國產高精度寬覆蓋多波束系統關鍵技術研發及應用

金永新　劉佳　羅宇

摘要：響應我國大力發展藍色經濟空間的政策，突破數字波束形成、高精度底檢測、自適應底跟蹤技術、深度修正等關鍵技術，研制國產淺海多波束測深儀，并集成多GNSS接收機、姿態儀、涌浪儀等輔助傳感器，形成了完整的淺海多波束測深儀解決方案，促進了國產高端海洋探測裝備的發展。

關鍵詞：國產 多波束 測深 高精度 底檢測 波束形成 深度修正

中圖分類號：P229 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）04（a）-0018-04

21世紀以來，國際社會上向海洋進軍成為世界主要沿海國家重大的戰略選擇。黨中央、國務院對加快海洋經濟發展高度重視，提出建設海洋強國的宏偉目標，實施海洋開發成為國民經濟發展的重要任務。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》明確提出拓展藍色經濟空間，堅持陸海統籌，發展海洋經濟，科學開發海洋資源，保護海洋生態環境，維護海洋權益，建設海洋強國。《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》明確提出“高端裝備制造業要大力發展海洋工程設備”。

海底地形測量是一切海洋工程活動的基礎，它最基本的任務，就是測量海水的深度，測繪海底地形圖（水深圖）。特別是《聯合國海洋法公約》頒布以來，海洋測繪和調查的意義己不再局限于航行安全與科學研究，它更迫切、更直接地關系到海底資源的歸屬和國家的主權和尊嚴。因此，各海洋大國都竭盡全力開展以大陸架為主的各種“海洋測繪工程”，海底地形地貌的測量更加頻繁。在這種背景下，具有高效率、高精度、高分辨率的海底地形測繪設備-多波束測深系統應運而生，并已在人類認識和開發海洋的進程中發揮越來越重要的作用。因此，迫切需要開發我國自己的多波束測深系統”掌握自主知識產權高端海洋探測技術，并進行大規模的商用，具有國家安全戰略層面的意義。

1.多波束系統研發國內外現狀

多波束測深系統是一種多傳感器的復雜組合系統，高度集成了現代信號處理技術、高性能計算機技術、高分辨顯示技術、高精度導航定位技術、數字化傳感器技術等相關高新技術。自70年代問世以來就一直以系統龐大、結構復雜和技術含量高著稱。當前，國際多波束測量系統的發展趨勢集中表現為：體積重量小型化、數據高密度和高精度化、數據處理通用化。

到目前為止，世界上僅有美國、丹麥、德國、挪威等少數發達國家能夠生產取得規模化應用。由于種種原因，我國自行研制的多波束系統并沒有真正大規模商用，使得我國現階段使用的多波束系統主要依靠從國外購買，不但購買時價格昂貴，而且使用過程中維修、定期標定、甚至安裝等都需返回原廠或者國外的技術支持，費用高、周期長。商用化的多波束核心技術受制于人，極大限制了我國海洋產業的發展。

2.多波束系統構成與關鍵技術

該項目以研發小型化、高測量效率、高測量精度、高分辨率的海底地形測量系統為目標，具體設計如下。

2.1總體架構設計

多波束測深系統由顯控計算機、接口盒、聲納濕端以及軟件系統組成（見圖1）。

聲納濕端完成聲信號的發射、接收、采集和預處理，預處理后的數據通過網絡從聲納濕端傳送給顯控計算機。在顯控計算機對數據進行信號處理，并結合傳感器系統提供的數據，獲得海底深度信息。軟件系統完成顯示控制和數據處理。其中聲納濕端包含發射模塊和接收模塊，其中發射模塊由發射換能器和發射電子艙組成，發射電子系統安放在電子艙中；接收模塊由接收換能器和接收電子艙組成，接收電子系統安放在電子艙中。同時，多波束可以集成了北斗定位定向儀、姿態傳感器、羅經、表面聲速儀、聲速剖面儀、地面三維激光掃描儀等多種傳感器，一體化測量快速獲得水上水下目標數據（見圖2）。

軟件模塊主要包含顯控軟件和信號處理軟件，主要實現信號處理、實時控制、實時顯示和數據管理功能。用于控制聲納濕端的工作參數和工作狀態，實時接收、處理聲納原始數據，存儲聲納原始數據到本地硬盤，實時解算測深深度，顯示測量水域的海底聲圖；軟件系統也能對本地硬盤聲納原始數據文件進行回放，以備查詢詳細的歷史數據（見圖3）。

2.2關鍵技術

2.2.1高精度底檢測技術

多波束系統的信號處理過程可以簡述為：首先將接收數據利用波束形成得到預成波束數據，利用底檢測技術估計波達時間與方向，再利用輔助傳感器獲得的姿態數據進行運動補償，同時利用聲速剖面信息進行聲速修正，最終得到海底深度信息，底檢測模塊是測深算法的核心（見圖4）。

系統采用幅度檢測方法和相位檢測方法聯合測定回波的到達時刻（TOA）和方位（DOA），以保證大開角工作情況下，邊緣波束的檢測能力。其中幅度檢測方法由加權能量中心時間法（WMT--Weight Mean Time）和角度方位估計法（BDI-Bearing Direction Indicator）組成。在回波方向在25°以內采用WMT幅度檢測，大于25°采用相位檢測（見圖5）。

WMT處理方法是根據波束輸出定義一系列波束角度，首先在制定波束時間片上將幅度進行內插，然后通過對幅度進行加權來估計這些角度回波的TOA。

（1）幅度內插。

假設一制定的波束角為θ n，經過橫搖修正后得到其相鄰的兩個方向角θ n-1和θ n+1，對θ n-1和θ n+1兩個方向的回波信號幅度進行拋物線內插，即可得到θ n方向的回波信號幅度值，如圖6。

（2）幅度加權估計TOA。

將時間片上對應方向的各時間點的幅度進行內插，然后按照時間先后順序排列，根據起始門、終止門來剔除媚外的數據，然后利用公式（1）對門內的數據進行加權平均求得TOA（見圖7）。

BDI與WMT的區別在于其估計每一波束真實回波方位，特別適用于非鏡像區域的信號處理。處理流程如圖8。

利用BDI處理技術能在邊緣波束上得到較為穩定的時間方位估計，但在中間區域的估計結果誤差較大。所以尋求WMT與BDI聯合估計的底檢測方法，能夠適應波束大開角的系統設計要求。下圖對比了同一組數據系統底檢測處理結果與國外設備處理結果的對比圖，可以看出自研設備與國外設備處理結果非常一致（見圖9）。

2.2.2自適應底跟蹤技術

自適應底跟蹤技術是測深系統的關鍵，通過設定合理的跟蹤窗，可以濾除來自水流、魚群等的干擾回波信號，提高多波束測深系統測深結果的穩定性。波束形成、信號檢測算法和濾波算法。

系統依據海底的坡度走勢和深度以及當前跟蹤效果，采用粒子濾波算法，設計合理的跟蹤策略，實現自適應底跟蹤。

圖10是海底劇烈起伏狀態下的自適應跟蹤曲線，可以看出雖然海底起伏比較大，但是跟蹤門仍然準確有效（見圖10）。

2.2.3深度修正技術

海水中的聲速是受到溫度、深度、鹽度等因素水平分層變化的影響也近似為水平分層變化，存在聲速方向的聲速梯度，導致海水中的聲線軌跡發生彎曲。如果采用近似的恒定聲速，必然帶來測深誤差和對應海底的位置誤差，達不到精確測量海底深度的目的（見圖11）。

系統依據snell定律，采用聲線跟蹤技術實現海底深度修正（見圖12）。

在將波達時間和方位轉化為海底的深度信息時，盡管對中間波束來說，把聲線徑跡近似地視為直線是合適的，但對于邊緣波束而言，聲線彎曲是比較明顯的。需要利用海區的聲速剖面信息，利用全射線跟蹤技術，由傳播時間重新建立海底深度值。

由此得到海底對應點的真實深度，以及它和測量船的水平偏移距離。

圖13中是下方的曲線是經過深度修正后的湖上試驗結果。

2.3輔助傳感器集成

為了達到良好的測深效果，淺水多波束測深儀系統還需要搭配聲速剖面儀、表面聲速儀、RTKGPs、姿態傳感器等。該系統通過硬件時鐘同步，輔助傳感器與聲學數據的同步精度可以達到1 ms，完全可以滿足高精度水深測量的要求。

3.展望應用領域與市場

該文介紹了國產高精度淺海多波束測深儀系統，其波束扇形開角為160°，波束數256個，斜距分辨率為3.75 cm，是一種具有高測量效率、高測量精度、高分辨率的淺海海底地形測量設備。特別適合于大面積的掃海測量作業、海洋資源調查、海底地形可視化測量、水下打撈，可在海洋測繪、海洋工程建設、海洋資源開發、海洋科學研究、維護海洋權益等領域得到廣泛而深遠的應用，有利于支撐我國海洋戰略。