側掃聲吶技術及其在海洋測繪中的應用探討

徐樂+王藝聰

【摘 要】隨著科學技術的不斷發(fā)展，海洋測繪領域掀起了新的技術應用熱潮，高分辨率測深側掃聲納技術便是其中一種，其不僅成本低、易操作，且安裝方便。因此，被廣泛應用于海洋測繪事業(yè)。為了對側掃聲吶技術及其在海洋測繪中的應用進行研究，論文通過概述側掃聲吶與海洋測繪的概念與特點，分析了側掃聲吶的工作原理、主要誤差源以及側掃聲吶的數(shù)據(jù)處理與參數(shù)校準。

【Abstract】With the continuous development of science and technology， the field of marine surveying and mapping has set off a new wave of technological applications. One of them is high resolution bathymetric side-scan sonar technology， it is not only low cost， easy to operate， but also easy to install. Therefore， it is widely used in marine surveying and mapping. In order to study the side-scan sonar technology and its application in oceanographic mapping. By summarizing the concept and characteristics of side-scan sonar and ocean surveying and mapping， the working principle， main error sources， data processing and parameter calibration of side-scan sonar are analyzed in this paper.

【關鍵詞】側掃聲吶技術；海洋測繪；參數(shù)校準

【Keywords】side-scan sonar technology； marine surveying and mapping； parameter calibration

【中圖分類號】TB2 【文獻標志碼】B 【文章編號】1673-1069（2017）12-0150-02

1 引言

隨著科學技術發(fā)展與工業(yè)化建設的不斷加快，很多具有自主知識產(chǎn)權的海洋測繪設備應運而生，且現(xiàn)階段的海洋測繪設備已經(jīng)基本實現(xiàn)了自動化。側掃聲吶技術作為一種新型海洋測繪技術，也是現(xiàn)代化海洋測繪技術的典型代表。基于此，論文對側掃聲吶技術及在海洋測繪中的應用進行探討。

2 概念闡述

2.1 側掃聲吶的概念與優(yōu)點

側掃聲吶又稱海底地貌儀，其本質(zhì)即借助回聲測深原理，對海底的地貌以及水下物體設備進行探測，其工作頻率一般處在幾十千赫與幾百千赫之間，而其測繪儀器的有效作用范圍在300米至600米之間。側掃聲吶在進行近程探測的過程中，儀器具有較高的分辨率。而用于深海地質(zhì)探測的側掃聲吶儀器的工作頻率，達到了幾千赫，其探測距離能夠達到20公里左右。側掃聲吶的換能器陣位于拖拽體或者船殼之內(nèi)，在走航的過程中朝兩側的下方發(fā)生聲脈沖，一般情況下聲脈沖為扇形的波束。側掃聲吶能夠利用聲波，對海面、海底、水體的介質(zhì)性質(zhì)以及聲學結構進行探測，其主要組成部分包括數(shù)據(jù)的顯示與記錄單元、數(shù)據(jù)的傳輸單元、水下聲波發(fā)射器、拖拽電纜以及接收換能器。

側掃聲吶的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下三方面：①可以利用海底回波強度信息，對海底介質(zhì)的組成情況進行定性的分析；②具有較高的橫向分辨率，可以獲得分辨率較高的、二維的海底地貌圖；③安裝便捷、難度低，且成本低廉。但是，側掃聲吶也存在明顯的缺點，即無法獲得直觀的、三維的地形圖，海底深度測量的精度也比較低。

2.2 海洋測繪概念與特點

海洋測繪指的是將海底或者海洋水體作為研究對象，開展的一系列測量以及海圖編制的工作。海洋測繪既是測繪這一學科的重要組成部分，同時也是一門綜合性學科，涉及很多相關學科知識。海洋測繪的基本方法包括兩種，其一路線測量也稱剖面測量，主要應用于測量海區(qū)的地質(zhì)構造以及地球物理場的特征；其二面積測量，即根據(jù)設計的成圖比例尺，布置一定距離的測線網(wǎng)進行測量。海洋測繪的主要測繪對象是海洋，而海洋與陸地最大的不同，即海洋的底部之上覆蓋著一層富含各種無機物與生物的水體，這一水體使得海洋測繪相比于陸地測繪，具有如下特點：①海洋測繪只能通常在飛行或者海面航行中進行，而水下開展測繪的難度較大；②海洋測繪的主要測量內(nèi)容包括海底地貌、沉船以及礁石等。雖然海底地貌相對簡單，但相比于陸地測繪，海洋測繪的難度更大。

3 側掃聲吶的工作原理以及主要誤差源

論文以側掃聲吶HRBSSS為例，對側掃聲吶的工作原理以及主要誤差源進行研究。側掃聲吶HRBSSS是一種高分辨測深系統(tǒng)，不僅分辨率較高，且功耗低、體積小，主要應用于水下機器人、拖拽體等載體上，用來探測水下目標以及海洋開發(fā)、海洋工程建設、海洋礦產(chǎn)資源的開發(fā)等行業(yè)。

3.1 側掃聲吶的工作原理

側掃聲吶HRBSSS系統(tǒng)的工作原理詳見圖1。該系統(tǒng)的聲吶陣置于載體的兩側，載體的每一側均由發(fā)射線陣與接收線陣構成。工作過程中，首先由載體兩側的發(fā)射陣發(fā)射聲波信號，信號經(jīng)由海底散射之后，由接收陣負責接收回波信號。之后，根據(jù)采樣點的時刻，通過相應計算得出信號傳播時延，再根據(jù)通道接收數(shù)據(jù)的空間關系，對波達方向進行估計，在此基礎上，通過對回波入射角、申訴以及時延進行計算，得出測深點與載體之間的深度、水平距離。最后，根據(jù)載體的實際定位與相關數(shù)據(jù)，計算得出測深點的經(jīng)緯度。endprint

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圖1 側掃聲吶HRBSSS系統(tǒng)工作原理圖

3.2 側掃聲吶的主要誤差源

側掃聲吶HRBSSS系統(tǒng)的主要誤差源分為以下幾種：其一，換能器陣幅相誤差；其二，姿態(tài)傳感器輸出存在延遲，以及姿態(tài)傳感器與換能器陣二者之間的相對角度與相對高度存在誤差；其三，換能器陣與深度傳感器之間存在相對高度的偏差；表面聲速與聲速的剖面誤差；其四，定位數(shù)據(jù)存在偏差、信號處理方法導致的誤差；最后，換能器陣與定位系統(tǒng)之間相對位置存在偏差。其中，聲速誤差、幅相誤差、定位誤差以及姿態(tài)內(nèi)誤差，是測深結果準確性的主要影響因素，一般情況下，需要對上述誤差進行主要校準。

4 側掃聲吶的數(shù)據(jù)處理以及偏差的校準

由于側掃聲吶HRBSSS系統(tǒng)存在一定的測深誤差，故在測繪工作完成之后，需要對系統(tǒng)偏差進行校準。初始階段的測量與標定工作主要包括以下幾方面：第一，準確標定出換能器存在的幅相誤差，同時對定位系統(tǒng)、深度傳感器以及姿態(tài)傳感器相對于換能器陣的位置數(shù)據(jù)進行分析，包括換能器陣的安裝角度。第二，通過相應的處理程度以及示波器，對聲吶頻率參數(shù)是否與最先預想的相同，進行判斷。第三，靜態(tài)采集定位數(shù)據(jù)信息，找準定位精度。在此基礎上，需要在一塊試驗海區(qū)內(nèi)，進行近期海面表面聲速以及聲速剖面的測量，同時完成多組校準參數(shù)需要的測線，主要包括具有明顯坡度區(qū)域的兩條重合反向測線，這一測線主要用于pitch偏差的校準工作；平坦區(qū)域與軌跡平行的S形測線，這一測線主要用于roll偏差的校準；平坦區(qū)域十字測線，這一測線主要用于幅相誤差的校準工作；具有突出的、孤立的、標志物區(qū)域平行反向測線，這一測線主要用于heading偏差的校準工作。由于多種客觀存在的參數(shù)誤差的相互作用，故側掃聲吶HRBSSS系統(tǒng)在進行偏差校準時，需要采用循環(huán)校準策略，校準工作需要持續(xù)到各項參數(shù)的校準量均收斂到某一個值為止，這時便認為得到了合理的校準結果。在校準工作完成后，需要利用校準量對各項參數(shù)進行修正，進而獲得較為理想、準確的測深結果。通過實際應用研究發(fā)現(xiàn)，側掃聲吶HRBSSS系統(tǒng)具有較高的可應用性，不僅測繪覆蓋面廣，測繪精度相對準確，并且操作簡單、方便，值得廣泛應用。

5 結語

海洋測繪是一項關系著社會經(jīng)濟發(fā)展的重要工作。隨著經(jīng)濟全球化發(fā)展進程的不斷加快，國際競爭愈發(fā)激烈，這種情況下，行業(yè)測繪事業(yè)成了國家經(jīng)濟發(fā)展的重要推進內(nèi)容。側掃聲吶技術作為一種新型的測繪技術，不僅操作簡便、成本低廉，且具有較強的時代性，是我國科學技術與社會進步的一種具體體現(xiàn)，將其應用于海洋測繪事業(yè)中，有利于進一步促進海洋事業(yè)的發(fā)展。論文從側掃聲吶以及海洋測繪的概念與特點入手，以HRBSSS系統(tǒng)為例，對側掃聲吶的工作原理以及主要誤差源進行綜合分析，在此基礎上，深入研究了側掃聲吶的數(shù)據(jù)處理以及偏差的校準工作，以期進一步提高側掃聲吶技術在海洋測繪事業(yè)中的應用水平，進而推動我國海洋測繪領域的全面發(fā)展。

【參考文獻】

【1】王愛學，張紅梅，王曉，等.側掃聲吶條帶數(shù)據(jù)處理及其無縫成圖[J].測繪地理信息，2017，42（01）：26-29+33.endprint