān)測(cè)、救撈、應(yīng)急、油氣管線路由勘察、光纜電纜勘察（路由+埋深+地層等功能）、三維精細(xì)地層結(jié)構(gòu)、水下其他各類成像等多種使命任務(wù)的需求。

2 . 2 . 2 產(chǎn)品性能

中科探海三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。通過與加拿大P a n g e o公司產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)對(duì)比可以看出其在分辨率、探掩埋深度、工作航速等指標(biāo)上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

2 . 2 . 3 產(chǎn)品系列

中科探海三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)目前有A、B、C3個(gè)系列[ 2 0-2 1]。

A系列產(chǎn)品為拖曳式產(chǎn)品。適用于深水水域，工作時(shí)通過調(diào)整拖纜長(zhǎng)度的方式，來調(diào)整拖體在水中的深度，使聲吶距底高度處于良好工作狀態(tài)，滿足較深水域水下懸浮、沉底和掩埋目標(biāo)探測(cè)的需求。接收陣列采用3行6列模塊配置，共4 3 2個(gè)陣元。

B系列產(chǎn)品為大型框架式安裝，適用于測(cè)量船船底安裝或船側(cè)掛載、水面大型無人船船底安裝等，其接收陣列采用3行4列模塊配置，共2 8 8個(gè)陣元。

C系列產(chǎn)品為小型框架安裝，體積小、搭載方便，適用于小型測(cè)量船船側(cè)掛載，作業(yè)方便、迅捷?？蓪?duì)淺海海底掩埋目標(biāo)進(jìn)行高清晰三維成像。接收陣列采用1行4列的模塊配置，共9 6個(gè)陣元。

3 結(jié)語

本研究主要對(duì)三維合成孔徑聲吶在海底掩埋目標(biāo)探查中的應(yīng)用現(xiàn)狀及現(xiàn)有成熟設(shè)備的應(yīng)用情況進(jìn)行綜述。盡管三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)在海底掩埋探查中具有良好的成像性能，但由于該系統(tǒng)的開發(fā)難度大、復(fù)雜程度高，市面眾多研究單位中，僅有兩家可提供成熟的商用產(chǎn)品。目前，三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)已能基本滿足當(dāng)下的作業(yè)需求，然而海洋科技、海洋經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展對(duì)三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)提出了新的技術(shù)需求：

（ 1）運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)和補(bǔ)償技術(shù)：與無人平臺(tái)合作進(jìn)行高度自動(dòng)化作業(yè)是三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，而無人平臺(tái)姿態(tài)變化對(duì)其成像精度和目標(biāo)定位精度影響較大，因此必須發(fā)展基于G P S、超短基線、慣導(dǎo)等多數(shù)據(jù)源的運(yùn)動(dòng)誤差估計(jì)和補(bǔ)償技術(shù)。

（ 2）掩埋目標(biāo)特征提取和識(shí)別分類技術(shù)：實(shí)現(xiàn)掩埋目標(biāo)物目標(biāo)特征提取和識(shí)別分類是一體化探測(cè)無人平臺(tái)智能探測(cè)的基礎(chǔ)。對(duì)水下目標(biāo)的正確分類與識(shí)別建立在有效的特征提取技術(shù)上，特征提取是目標(biāo)識(shí)別過程中的關(guān)鍵，它直接影響到目標(biāo)識(shí)別的效果。

（ 3）多通道、大規(guī)模數(shù)據(jù)并行處理算法：隨著對(duì)探測(cè)深度和探測(cè)分辨率的要求越來越高，陣列也變得越發(fā)龐大，未來陣列的通道數(shù)量可達(dá)到數(shù)百路，這就對(duì)數(shù)據(jù)采集和處理提出了較高要求，尤其在處理實(shí)時(shí)成像時(shí)，對(duì)電子系統(tǒng)和成像算法的要求更高。

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