SHADOWS合成孔徑聲納系統及性能測試*

牟 健,賀惠忠,姜 峰

(國家海洋局南海分局,廣東廣州510300)

地球的陸地面積只占其表面積的29.2%,其它都是浩瀚的海洋。海洋不但有無盡的資源,而且對地球的環境有著重要的影響。隨著科學技術的進步,人們的海洋活動逐漸增多增強。海洋已經成為人類活動的重要空間。進入21世紀以來,世界各國紛紛加大了對海洋研究和開發的投入,開發和利用海洋具有非常重大的意義。因此,21世紀被人們稱為海洋的世紀[1]。

海洋開發利用、航運、地質勘探、水下物體搜索、軍事活動都需要有高效的水下觀察手段。圖像和聲音是人獲取信息的主要來源,圖像的信息更生動、更豐富、更直觀,借助于各種成像設備,可以把現實世界中的景象記錄和再現出來。在水下由于電磁波或光波受到強烈的衰減而無法用于較遠距離的探測,所以聲波成為目前唯一可利用的能夠在水中遠距離傳播的能量形式,水下較遠距離的成像均采用水聲成像技術。目前國際先進的水聲成像技術有:多波束地形測深系統、淺地層剖面成像系統和地貌測掃聲納系統。因此聲波作為在水中進行探測和通信的主要手段,在海洋探測、海洋工程、海上軍事作戰、海洋科學研究等方面發揮著不可替代的作用。

海洋探測作為海洋開發利用的主要方面,倍受人們關注。它包括海底地質勘探、海底地質結構分析、海底地形地貌測繪、水下物體探測等。海洋探測的大量需求促進了水聲成像技術的飛速發展。海底礦物資源開發需要進行水下工程勘測;在海洋權益劃界談判中,需要海底地形地貌和地質結構資料的支持;水聲成像技術還可用于水下管線等探查、水下文物打撈和水下物體的探測與識別[2]。

1 合成孔徑聲納技術

合成孔徑聲納(synthetic aperture sonar,SAS)技術作為現代最先進、最新型的水下探測成像技術,它以合成孔徑理論為基礎,結合合成孔徑雷達的技術,是國際水聲高科技研究產品之一。與普通的聲納相比具有突出的優點:合成孔徑聲納具有很高的橫向空間分辨率(約為普通側掃聲納的20倍),而且從原理上來說,它的分辨率與聲納的工作頻率和作用距離無關。這樣就可以用較小的聲納基陣和較低的工作頻率同時滿足近距離和遠距離的高精度探測需要。由于分辨率與距離無關,合成孔徑聲納可以獲得均勻的空間分辨率圖像。目前,合成孔徑聲納是國內外海洋探測領域的研究熱點和前沿之一,它通過二維或三維的成像結果,使人們獲取對水底地形地貌直觀而準確的資料;并且克服了傳統水下光學成像、水聲成像等技術分辨率受距離影響大的缺點,是遠距離、大面積海底測繪成像的理想選擇[3]。

2 SHADOWS合成孔徑聲納系統

2.1 系統工作性能

SHADOWS是法國IXSEA公司最新開發成功的合成孔徑聲納系統,它采用了迄今只用于軍事聲納的最前沿科技,是世界上第一套商業用途的合成孔徑聲納系統。該系統性能技術指標為:側掃聲納頻率:100 k Hz;前置聲納頻率:300 kHz;發射通道:每側3個;接收通道:每側24個;分辨率:恒定15 cm,后處理后可達5 cm;水下定位精度:斜距的0.2%;覆蓋角:200(°)。其工作原理見圖1。

圖1 Shadow s原理示意圖Fig.1 Shadow s p rincip le diagram

該系統的原理是利用小尺寸聲納基陣沿空間勻速直線運動來虛擬大孔徑聲納基陣。合成孔徑聲納利用對目標物體多次發射聲波并疊加回波的特殊聚焦算法來取代傳統聲納的單次發射聲波脈沖波束聚焦的方法,從而形成等效的大孔徑,以實現在大量程下的高分辨率。

2.2 系統組成

該系統包括水上部分、水下部分及相關軟件,見圖2。

圖2 Shadow s主要組成示意圖Fig.2 Shadow s composition diagram

2.2.1 水上部分 水上部分包括甲板工作站、水下定位系統GAPS天線(水面GPS&USBL beacon)、甲板通訊纜、光纖絞車、拖魚拖纜等。該系統的整個通信采用以太網的工作模式,甲板工作站包含供電模塊、接線連接箱和數據采集、處理及存儲的主機。主機采用網絡圖形服務器,來采集、處理和存儲數據,并實現在該網絡上的任一圖形工作站都可以通過網絡圖形服務器進行數據的采集和處理工作。水下定位系統(GAPS)工作頻率為20～30 k Hz;定位精度為斜距的0.2%;工作量程最大4 000 m;可同時跟蹤4個水下目標,其覆蓋角為200(°)。

2.2.2 水下部分 水下部分主要是1條長2 m,寬約1 m的拖魚,其包括:INS慣性導航系統、水下定位應答器、SVP、DVL多普勒計程儀、水面GPS、姿態傳感器、供電模塊、側掃聲納(頻率100 k Hz)和前置聲納(頻率400 k Hz)。側掃聲納由發射單元(每側3個發射通道)和接收單元(每側24個接收通道)組成。其測量范圍在5節的航速內單側300 m;分辨率恒定15 cm,后處理后可達5 cm。

2.2.3 相關軟件 SHADOWS的主要軟件有World-Wind和ISDA軟件。操作人員可以使用這些軟件在該網絡的任一圖形工作站上從網絡圖形服務器獲取數據,并以網絡地理信息系統(基于WebGis)的方式處理、顯示圖像[4]。

3 海上測試

3.1 設備安裝調試

合成孔徑聲納系統的工作流程是極為嚴格的。必須在下水前對所有的系統設備進行連接測試。系統連接測試圖見圖3。

圖3 系統設備連接圖Fig.3 System connection diagram

3.2 合成孔徑聲納系統測試

3.2.1 測試地點及環境 本次測試的地點為南海北部某100 m水深的海域,根據以往的海底管線后調查項目資料,該區域海底存在1條石油管道和1條海底電纜管線,在管道和管線的交叉處安裝有管線保護壓塊,且其水深較大,便于進行設備的各方面性能測試。測試當天,海況3～4級,風力4～5級,陣風6級,浪高2～3 m;搭載船只為中國海監1 000 t級的執法調查船。

3.2.2 掃海測試 在該區域已知管道橫切方向布設2條測線,每條測線長1 500 m;平行已知管道方向布設1條測線(見圖4),測線距離管道100 m;以5節速度跑完測線,記錄數據,并應用快速分塊反向傳播投影(Fast Facto rized Back Projection,FFBP)成像算法對測量到的管道鑲嵌精度進行了處理和分析。

圖4 管道測試航跡示意圖Fig.4 Track line diagram

3.2.3 測試結果 SHADOWS系統在此次管道測試的覆蓋量程達到單邊300 m。管道測試實際測線包括了2條橫切測線和1條平行測線,全部的測線都探測到已知管道和管線保護壓塊(見圖5)。

圖5 管道和壓塊影像Fig.5 Pipeline and block image

在圖5中,SHADOWS系統的成像效果較好,管道和保護壓塊非常清晰,對比管線保護壓塊設計圖,檢測到的每塊壓塊尺寸大小與設計大小相符合,壓塊的疊放分布狀態也相符合。另外,根據壓塊組成設計圖顯示,覆蓋在管線上面的每塊壓塊由15塊0.3 m大小的小壓塊組成,而在圖5中的影像中,可以看到間隔30 cm的反射條紋,這就是這些小壓塊的反射圖像。從SHADOWS系統最終的影像質量可以得到,本次測試SHADOWS系統的分辨率指標達到預定的效果。

3.2.4 對比儀器測試 本次測試用來進行對比的側掃聲納為國外進口的高性能側掃聲納(Edge Tech 2400),高頻為500 k Hz,橫向分辨率最高可達到30 cm,縱向分辨率為50 cm。本次海試中,對比用的側掃聲納采用高頻記錄,量程100 m,以達到最高分辨率圖像。

儀器對比測試的方法主要是用該側掃聲納重復測線作業,最后對比2種儀器的圖像效果。

由于管線的保護壓塊比較具有典型性,對于儀器對比測試,主要是2種儀器對壓塊的圖像對比。圖6中,圖a為高性能側掃聲納的影像,圖b為SHADOWS的影像。

(1)兩者相比,SHADOWS的影像的分辨率相對更高,對物體的圖像表達更細致。從管道、壓塊以及旁邊的拖痕的圖像都可以看出SHADOWS的影像更為清晰。

(2)對比用的側掃聲納受限于技術的原因,生成的圖像長寬比例不一致,會導致圖像失真現象。相比較而言,SHADOWS的影像長寬比例一致,生成的圖像失真程度低,有助于物體的判讀。

(3)對比用的側掃聲納分辨率隨著量程的增加而降低,而SHADOWS在有效量程內是恒定分辨率,對于大范圍測量更有優勢。

(4)對比用的側掃聲納存在著拖魚底部盲區,離底越高盲區越大,SHADOWS配置了前置聲納,解決了底部盲區的問題。

(5)對比用的側掃聲納受限于自身儀器配備的影響,無法做到SHADOWS精確定位拖魚運動狀態,從而影響到對目標物的定位精度。

圖6 管道壓塊影像對比圖Fig.6 Pipeline block image composition diagram

從這2張管道圖像來看,SHADOWS系統檢測到的管道非常清晰,包括管道本身和管道的陰影都很清楚,檢測到的管道寬0.67 m,高0.42 m。圖7中,平行管線方向,在離管線15～50 cm的地方,發現直徑約為20 cm的電纜管線。

圖7 Shadows管道圖像截圖Fig.7 Shadow s image screenshot

圖8 對比側掃聲納管道圖像截圖Fig.8 Side scan sonar image screenshot

圖8為對比用的側掃聲納對該管道進行測量后的管道圖像,由于當時船只側風側浪,搖晃劇烈,對比用的側掃聲納拖魚沒有姿態傳感器,不能進行實時的姿態修正,導致成像失真較大。通過與圖7的圖像對比,可以看到SHADOWS系統在分辨率和目標物成像的優勢非常明顯。

同時,通過SHADOWS系統也可以明顯看到管道旁的錨痕(見圖9)。由圖像看來,SHADOWS系統的分辨率比較高(現場15 cm),形成的圖像也不存在由于長寬比例不一致而引起的失真現象,對于一般傳統的側掃聲納所形成的圖像具有明顯的優勢。

3.2.5 圖像鑲嵌疊加效果 由于SHADOWS系統對目標物的定位精度比較高,因此就能保證圖像鑲嵌疊加出來的效果比較好,在測試區域總共進行了3條測線,經過了對圖像數據的后處理,最后對3條測線進行圖像鑲嵌疊加測試并作透明化處理(見圖10)。從整體上來看,在圖10中可以看到,通過追蹤管道在鑲嵌圖像上的成像連續性較好,圖像沒有明顯管道跳線而產生鑲嵌效果不好的現象。

圖9 管道圖像截圖Fig.9 Pipeline image screen shot

從圖10中有線區域圖像可以看出,通過3個不同方向的測量追蹤管線,其鑲嵌圖像上的成像結果表明該系統鑲嵌效果連續性較好,圖像沒有明顯管道跳線而產生鑲嵌效果不佳的現象。

4 結論與建議

4.1 結論

通過本次測試,獲取的測試成果結論有:

(1)SHADOWS系統各部分接口準確、工作協調、控制流和信息流暢通;

(2)適裝性好,只要具有A型架及能夠保持5節航速航行的船只都可以安裝使用;

(3)拖體的投放與回收安全可靠;

(4)拖曳航行試驗中,系統穩定,水密性能可靠,拖體姿態良好,傳感器的數據采集正常,軟件操作畫面顯示清晰;

(5)通過本次測試,IXSEA SHADOWS合成孔徑聲納系統成圖圖像分辨率較高,通過后處理能達到5 cm,另外圖像不存在失真現象,對目標物定位精度能達到±2 m以內,在鑲嵌圖方面,SHADOWS的測試結果也達到了預期效果。

(6)通過對比試驗表明,IXSEA SHADOWS合成孔徑聲納系統相對于傳統側掃聲納,由于技術的優越性,從圖像分辨率、成圖效果、對目標物定位精度以及圖像鑲嵌效果等方面都有著明顯的優勢。

(7)在本次測試中,發現該套系統采集到的原始數據質量受拖魚在水中航行姿態影響較為明顯。在風浪較大,海況超過5級、海浪超過4米,拖曳速度大于5節或者小于3節,拖魚的橫搖和縱搖均超過±10(°),原始圖像質量將大幅下降。

4.2 建議

(1)由于這是我國引進的第一套合成孔徑聲納系統,所以實際工作中合成孔徑聲納系統操作經驗非常重要,操作員需要一定的熟練度,建議平時加強訓練。

(2)由于該套合成孔徑聲納系統沒有配置多波束測深探頭,所以只能二維成像,同時也不能探測到懸浮在水中的物體;但該系統已經預留了多波束的接口,只要加裝多波束探頭,就可以實現三維成像,并能探測到懸浮在水中的物體。因此建議加裝多波束探頭,增強該套系統的探測能力。

(3)該套設備拖體相對較大,組件較多,甲板工作站也相對復雜,對于操作相對也復雜,在風浪較大的海域使用要謹慎、注意安全。

(4)由于該套系統現場采集原始數據質量受拖魚姿態影響較為明顯,建議應用流體力學的理論專門研究拖魚姿態與航速、海況及流速的關系。

(5)參考國內外合成孔徑聲納數據后處理資料,并結合合成孔徑雷達的成圖處理技術,進一步研究應用快速分塊反向傳播投影(Fast Facto rized Back Projection,FFBP)成像算法進行后處理以提高圖像的分辨率(達到5 cm)。

[1] 錢剛.合成孔徑聲納技術研究[D].西安:西北工業大學,2003.

[2] 張春華,劉紀元.合成孔徑聲納成像及其研究進展[J].物理,聲納技術及其應用專題,2006,35(5):408-413.

[3] 李軍,霍國正,鄭一鳴.合成孔徑聲納新進展[J].艦船電子工程,2000(6):46-50.

[4] Bucknam J N.Shadow s synthetic aperture sonar system operator manual[M].France:Ixsea,2010.