應用側掃聲吶的海底目標探測技術研究

溫志堅　何志敏

摘 要：本文基于筆者從事側掃聲吶應用的工作經驗，以海底目標探測為研究對象，探討了側掃聲吶與多波束測深系統配合進行海底目標探測的相關思路何方法，并結合具體案例給出了探測流程和結果評價，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：側掃聲吶 海底目標探測 多波束測深

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0028-02

多波束測深系統以條帶測量的方式，可以對海底進行100%的全覆蓋測量，每個條帶的覆蓋寬度可以達到水深的數倍。應用這種高新技術，不僅可以獲得高精度的水深地形數據，還可以同時獲得類似側掃聲納測量的海底聲像圖，為人們提供了直觀的海底形態；側掃聲納的出現為海底探測提供了完整的海底聲學圖像，用于獲得海底形態，并對海底物質的紋理特征進行定性的描述。利用側掃聲納和多波束測深系統能夠探測海底地形、地貌、障礙物的特點，側掃聲納和多波束測深系統在大陸架測量、港口疏浚、漁業捕撈、水利和生態監測、海底電纜探測、油氣管道布設路徑地形測繪以及輪船錨泊海區檢測等方面均得到了廣泛的應用，且取得了明顯的效果，兩者都是開發和利用海洋資源必需的儀器設備。在水深測量精度、定位精度、聲像圖分辨率等方面兩者又各有獨特的優點，如果將兩者綜合起來加以應用，可有效增強不同觀測數據的互補性，提高工程質量。本文以EdgeTech 4200FS型側掃聲納和SimradEM 1002型多波束測深系統為例來說明其在海洋目標探測中的綜合應用。

1 側掃聲納和多波束測深系統的特點

多波束測深系統與側掃聲納都是實現海底全覆蓋掃測的水聲設備，都能夠獲得幾倍于水深的覆蓋范圍。它們具有相似的工作原理，以一定的角度傾斜向海底發射聲波脈沖，接收海底反向散射回波，從海底反向散射回波中提取所需要的海底幾何信息。

由于接收波束形式的不同以及對所接收回波信號處理方式的不同，多波束測深儀通過接收波束形成技術能夠實現空間精確定向，利用回波信號的某些特征參量進行回波時延檢測以確定回波往返時間，從而確定斜距以獲取精確的水深數據，繪制出海底地形圖。側掃聲納只是實現了波束空間的粗略定向，依照回波信號在海底反向散射時間的自然順序檢測并記錄回波信號的幅度能量，僅僅顯示海底目標的相對回波強度信息，獲得海底地貌聲像圖。

1.1 高精度的水深和定位數據

多波束測深系統在處理接收的海底反向散射回波時，有著精密的空間定向，從回波信號時延處理上，有著準確的回波信號時延檢測，因此多波束測深系統測量的水深數據精度高；從回波信號幅度處理上，多波束測深系統雖然也需要幅度的歸一化處理，但不象側掃聲納的歸一化處理那樣嚴格，遠近端回波信號基本均勻，滿足時延檢測即可，因此多波束測深系統在測量水深的同時雖然也能獲得類似側掃聲納的海底聲像圖，為人們提供直觀的海底形態，但聲像圖質量不高，分辨率較低。另外，Simrad公司的Triton軟件能夠依據測量的數據信息分類出海底沉積物的類型（巖石、泥、沙、粘土），這給工程帶來了很大的方便。多波束測深系統在測量定位上一般采用DGPS或RTK的方式，DGPS定位精度可達到亞米級，RTK定位精度可達到厘米級，經過定位延遲改正后，多波束系統測得的海底目標位置精度很高。

1.2 高分辨率的海底聲像圖

側掃聲納由拖在水中的拖魚、線纜和船上的處理器三部分組成。其工作時由隨船行進的拖魚產生兩束與船行進方向垂直的扇形聲束，聲波碰到海底或礁石、沉船等物體就被反射回來，反射回來的信號由拖魚接收系統接收、轉換放大，然后由處理器以圖像的形式記錄、顯示反射和散射信號。側掃聲納在處理接收的海底反向散射回波時，對回波幅度信息的處理要求比較嚴格，而對回波信號時間延遲不做要求，因此獲得的海底聲像圖質量好，分辨率高。掃海時在水中的拖魚與定位天線有一定的方位和距離偏差，這個方位和距離偏差受船速、航向、水的流速和流向的影響很大，這給測得的目標定位帶來了困難。另外側掃聲納不能進行聲速和潮汐等改正，無法獲得精確的水深數據。因此即使經過精密計算，側掃聲納探測的海底目標在定位和水深數據的精度上都存在較大的誤差。

2 用兩種設備共同探測海底目標

利用多波束測深系統進行全覆蓋水深測量，獲取精確的水深數據，根據水深變化判斷目標范圍和大小，獲得目標的精確位置信息，使用軟件分析出目標周圍的底質情況。利用側掃聲納進行掃測，獲取海底目標和地形等聲像圖，通過聲圖判讀確定目標的性質、大小、范圍。綜合利用多波束測量數據和側掃聲納聲像圖進行海底目標的探測，有效增強了不同觀測數據的互補性，大大提高了工程質量。

某海區有一沉落的飛機，海區水深大約80m左右，海流大。現使用EdgeTech 4200FS側掃聲納和EM 1002型多波束測深系統來共同探測。

2.1 先用EM 1002型多波束測深系統進行粗掃

在80m水深處，EM 1002型多波束的覆蓋寬度大約有560m，考慮到全覆蓋測量，在該海區布設500m寬的測線。首先用聲速剖面儀測量聲速，并把測量的聲速數據輸入多波束測深系統以提供聲速實時改正。利用EM 1002型多波束進行全覆蓋測量，航速控制在12kn以內。在測量中如使用正常水深測量時的導航質量監控窗口尋找目標比較困難，因為質量監控窗口展現的波束量少，再加上經常出現由噪音引起的假信號，想通過水深的變化尋找目標比較困難。EM 1002型多波束測深系統的SeabedImaging窗口在測量中可以實時獲得像側掃聲納掃海時一樣的海底聲像圖。在測量船按計劃線上線后可把導航質量監控窗口轉換到SeabedImaging窗口，利用海底聲像圖來尋找可疑目標相對比較容易。多波束系統SeabedImaging可在測量中實時獲得的聲像圖，對發現的可疑目標，記下其位置信息。

2.2 利用多波束測深系統和側掃聲納進行精掃endprint

對于粗掃發現的所有可疑目標，首先使用多波束系統進行精掃。由于多波束系統中心波束密，腳印小，精度高，邊緣波束疏，腳印大，精度低，所以在精掃測量時，降低船速，控制在4～6km，扇面開角控制在120°以內，中心波束多次通過目標進行加密測量。測量中使用SeabedImaging窗口尋找目標，當發現疑是要尋找的目標后，即投放側掃聲納拖魚進行進一步精掃。

使用EdgeTech 4200FS側掃聲納進行精掃測量時，要降低船速，一般控制在3kn左右，用小量程多次通過目標實現，目標一般置于單側掃描面的中間位置以減少各種失真。在測量中，多波束系統也同時測量作業，在低速中以獲取更清晰的聲像圖。

2.3 多波束測深系統測量數據的處理

對多波束測深系統測量的原始數據使用Neptune或Caris軟件進行后處理，在進行粗差處理時最好先整體察看目標附近的數據，以區分真偽數據，避免粗差處理時把真實水深刪掉，經過潮汐、吃水、聲速改正以及一系列的處理后就可得到水深成果圖，通過水深成果圖也可看到飛機沉骸處水深比周圍淺4m。使用EM 1002多波束系統配備的SimradTriton軟件對飛機沉骸周圍的底質進行分析，可得出泥沙底質。圖1為處理的飛機沉骸水深成果圖，比例尺1∶1000，從成果圖中就可得到飛機沉骸的精確位置和所處的水深值。圖2為使用多波束系統測量的水深數據展示的飛機殘骸的三維立體圖像，由于當時沒有進行加密測量，導致多波束系統采集數據量較少，立體圖像并不是很清晰，只是一個大致的輪廓。綜合測量所獲得的數據信息，為下一步目標的打撈提供了可靠的資料。

3 結語

側掃聲納和多波束測深系統在海底目標探測中的綜合應用，增強了不同設備之間的互補性。另外，在淺水區進行大面積的水深測量中，利用多波束測深系統進行全覆蓋水深測量，獲得精確的水深數據，利用軟件分析出測區底質類別；對于測區的航行障礙物，根據測量的水深數據可確定其最淺點和精確位置，而對航行障礙精確的性質、大小和范圍，可使用側掃聲納進一步掃測，通過掃測獲得的聲像圖來判定。因此，在大面積的水深測量中兩種設備的綜合應用也具有很強的互補性。

參考文獻

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