國產(chǎn)多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)水上測試及性能分析

徐 樂，汪連賀

（天津海事測繪中心，天津 300222）

引言

側(cè)掃聲吶是一種快速探測和了解水下目標(biāo)、獲取海底地貌特征的水聲設(shè)備。廣泛應(yīng)用于海洋勘測、海圖測繪、失事沉船探測等領(lǐng)域[1]。近年來，新型的側(cè)掃聲吶設(shè)備不斷推陳出新，從其工作原理來講，側(cè)掃聲吶可分為：單波束單頻側(cè)掃聲吶、單波束雙頻側(cè)掃聲吶、單波束三頻側(cè)掃聲吶、多波束側(cè)掃聲吶等。其中單波束雙頻側(cè)掃聲吶應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)更加成熟；而多波束側(cè)掃聲吶異軍突起，發(fā)展迅速。

傳統(tǒng)的單波束側(cè)掃聲吶屬于主動型聲吶，主要通過向海底發(fā)射一條垂直于拖曳方向的窄條狀波束，獲取反向散射信息反映海底的基本情況，當(dāng)側(cè)掃聲吶沿拖曳方向運(yùn)動時(shí)，換能器周期性地發(fā)射和接收聲脈沖以得到波束照射的一窄條海底區(qū)域回波，再由信號處理器把不同發(fā)射周期的回波沿拖曳方向拼接起來就形成了海底地貌圖像。基于上述原理，當(dāng)發(fā)射單頻信號時(shí)，垂直于航向的距離分辨力取決于發(fā)射脈沖寬度，而沿拖曳航跡方向的分辨力取決于方位向波束寬度和拖曳速度。當(dāng)拖曳速度過大時(shí)，在一個發(fā)射周期內(nèi)，聲吶拖魚沿拖曳方向行程過大，會出現(xiàn)相鄰發(fā)射波束沿方位向空間掃描間隔過大的現(xiàn)象，造成成像分辨率下降[2]。代表性的單波束雙頻側(cè)掃聲吶設(shè)備包括EdgeTech 4200MP側(cè)掃聲吶、Klein4000 側(cè)掃聲吶等。

與單波束側(cè)掃聲吶相比，多波束側(cè)掃聲吶在技術(shù)設(shè)計(jì)層面更加先進(jìn)，其在垂直拖拽方向發(fā)射多個平行的高頻波束，能夠獲取多個波道的信息，結(jié)合動態(tài)波束聚焦技術(shù)，可以同時(shí)觀察追蹤不同方向的多個目標(biāo)，且不易失去接觸，極大的提高了中、近距離沿航跡方向的分辨率，實(shí)現(xiàn)了高速掃測。就工作效率和成像質(zhì)量而言，性能上限遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的單波束側(cè)掃聲吶。代表性的設(shè)備包括Klein5000 V2 型和Shark-S455M 型多波束側(cè)掃聲吶。

本中心于 2021 年引進(jìn)新型國產(chǎn)設(shè)備：Shark-S455M 型多波束側(cè)掃聲吶。該型設(shè)備具有低速和高速兩種使用模式，可根據(jù)需要實(shí)時(shí)在線選擇。低速模式為單波束雙頻側(cè)掃，高速模式為高頻多波束側(cè)掃（雙側(cè)10 個波束）。該設(shè)備采用動態(tài)數(shù)字自動聚焦技術(shù)，極大提升了影像數(shù)據(jù)的分辨率，同時(shí) Chirp 調(diào)頻信號和CW 連續(xù)脈沖信號可實(shí)時(shí)在線切換，作業(yè)模式比較靈活。其系統(tǒng)包含強(qiáng)耐壓不銹鋼拖魚、高強(qiáng)度凱夫拉電纜、防水甲板單元和自主OTech 聲吶軟件。既可以采用交流供電，也可用蓄電池逆變供電。采用內(nèi)置姿態(tài)傳感器能檢測拖魚橫搖、縱搖、波位信息，內(nèi)置壓力傳感器實(shí)時(shí)測量拖魚入水深度，內(nèi)置超聲波測深儀實(shí)時(shí)測量拖魚到水底高度信息。為科學(xué)評價(jià)Shark-S455M 型多波束側(cè)掃聲吶實(shí)際性能，積累設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，我中心組織進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)收測試，通過對海底沉船進(jìn)行掃測，進(jìn)而初步評價(jià)改型設(shè)備的優(yōu)劣性。

1 測試方案設(shè)計(jì)

1.1 測試區(qū)域

測試區(qū)域選擇在天津臨港航道北側(cè)某海域，該區(qū)域交通便利，海況良好，利于海上測試進(jìn)行。選擇該區(qū)域內(nèi)一處沉船作為目標(biāo)物進(jìn)行聲吶目標(biāo)發(fā)現(xiàn)能力測試。該處沉船已在本中心歷次掃海測量中獲得了豐富的數(shù)據(jù)影像資料，可用于掃測成果比對。

圖1 3DSS-iDX-450 型三維側(cè)掃聲吶沉船掃測影像

圖2 EdgeTech4200MP 側(cè)掃聲吶系統(tǒng)沉船掃測影像

1.2 測線布設(shè)

根據(jù)沉船位置，順航道方向布設(shè)計(jì)劃測線，每條測線在保持采集參數(shù)不變的情況下至少往返測量兩次[3]。聲吶高速模式下測線距離沉船分別為 30 m、45 m、60 m、90 m 四組，對應(yīng)聲吶量程分別設(shè)置為60 m、90 m、120 m、180 m，確保將目標(biāo)沉船置于量程中間位置；聲吶低速模式下測線距離沉船分別為30 m、45 m、75 m、90 m，150 m 對應(yīng)聲吶量程分別設(shè)置為60 m、90 m、150 m、180 m，300 m，同樣確保將目標(biāo)沉船置于量程中間位置。

2 聲吶高速模式測試驗(yàn)收結(jié)果

Shark-S455M 型多波束側(cè)掃聲吶高速模式為高頻多波束側(cè)掃，工作頻率450 kHz，測試船速10 節(jié)。

2.1 60 m 量程

測線距離沉船30 m，右舷通過測得影像如圖4：沉船輪廓清晰，細(xì)部特征明顯，船體無明顯變形，海底地形回波清晰，數(shù)據(jù)影像效果極佳。

圖4 量程60 m，沉船位于右舷

2.2 90 m 量程

測線距離沉船45 m，左舷通過測得影像如圖5：沉船輪廓清晰，船艏船尾可區(qū)分，船體無明顯變形，數(shù)據(jù)影像效果較好。

圖5 聲吶高速模式，量程90 m，沉船位于左舷

2.3 120 m 量程

聲吶高速模式下選用120 m 量程，測線距離沉船60 m，右舷通過測得影像如圖6：沉船輪廓清晰，船艏船尾細(xì)節(jié)清晰，船體無明顯變形，數(shù)據(jù)影像效果極好。

圖6 聲吶高速模式，量程120 m，沉船位于右舷

2.4 180 m 量程

測線距離沉船90 m，左舷通過測得影像如圖7：沉船可判讀，但細(xì)部特征無法辨別，數(shù)據(jù)影像效果一般。

圖7 聲吶高速模式，量程150 m，沉船位于右舷

3 聲吶低速模式測試驗(yàn)收結(jié)果

Shark-S455M 型多波束側(cè)掃聲吶低速模式為單波束雙頻側(cè)掃，工作頻率為100 kHz/ 450kHz 同步工作，測試船速6 節(jié)。

3.1 60 m 量程

測線距離沉船30 m，分左右舷兩次通過測得影像如圖8：沉船輪廓清晰，船艏船尾細(xì)部特征明顯，易于發(fā)現(xiàn)，但船體均發(fā)生了一定幾何變形。

圖8 量程60 m 測得影像

3.2 90 m 量程

測線距離沉船45 m，分左右舷兩次通過測得影像如圖9：沉船輪廓清晰，船艏船尾細(xì)部特征明顯，易于發(fā)現(xiàn)，但船體同樣發(fā)生了幾何變形。

圖9 量程90 m 測得影像

3.3 150 m 量程

測線距離沉船75 m，分左右舷兩次通過測得影像如圖10：沉船輪廓清晰，船艏船尾細(xì)部特征明顯，易于發(fā)現(xiàn)，但船體均發(fā)生了一定幾何變形。

圖10 量程150 m 測得影像

3.4 180 m 量程

測線距離沉船90 m，分左右舷兩次通過測得影像如圖11：沉船輪廓、船艏船尾細(xì)部特征可辨，易于發(fā)現(xiàn)，船體幾何變形不再明顯，但左船舷通過時(shí)在沉船附近出現(xiàn)V 形異常信號。

3.5 300 m 量程

測線距離沉船150 m，右舷通過測得影像如圖12：沉船輪廓不再清晰，船體難于辨認(rèn)，且在沉船附近再次出現(xiàn)V 形異常信號。

圖12 量程300 m 測得影像，沉船位于左舷

4 結(jié)語

本次測試采用不同設(shè)備參數(shù)對Shark-S455M 型多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)收測試。測試結(jié)果表明Shark-S455M 型多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)高速模式下數(shù)據(jù)質(zhì)量清晰、穩(wěn)定、可靠。低速模式下障礙物影像普遍發(fā)生一定程度幾何變形，但不影像目標(biāo)物的發(fā)現(xiàn)和判讀。低速模式下當(dāng)其掃寬大于等于180 m后影像中兩次出現(xiàn)V 型異常信號，經(jīng)分析可能是作業(yè)現(xiàn)場的燈浮標(biāo)引起的信號反射異常亦可能受到海底地形、波束指向性、噪聲等多方面因素的影響，尚須進(jìn)一步研究測試。

在后續(xù)的工作中建議推廣使用聲吶高速模式。亦可在大范圍掃海作業(yè)、應(yīng)急掃測時(shí)先使用聲吶低速模式，待發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物或可疑信號后再采用聲吶高速模式進(jìn)行復(fù)掃。同時(shí)，對目標(biāo)物變形、異常信號等情況保持關(guān)注和警惕，不斷積累數(shù)據(jù)，提高設(shè)備操作、數(shù)據(jù)判讀水平。