应用侧扫声呐的海底目标探测技术研究

温志坚　何志敏

摘 要：本文基于笔者从事侧扫声呐应用的工作经验，以海底目标探测为研究对象，探讨了侧扫声呐与多波束测深系统配合进行海底目标探测的相关思路何方法，并结合具体案例给出了探测流程和结果评价，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：侧扫声呐 海底目标探测 多波束测深

中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（a）-0028-02

多波束测深系统以条带测量的方式，可以对海底进行100%的全覆盖测量，每个条带的覆盖宽度可以达到水深的数倍。应用这种高新技术，不仅可以获得高精度的水深地形数据，还可以同时获得类似侧扫声纳测量的海底声像图，为人们提供了直观的海底形态；侧扫声纳的出现为海底探测提供了完整的海底声学图像，用于获得海底形态，并对海底物质的纹理特征进行定性的描述。利用侧扫声纳和多波束测深系统能够探测海底地形、地貌、障碍物的特点，侧扫声纳和多波束测深系统在大陆架测量、港口疏浚、渔业捕捞、水利和生态监测、海底电缆探测、油气管道布设路径地形测绘以及轮船锚泊海区检测等方面均得到了广泛的应用，且取得了明显的效果，两者都是开发和利用海洋资源必需的仪器设备。在水深测量精度、定位精度、声像图分辨率等方面两者又各有独特的优点，如果将两者综合起来加以应用，可有效增强不同观测数据的互补性，提高工程质量。本文以EdgeTech 4200FS型侧扫声纳和SimradEM 1002型多波束测深系统为例来说明其在海洋目标探测中的综合应用。

1 侧扫声纳和多波束测深系统的特点

多波束测深系统与侧扫声纳都是实现海底全覆盖扫测的水声设备，都能够获得几倍于水深的覆盖范围。它们具有相似的工作原理，以一定的角度倾斜向海底发射声波脉冲，接收海底反向散射回波，从海底反向散射回波中提取所需要的海底几何信息。

由于接收波束形式的不同以及对所接收回波信号处理方式的不同，多波束测深仪通过接收波束形成技术能够实现空间精确定向，利用回波信号的某些特征参量进行回波时延检测以确定回波往返时间，从而确定斜距以获取精确的水深数据，绘制出海底地形图。侧扫声纳只是实现了波束空间的粗略定向，依照回波信号在海底反向散射时间的自然顺序检测并记录回波信号的幅度能量，仅仅显示海底目标的相对回波强度信息，获得海底地貌声像图。

1.1 高精度的水深和定位数据

多波束测深系统在处理接收的海底反向散射回波时，有着精密的空间定向，从回波信号时延处理上，有着准确的回波信号时延检测，因此多波束测深系统测量的水深数据精度高；从回波信号幅度处理上，多波束测深系统虽然也需要幅度的归一化处理，但不象侧扫声纳的归一化处理那样严格，远近端回波信號基本均匀，满足时延检测即可，因此多波束测深系统在测量水深的同时虽然也能获得类似侧扫声纳的海底声像图，为人们提供直观的海底形态，但声像图质量不高，分辨率较低。另外，Simrad公司的Triton软件能够依据测量的数据信息分类出海底沉积物的类型（岩石、泥、沙、粘土），这给工程带来了很大的方便。多波束测深系统在测量定位上一般采用DGPS或RTK的方式，DGPS定位精度可达到亚米级，RTK定位精度可达到厘米级，经过定位延迟改正后，多波束系统测得的海底目标位置精度很高。

1.2 高分辨率的海底声像图

侧扫声纳由拖在水中的拖鱼、线缆和船上的处理器三部分组成。其工作时由随船行进的拖鱼产生两束与船行进方向垂直的扇形声束，声波碰到海底或礁石、沉船等物体就被反射回来，反射回来的信号由拖鱼接收系统接收、转换放大，然后由处理器以图像的形式记录、显示反射和散射信号。侧扫声纳在处理接收的海底反向散射回波时，对回波幅度信息的处理要求比较严格，而对回波信号时间延迟不做要求，因此获得的海底声像图质量好，分辨率高。扫海时在水中的拖鱼与定位天线有一定的方位和距离偏差，这个方位和距离偏差受船速、航向、水的流速和流向的影响很大，这给测得的目标定位带来了困难。另外侧扫声纳不能进行声速和潮汐等改正，无法获得精确的水深数据。因此即使经过精密计算，侧扫声纳探测的海底目标在定位和水深数据的精度上都存在较大的误差。

2 用两种设备共同探测海底目标

利用多波束测深系统进行全覆盖水深测量，获取精确的水深数据，根据水深变化判断目标范围和大小，获得目标的精确位置信息，使用软件分析出目标周围的底质情况。利用侧扫声纳进行扫测，获取海底目标和地形等声像图，通过声图判读确定目标的性质、大小、范围。综合利用多波束测量数据和侧扫声纳声像图进行海底目标的探测，有效增强了不同观测数据的互补性，大大提高了工程质量。

某海区有一沉落的飞机，海区水深大约80m左右，海流大。现使用EdgeTech 4200FS侧扫声纳和EM 1002型多波束测深系统来共同探测。

2.1 先用EM 1002型多波束测深系统进行粗扫

在80m水深处，EM 1002型多波束的覆盖宽度大约有560m，考虑到全覆盖测量，在该海区布设500m宽的测线。首先用声速剖面仪测量声速，并把测量的声速数据输入多波束测深系统以提供声速实时改正。利用EM 1002型多波束进行全覆盖测量，航速控制在12kn以内。在测量中如使用正常水深测量时的导航质量监控窗口寻找目标比较困难，因为质量监控窗口展现的波束量少，再加上经常出现由噪音引起的假信号，想通过水深的变化寻找目标比较困难。EM 1002型多波束测深系统的SeabedImaging窗口在测量中可以实时获得像侧扫声纳扫海时一样的海底声像图。在测量船按计划线上线后可把导航质量监控窗口转换到SeabedImaging窗口，利用海底声像图来寻找可疑目标相对比较容易。多波束系统SeabedImaging可在测量中实时获得的声像图，对发现的可疑目标，记下其位置信息。

2.2 利用多波束测深系统和侧扫声纳进行精扫endprint

对于粗扫发现的所有可疑目标，首先使用多波束系统进行精扫。由于多波束系统中心波束密，脚印小，精度高，边缘波束疏，脚印大，精度低，所以在精扫测量时，降低船速，控制在4～6km，扇面开角控制在120°以内，中心波束多次通过目标进行加密测量。测量中使用SeabedImaging窗口寻找目标，当发现疑是要寻找的目标后，即投放侧扫声纳拖鱼进行进一步精扫。

使用EdgeTech 4200FS侧扫声纳进行精扫测量时，要降低船速，一般控制在3kn左右，用小量程多次通過目标实现，目标一般置于单侧扫描面的中间位置以减少各种失真。在测量中，多波束系统也同时测量作业，在低速中以获取更清晰的声像图。

2.3 多波束测深系统测量数据的处理

对多波束测深系统测量的原始数据使用Neptune或Caris软件进行后处理，在进行粗差处理时最好先整体察看目标附近的数据，以区分真伪数据，避免粗差处理时把真实水深删掉，经过潮汐、吃水、声速改正以及一系列的处理后就可得到水深成果图，通过水深成果图也可看到飞机沉骸处水深比周围浅4m。使用EM 1002多波束系统配备的SimradTriton软件对飞机沉骸周围的底质进行分析，可得出泥沙底质。图1为处理的飞机沉骸水深成果图，比例尺1∶1000，从成果图中就可得到飞机沉骸的精确位置和所处的水深值。图2为使用多波束系统测量的水深数据展示的飞机残骸的三维立体图像，由于当时没有进行加密测量，导致多波束系统采集数据量较少，立体图像并不是很清晰，只是一个大致的轮廓。综合测量所获得的数据信息，为下一步目标的打捞提供了可靠的资料。

3 结语

侧扫声纳和多波束测深系统在海底目标探测中的综合应用，增强了不同设备之间的互补性。另外，在浅水区进行大面积的水深测量中，利用多波束测深系统进行全覆盖水深测量，获得精确的水深数据，利用软件分析出测区底质类别；对于测区的航行障碍物，根据测量的水深数据可确定其最浅点和精确位置，而对航行障碍精确的性质、大小和范围，可使用侧扫声纳进一步扫测，通过扫测获得的声像图来判定。因此，在大面积的水深测量中两种设备的综合应用也具有很强的互补性。

参考文献

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