三維合成孔徑聲吶在海底掩埋目標探查中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

郎誠 茅克勤 向蕓蕓

摘要：為提高我國海底掩埋目標的探查技術(shù)，以適應(yīng)不斷發(fā)展的探測需求，文章綜述了現(xiàn)有三維合成孔徑聲吶在海底掩埋目標探查中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向進行了展望。結(jié)果表明：盡管三維合成孔徑聲吶在海底掩埋目標探查中具有較大的技術(shù)優(yōu)勢，但是由于技術(shù)難度大、復雜程度高，可提供成熟商用設(shè)備的單位僅有兩家，中科探海研發(fā)的三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)多項核心技術(shù)指標領(lǐng)先。運動誤差估計和補償技術(shù)，掩埋目標特征提取和識別分類算法，多通道大規(guī)模數(shù)據(jù)并行處理算法等關(guān)鍵技術(shù)將成為三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：掩埋目標；合成孔徑聲吶；三維S A S；海底探測裝備；聲學成像

中圖分類號： TH 7 6 6； T B 5 6 5 . 2 文獻標志碼： A 文章編號： 1 0 0 5-9 8 5 7（ 2 0 2 1） 0 1-0 0 4 9-0 4

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目“土地資源約束下海島系統(tǒng)的適應(yīng)性管理研究”（ 4 1 5 0 6 1 4 0） ；自然資源部第二海洋研究所及中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目（ J G 1 7 1 9）.

T h eA p p l i c a t i o n sa n dP r o s p e c t o f3 DS y n t h e t i cA p e r t u r eS o n a r S y s t e mi nB u r i e dT a r g e t sD e t e c t i o n

L AN GC h e n g1，MAOK e q i n1， X I AN GY u n y u n2

（ 1. Z h e j i a n gA c a d e m yo fM a r i n eS c i e n c e， H a n g z h o u3 1 0 0 0 0， C h i n a； 2 . S e c o n dI n s t i t u t eo fO c e a n o g r a p h y，MN R， H a n g z h o u3 1 0 0 1 2， C h i n a）

A b s t r a c t： F o r t h ep u r p o s eo f i m p r o v i n gt h ed o m e s t i ct e c h n o l o g yo nb u r i e dt a r g e t sd e t e c t i o n， a n d m a t c h i n g i n c r e a s i n gd e m a n d so fs u b m a r i n ed e t e c t i o n， t h i sp a p e rr e v i e w e dt h ea p p l i c a t i o n so f3 D s y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r s y s t e mo nb u r i e d t a r g e t sd e t e c t i o n， a n dp r o s p e c t e d t h e f u t u r ed i r e c t i o no f t h ec o r e t e c h n o l o g i e s .I tw a s f o u n dt h a t：t h e r ea r eo n l yt w oc o r p o r a t i o n sp r o v i d i n gd e v e l o p e d3 D S A Sd u et ot h eh i g hc o m p l e x i t ya n dd i f f i c u l t yi nd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t a t i o n， d e s p i t eo fi t s g r e a ta d v a n t a g e s i nb u r i e d t a r g e t sd e t e c t i o n；m a n yp a r a m e t e r s o f t h e 3 DS A Sp r o d u c e db yT - S E A M a r i n eT e c h n o l o g yC o . ， L t d .a r ea h e a do f t h ec o m p e t i t o r；m o t i o ne r r o r e s t i m a t i o na n dc o m p e n s a -t i o n， b u r i e dt a r g e t s f e a t u r ee x t r a c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h m， a n dm u l t i - c h a n n e l p a r a l l e l p r o -c e s s i n ga l g o r i t h mf o r l a r g e - s c a l ed a t aw o u l db e t h e f u t u r ed i r e c t i o no f 3 DS A S.

K e y w o r d s： B u r i e dt a r g e t s， S y n t h e t i ca p e r t u r es o n a r， 3 DS A S， S u b m a r i n ed e t e c t i o n， A c o u s t i c a l i m a -g i n g

0 引言

隨著海洋科技和海洋經(jīng)濟的深入發(fā)展，對海洋的認知和開發(fā)已遍布海洋的各個區(qū)域，對探查裝備的能力需求越來越高，要求探查裝備的探測能力從近海延展到中遠海，從水中懸浮、沉底目標擴展到海底以下地質(zhì)層或掩埋物體。與此同時，隨著海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，海底通信光纜、海底供電電纜、海島之間的輸水和輸氣等水下管道等鋪設(shè)量也越來越大，而且這些基礎(chǔ)工程都是關(guān)乎國計民生的重大事項。現(xiàn)在海底管道和線纜均采用掩埋的方式鋪設(shè)，所以在后期的管纜路由探查和維護工作中，被掩埋的管纜目標的精確探測需求越來越迫切。

目前，可用于掩埋目標探查的技術(shù)主要包括淺地層剖面儀、二維合成孔徑聲吶和三維合成孔徑聲吶等[ 1-2]。淺地層剖面儀目前在傳統(tǒng)的作業(yè)方式中應(yīng)用最為廣泛[ 3-7]，但其主要問題在于開角非常窄，只能橫穿掩埋目標作業(yè)。另外淺地層剖面儀對小的掩埋目標（比如直徑2 0c m以內(nèi)的管纜、光纜、普通的掩埋目標等）均無法探測。

合成孔徑聲吶的概念最早由美國的R a y t h o n公司在2 0世紀6 0年代提出[ 8]，其基本思想是對小孔徑基陣沿直線運動過程中記錄的接收信號進行孔徑合成處理，從而達到虛擬大孔徑基陣的方位分辨力效果，在高分辨海底成像領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。

1 合成孔徑聲吶

1 . 1 二維合成孔徑聲吶

早期二維合成孔徑聲吶的研究主要集中于側(cè)掃式合成孔徑聲吶，只能形成目標的二維圖像，無法給出深度信息[ 9]。而在海底掩埋目標的位置探測時，掩埋目標埋深這一判斷管纜目標安全狀態(tài)的關(guān)鍵信息至關(guān)重要[ 1 0]。因此，二維合成孔徑聲吶在實際應(yīng)用中無法完全滿足工程需求。三維合成孔徑聲吶技術(shù)在此背景下應(yīng)運而生。

1 . 2 三維合成孔徑聲吶

三維合成孔徑聲吶技術(shù)最早由G r i f f i t h[ 1 1]通過干涉法在水池中試驗成功，并逐步獲得研究學者的關(guān)注[ 1 2-1 4]。但是干涉式合成孔徑聲吶的三維圖像是通過多幅二維圖像重建獲得，并非目標的真實三維成像，因此無法完成對目標的高精度測深[ 1 5]。

2 1世紀初，為克服干涉式合成孔徑聲吶的這一缺點，日本學者A s a d a等[ 1 6]基于多波束測深聲吶技術(shù)，提出了多波束合成孔徑聲吶，并在試驗中獲得了良好效果。國內(nèi)，哈爾濱工程大學和中國科學院也對三維合成孔徑聲吶技術(shù)開展了早期研究[ 1 7-1 8]，并奠定了一定的理論基礎(chǔ)。由于在三維成像上所具有的顯著優(yōu)勢，多波束合成孔徑聲吶使得海底掩埋目標探查技術(shù)裝備的研究與開發(fā)重點聚焦于多波束合成孔徑聲吶。

2 三維合成孔徑聲吶在海底掩埋目標探查

中的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于多波束合成孔徑聲吶在三維成像上的顯著優(yōu)勢，應(yīng)用于掩埋目標探查的設(shè)備多基于多波束原理設(shè)計開發(fā)。目前成熟商用的三維合成孔徑聲吶僅有加拿大的P a n g e o公司的S B I（ S u bB o t t o m I m a g e r）型三維合成孔徑聲吶和我國中科探海海洋科技有限責任公司（以下簡稱中科探海）設(shè)計生產(chǎn)的下視三維合成孔徑聲吶。

2 . 1 S B I型三維合成孔徑聲吶

加拿大P a n g e o公司生產(chǎn)的S B I型三維合成孔徑聲吶，研發(fā)始于2 0 0 8年， 2 0 1 0年完成了對海底掩埋的高壓直流輸電（HV D C）電纜的驗證，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示， 2 0 1 1年正式進入商用領(lǐng)域，完成了大量的實際應(yīng)用。

S B I型三維合成孔徑系統(tǒng)采用5×8的水聽器陣列，可4～1 4k H z多個頻段掃描探測，可安裝于水下機器人上作業(yè)。該系統(tǒng)在線性探測時，探測寬度可以到5m，并在長度方向上連續(xù)探測數(shù)千米。而在進行區(qū)域探測時，可以在探測結(jié)束后對探測結(jié)果進行組合，形成整個區(qū)域的完整探測成像。

2 . 2 中科探海三維合成孔徑聲吶

2 . 2 . 1 產(chǎn)品概述

中科探海在2 0 1 6年開始了下視三維合成孔徑聲吶的研制工作，并于2 0 1 8年推出可商用的產(chǎn)品。與加拿大產(chǎn)品相比，該公司研制的三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)，突出優(yōu)點是同時集成了下視三維合成孔徑聲吶、下視多波束聲吶、側(cè)視聲吶等三部聲吶分機，采用模塊設(shè)計，可根據(jù)不同要求靈活組合，滿足不同任務(wù)場景以及安裝需求。

其中下視三維合成孔徑聲吶可獲得水體、海底、海底以下掩埋層等全海深的三維聲吶數(shù)據(jù)，下視多波束聲吶可獲得海底高精度地形數(shù)據(jù)，側(cè)視聲吶可獲得海底高精度的地貌數(shù)據(jù)。

利用不同聲吶的成像特性，可獲得目標的多維度特征信息，可提供水下懸浮、沉底和掩埋目標的高清影像、目標位置、目標埋設(shè)深度以及水下高精度三維地層等多種信息，對目標的辨別、埋深的精確測定、路由走向、海底環(huán)境信息等均可獲得高質(zhì)量成果，極大地促進海底電纜和管線的成像和信息提取。

該系統(tǒng)可滿足用戶水下環(huán)境探查、水下目標搜索、航道整治復勘、護堤結(jié)構(gòu)復勘、橋墩監(jiān)測、救撈、應(yīng)急、油氣管線路由勘察、光纜電纜勘察（路由+埋深+地層等功能）、三維精細地層結(jié)構(gòu)、水下其他各類成像等多種使命任務(wù)的需求。

2 . 2 . 2 產(chǎn)品性能

中科探海三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。通過與加拿大P a n g e o公司產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)對比可以看出其在分辨率、探掩埋深度、工作航速等指標上具有絕對優(yōu)勢。

2 . 2 . 3 產(chǎn)品系列

中科探海三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)目前有A、B、C3個系列[ 2 0-2 1]。

A系列產(chǎn)品為拖曳式產(chǎn)品。適用于深水水域，工作時通過調(diào)整拖纜長度的方式，來調(diào)整拖體在水中的深度，使聲吶距底高度處于良好工作狀態(tài)，滿足較深水域水下懸浮、沉底和掩埋目標探測的需求。接收陣列采用3行6列模塊配置，共4 3 2個陣元。

B系列產(chǎn)品為大型框架式安裝，適用于測量船船底安裝或船側(cè)掛載、水面大型無人船船底安裝等，其接收陣列采用3行4列模塊配置，共2 8 8個陣元。

C系列產(chǎn)品為小型框架安裝，體積小、搭載方便，適用于小型測量船船側(cè)掛載，作業(yè)方便、迅捷。可對淺海海底掩埋目標進行高清晰三維成像。接收陣列采用1行4列的模塊配置，共9 6個陣元。

3 結(jié)語

本研究主要對三維合成孔徑聲吶在海底掩埋目標探查中的應(yīng)用現(xiàn)狀及現(xiàn)有成熟設(shè)備的應(yīng)用情況進行綜述。盡管三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)在海底掩埋探查中具有良好的成像性能，但由于該系統(tǒng)的開發(fā)難度大、復雜程度高，市面眾多研究單位中，僅有兩家可提供成熟的商用產(chǎn)品。目前，三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)已能基本滿足當下的作業(yè)需求，然而海洋科技、海洋經(jīng)濟的深入發(fā)展對三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)提出了新的技術(shù)需求：

（ 1）運動誤差估計和補償技術(shù)：與無人平臺合作進行高度自動化作業(yè)是三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，而無人平臺姿態(tài)變化對其成像精度和目標定位精度影響較大，因此必須發(fā)展基于G P S、超短基線、慣導等多數(shù)據(jù)源的運動誤差估計和補償技術(shù)。

（ 2）掩埋目標特征提取和識別分類技術(shù)：實現(xiàn)掩埋目標物目標特征提取和識別分類是一體化探測無人平臺智能探測的基礎(chǔ)。對水下目標的正確分類與識別建立在有效的特征提取技術(shù)上，特征提取是目標識別過程中的關(guān)鍵，它直接影響到目標識別的效果。

（ 3）多通道、大規(guī)模數(shù)據(jù)并行處理算法：隨著對探測深度和探測分辨率的要求越來越高，陣列也變得越發(fā)龐大，未來陣列的通道數(shù)量可達到數(shù)百路，這就對數(shù)據(jù)采集和處理提出了較高要求，尤其在處理實時成像時，對電子系統(tǒng)和成像算法的要求更高。

參考文獻

[ 1] 路曉磊，張麗婷，王芳，等.海底聲學探測技術(shù)裝備綜述[ J].海洋開發(fā)與管理， 2 0 1 8， 3 5（ 6） ： 9 1-9 4.

[ 2] 宋帥，周勇，張坤鵬，等.高精度和高分辨率水下地形地貌探測技術(shù)綜述[ J].海洋開發(fā)與管理， 2 0 1 9， 3 6（ 6） ： 7 4-7 9.

[ 3] 張兆富. S E S - 9 6參量陣測深/淺地層剖面儀的特點及其應(yīng)用[ J].中國港灣建設(shè)， 2 0 0 1（ 3） ： 4 1-4 4.

[ 4] 周興華，姜小俊，史永忠.側(cè)掃聲納和淺地層剖面儀在杭州灣海底管線檢測中的應(yīng)用[ J].海洋測繪， 2 0 0 7（ 4） ： 6 4-6 7.

[ 5] 李平，杜軍.淺地層剖面探測綜述[ J].海洋通報， 2 0 1 1， 3 0（ 3） ： 3 4 4-3 5 0.

[ 6] 石謙，張金城，蔡愛智，等.淺地層剖面儀在海岸工程上的應(yīng)用[ J].海洋工程， 1 9 9 5（ 2） ： 7 1-7 4.

[ 7] 李一保，張玉芬，劉玉蘭，等.淺地層剖面儀在海洋工程中的應(yīng)用[ J].工程地球物理學報， 2 0 0 7（ 1） ： 4-8.

[ 8] WA L S H G M.s y n t h e t i c a p e r t u r e a r r a y t e c h n i q u e s f o rh i g hr e s -o l u t i o no c e a nb o t t o m m a p p i n g[ R].1 9 6 7.

[ 9] 王曉靜.多波束S A S三維仿真模型與成像算法研究[ D].哈爾濱：哈爾濱工程大學， 2 0 1 5.

[ 1 0] 于福建，王斌，張培珍.起伏海底掩埋目標聲散射特性數(shù)值仿真[ J].水下無人系統(tǒng)學報， 2 0 1 8， 2 6（ 6） ： 5 3 3-5 3 6.

[ 1 1] G R I F F I T H H D. M i n ed e t e c t i o nu s i n gi n t e r f e r o m e t r i cs y n t h e t i c a p e r t u r es o n a r[ Z].1 9 9 5.

[ 1 2] S E R A F I NP， OKON F A F A R A M， S Z UGA J EW M， e ta l . 3 - D i n v e r s e s y n t h e t i c a p e r t u r e s o n a r i m a g i n g[ C] / /I E E E.1 8 t h I n -t e r n a t i o n a lR a d a rS y m p o s i u m（ I R S） ， 2 0 1 7， 1 8： 1-7.

[ 1 3] HAN S E N R E. S y n t h e t i ca p e r t u r es o n a rt e c h n o l o g yr e v i e w[ J]. M a r i n eT e c h n o l o g yS o c i e t yJ o u r n a l， 2 0 1 3， 4 7（ 5） ： 1 1 7-1 2 7.

[ 1 4] HAY E S M，GOUGH P T. S y n t h e t i c A p e r t u r e S o n a r：A R e v i e wo fC u r r e n tS t a t u s[ J].I E E EJ o u r n a lo fO c e a n i cE n g i -n e e r i n g， 2 0 0 9， 3 4（ 3） ： 2 0 7-2 2 4.

[ 1 5] 朱宇濤，粟毅，陸珉，等.基于寬帶二維合成孔徑的三維成像算法[ J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)， 2 0 1 2， 3 4（ 4） ： 6 7 3-6 8 0.

[ 1 6] A S A D AA， YA B UK IT. S y n t h e t i ca p e r t u r et e c h n i q u ea p p l i e d t oam u l t i - b e a me c h os o u n d e r[ J]. E a r t h， P l a n e t sa n dS p a c e， 2 0 0 1， 5 3（ 4） ： 3 2 1-3 2 6.

[ 1 7] 李海森，魏波，杜偉東.多波束合成孔徑聲吶技術(shù)研究進展[ J].測繪學報.2 0 1 7， 4 6（ 1 0） ： 1 7 6 0-1 7 6 9.

[ 1 8] 徐江，唐勁松，張春華，等.運動補償?shù)亩嘧雨嚭铣煽讖铰暭{波束形成算法[ C] / /中國聲學學會.中國聲學學會2 0 0 2年全國聲學學術(shù)會議論文集， 2 0 0 2： 1 0 4-1 0 5.

[ 1 9] P a n g e o公司. S u b - B o t t o mI m a g e r產(chǎn)品簡介[ E B/O L]. [ 2 0 2 0-0 7-2 4]. h t t p s： / /w w w. p a n g e o s u b s e a .c o m/s u b - b o t t o m - i m -a g e r .

[ 2 0] 中科探海（蘇州）海洋科技有限責任公司.三維掩埋物成像聲納產(chǎn)品簡介[ E B/O L]. （ 2 0 1 6-0 9-1 8） [ 2 0 2 0-0 7-2 4] h t -t p： / /w ww. t - s e a . c n/h t m l /c p z x/ t y s h y t c s b/ t y s s x k s c x s n_s w_/2 0 1 6/0 9 1 7/1 5 1. h t m l .

[ 2 1] 中科探海（蘇州）海洋科技有限責任公司.中科探海某海域L N G管線探測項目內(nèi)部報告[ R].2 0 1 9.