多波束技術在現代海洋測繪中的應用及系統算法分析

中圖分類號：TP317;TQ018 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）10-0230-04

Application of multi-beam technology in modern marine surveying and mapping and system algorithm analysis

WANG Zhibin （Guangzhou Maritime Surveying and Mapping Center，Guangzhou 51O2Oo，China）

Abstract：Aiming at the problems of current marine surveying and mapping system in terms of accuracy and functional integration，this paper carres out acase design study of multi-beam color acoustic wave surveying and mapping system，and explores the technical pathof multi-functional integrated marinetopographyandocean current featureacquisition.Basedonthe waterfall development model，the technicalframework of thecoordinatedoperationof the embedded dataacquisition unit and the ship-borne IDC data processing centeris constructed，and the performance of the system is verified bylaboratory simulation.Theresults show that the system canachieve sub-centimeter terrain resolution in the shalowsea area;however，inthe deep-sea complex environment，there are problems of signal attenuationand data fusion deviation，which affectthereliabilityofsurveying and mapping results.Therefore， the system is suitable for near-shore surveying and mapping tasks and has practical value for improving regional marine environment cognition.However，it is necessary to furtheroptimize theunderwater communication mechanism to meet the needs of ocean-going operations.

Key Words： multi-beam mapping; modern marine surveying and mapping;system development;mbedded system;

采用多波束彩色聲波聲吶技術是當前國際海洋 測繪界的共識。多波束測繪是通過不同角度、不同頻率的聲波波束照射洋盆及洋流，同時結合多普勒效應和聲波反射散射模型，判斷洋流方向和流體結構，判斷洋盆表層地質構成。本文考察拖電式聲吶探頭條件下海洋測繪系統。

1基于多波束技術的現代海洋測繪系統分析

1.1 測繪需求分析

船舶平臺的穩定性是測量穩定性的必要條件，所以應適度加大測量用船舶的噸位和動力。采用2000噸級柴油動力測繪船拖電聲吶進行測繪，船舶采用3500馬力單車單舵驅動，測量時巡航速度12節（對水速度 22.224km/h） ，拖曳探頭采用半沉式，拖纜一級長度 150m ，后級每級長度 50m_o 為加強測繪，可采用雙船聯合測量的方式進行測繪[1]。半沉式拖電聲吶探頭如圖1所示。浮筒上部布置GPS/BDS雙模定位系統，微波測距系統，光信號通訊系統，下部布置多波束聲吶測量系統。

拖曳式聲吶組如果要構成陣列，需要進行兩次計算。第1，通過GPS/BDS雙模系統獲得精度在 ±50 mm 的陣列位置圖，如果采用雙船測量，則兩船的聲吶組GPS/BDS數據應實現共享[2。第2，通過微波收發系統進行廣播通訊，通過時間戳和時間差計算出 ±5 mm 的位置平差數據。將微波收發系統的平差數據和GPS/BDS數據進行平差計算，最終得到精度為 ±10 mm的GPS/BDS定位網絡數據[1]。其組網模式如圖2所示。

圖1拖電式多波束聲吶結構示意圖 Fig.1Structural diagram of towed multi beam sonar

在每條測量船上布局完整的數據倉庫，AI服務器，HTTP桌面終端服務器等，與本船拖電的聲吶組直接進行基于FDDI的光纜雙工通訊，并將探頭數據采集到數據倉庫中[3]。同時，雙船之間使用WIFI照射系統進行雙工通訊，使參與測量的兩條測量船的聲吶數據進行共享和同步。其局域網拓撲模式，如圖3所示。

圖3局域網拓撲示意圖Fig.3Schematicdiagram ofLAN topology

綜上分析，不論使用多少條測量船，其都可以通過船舶之間的定向WIFI天線相互照射實現船舶間的短距離高速通訊連接，通過該連接，可以實現船舶間各自探頭組的數據共享4。其計算任務主要有兩個：其一為探頭的網格精確定位計算，其二為探頭回聲數據的可視化分析計算。

1.2 系統算法分析

1.2.1 探頭的網格精確定位計算

探頭之間通過廣播的方式進行測距，測距數據報包括三部分：第一部分為1字節的探頭編號，2字節的時間戳，1字節的校驗數據。校驗數據采用前三字節逐位邏輯加的方式進行校驗。探頭間距離 D 的計算公式為：

式中： 探頭 t₁ 與 t₂ 的距離，作為測量距離; L_t1 與 L_t2 為發送端及接收端的時間延遲對距離的修正值； C 為光速； 5 為大氣環境內的光速修正值； Δt 為數據傳輸過程的時間消耗;對 t₁，t₂，t₃ 三點的位置確認算法來說，使用三角法對其進行角度定位：

另有：

A_t1+A_t2+A_t3=π

式（2）式（3）中： A_t1，A_t2，A_t3 為三角形對應邊對面角的角度。

因為測量點在GPS/BDS雙模定位中的精度約為 ±50mm ，在微波測距中的精度為 ±5mm ，如果A船在前，B船在后，將A船第一個節點位置進行坐標系重疊矯正，將B船最后一個節點位置進行坐標系重疊校訂，判斷GPS/BDS坐標點半徑 50mm 區域與微波測距坐標點半徑 5mm 區域是否有重疊，如存在一點不重疊，則該周期測量無效，如有重疊，則按照兩點之間平差公式進行平差。平差公式為：

式中： 為平差后坐標矢量； 及

分別為GPS/BDS坐標矢量和微波定位坐標矢量；

1.2.2 探頭回聲數據的可視化分析計算

首先，根據多普勒效應進行洋流計算：

式中： a 為波束與洋流的垂直交角； V 為洋流流速； δ 為頻率修正參數； ΔH 為頻率改變量； H_s 與 H_r 分別為發送頻率和接收頻率；

其次，根據波束反射效率確定洋盆地質構成；

式中： β 為功率修正參數； ΔP 為功率改變量; P_s 與P_r 分別為發送頻率和接收頻率；

XP 為聲波在海洋中的功率損耗量：

XP=β^′VΔt

式中： β^′ 為聲波在海洋中的功率消耗距離修正量; V為海洋中的聲速。

最后，通過聲波傳輸時間，計算洋盆表面深度：

2多波束技術在現代海洋測繪中的應用

通過本文系統的應用研究，發現測繪數據的置信度超過 90% ，對海洋洋盆深度及地貌高程坐標的測量精度達到 以內，測量密度點網格小于50mm ，實現對海洋洋盆地貌的高精度高密度測量。雙船運行下，實際測量寬度為 50m ，運行速度為12節（對水速度 22.224km/h ，實際測量效率超過 100ha/h 持續運行狀態下，每天可以對超過 2400ha 的海域進行高精度洋盆測量。同時得到測量的包括洋盆表面的地質構造和洋流分布水平，這與本文測量實際使用的多波束測繪系統的功能相關[5]。

2.1 測繪場景分析應用

2.1.1 洋盆地貌測繪

對洋盆地貌進行測繪是所有海洋測繪工作的最基礎工作，即便采用單波束測繪系統，也可以實現該測繪目標。但是，多波束系統比單波束系統有較多優勢，主要包括：

第一，多波束系統可以進行更加復雜的平差計算。本文設備下，每個探頭均可以發出8個以上的測量波段，可以充分分析不同聲波頻率下的回聲響應情況。即對每個測量點均可以得到8個以上的測量結果。使用平差法，可以得到更精確的測量精度，實現對洋盆地貌更精確的測量。

第二，多波束系統可以使用不同的波束波段平衡海洋背景噪聲對波束偵聽效率的影響。海洋背景噪聲較為復雜，特別是在次聲波和超聲波波段，可能對單波束系統帶來顯著的干擾作用，而不同的背景噪聲環境干擾最顯著的測量波段較為固定，而采用多波束系統可以選擇受到干擾最小的波段作為主要測量波段。甚至可以分析不同波段下的回聲特征剔除相應的海洋背景噪聲雜波。

但是，使用多波束系統對洋盆地貌進行測繪的過程中，也存在一定的問題，主要包括：

第一，較為陡峭或不連續的底層，會給測量工作帶來諸多干擾。即便采用多波段的多波束系統進行測量，也難免在陡峭和不連續底層下得到高信度數據。當然可以通過增加探頭數量和拉大探頭間距離，獲得更加復雜的多角度多波束測量結果，用于對這些數據的校差和確認。

第二，受到復雜洋流、大規模魚群、洋盆地質條件突變等影響，也會在多波束系統中發生數據不連續或者BP神經網絡誤報的現象[8。但單波束系統對這些干擾的穩定性更差。使用多波束系統，同樣通過加大探頭數量和拉大探頭距離，也可以得到更加穩定的結果。

2.1.2 洋盆地質勘探性測繪

不同的洋盆地質條件會給不同波段聲波的吸收比和反射比帶來不同的影響。通過判斷不同頻率波束的吸收比和反射比，特別通過不同入射角條件下不同頻率波束的吸收比和反射比進行分析，可以得到不同洋盆地質條件的判斷。即在判斷洋盆表面地質條件的需求下，多波束系統較單波束系統更有穩定性和可用性[910]。

但是，在本文設計系統硬件系統及其算法條件下，仍然有以下干擾因素：

第一，洋流層流及鹽度斷崖的影響導致結果失真。聲波在海水中的傳播方向沿著物理最短方向傳播，所以在復雜層流條件下，層流之間會形成聲波折射和漫反射現象，這會對聲波波束產生干擾，同時，鹽度斷崖分層之間也會產生聲波折射和漫反射帶來的干擾[11-12]。綜合分析其干擾產生因素，多波束系統對此類干擾的適應性優于單波束系統，因為不同的分層條件可能產生最大影響的波束頻率有限，使用不同頻率的多波束系統，可能會有若干頻率繞開該干擾影響，從而獲得較為清晰的干擾數據。在多波束系統中，通過延伸的可視化分析，甚至可能對這些干擾直接進行可視化成像。所以，多波束系統遇到此類干擾失真，并非為系統缺陷，而是產生一種待開發數據資源[13-14]

第二，大規模魚群、海底雜質團等影響導致結果失真。海水中容易出現大規模的魚群或者懸浮雜質團對聲波進行漫反射，最終導致聲波無法按照預先設計接觸洋盆而發生較為理想的反射。多波束系統在處理這些干擾條件時，不能比單波束系統更有適應性。但這些干擾多為一過性干擾，當其規模不大或者小于聲吶陣列的總尺度時，聲吶陣列中會有若干探頭的數據穿過該干擾區[15-16]。所以，與前文描述其他部分干擾情況一樣，該干擾可以通過增加探頭數量或者加大探頭距離實現對探頭陣列的有效擴大，而提升對該干擾的適應性。

2.1.3 洋流特征測繪

本文通過多普勒效應判斷洋流對波束的多普勒頻率影響判斷洋流的流向和洋流規模。但是，按照本文設計的算法，在層流較為復雜的海域，因為本文系統無法判斷層流的分別影響從而導致對洋流特征的測繪結果失真[17-18]。這一缺陷是后續系統升級的重要切入點。所以，本文系統的硬件設計和算法設計條件下，其對洋流特征的測繪成果為參考性成果，并不能完全反映深海洋流特征，但其對淺海洋流測繪或者較簡單洋流結構的海域測繪還是具有一定的適應性。未來設計中，應對洋流特征的數據分析和系統架構進行升級研究，以在一次測繪中完成更加清晰的海洋測繪任務[19-20]

2.2 測繪應用效果及分析

通過前節分析，通過探頭可以獲得 ，S， H 三組變量，該三組變量的單獨數據結構均為四字節浮點變量。使用BP神經網絡計算每組變量的可信度，該計算通過同時考察前一周期變量和后一周期變量進行計算，得到中間周期變量的可信度。

對 ， S ， H 三組變量進行BP神經元網絡的信度判斷，均可使用圖4中的神經元網絡架構，且采用同樣的節點函數進行布局，但三組變量應該獨立形成BP神經網絡并獨立進行數據喂養訓練。其節點函數按照下述公式進行布局：

式中： X，Y 為訓練數據； A ， B ， Δα 為回歸數據

BP神經網絡采用5層隱藏層進行設計，分別為3節點，4節點，5節點，4節點，3節點進行布置，每層節點均按照前級節點進行數據迭代累加。最終得到輸出數據為一個4字節浮點數據，當數據達到0.995時，認為數據可信，當數據小于0.995時，認為數據不可信。BP神經網絡的喂養訓練數據結果按照1與0進行訓練，數據1為可信數據，數據0為不可信數據[21]

3結語

本文設計的多波束多船配合海洋測繪系統，使用每船拖曳3個以上聲吶探頭，每探頭距離 50m 以上，使用多船協同作業，可以實現對洋盆地貌、洋盆表面地質構造、洋流結構等綜合數據的一次性高效率測繪。但通過本文分析，該系統在數據挖掘等方面擁有更深人進行分析的發展空間，即該系統在后續開發中可進行更加深入的數據可視化升級，以提供更細致的海洋測繪成果。

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