国产多波束侧扫声呐系统水上测试及性能分析

徐 乐，汪连贺

（天津海事测绘中心，天津 300222）

引言

侧扫声呐是一种快速探测和了解水下目标、获取海底地貌特征的水声设备。广泛应用于海洋勘测、海图测绘、失事沉船探测等领域[1]。近年来，新型的侧扫声呐设备不断推陈出新，从其工作原理来讲，侧扫声呐可分为：单波束单频侧扫声呐、单波束双频侧扫声呐、单波束三频侧扫声呐、多波束侧扫声呐等。其中单波束双频侧扫声呐应用较为广泛，技术更加成熟；而多波束侧扫声呐异军突起，发展迅速。

传统的单波束侧扫声呐属于主动型声呐，主要通过向海底发射一条垂直于拖曳方向的窄条状波束，获取反向散射信息反映海底的基本情况，当侧扫声呐沿拖曳方向运动时，换能器周期性地发射和接收声脉冲以得到波束照射的一窄条海底区域回波，再由信号处理器把不同发射周期的回波沿拖曳方向拼接起来就形成了海底地貌图像。基于上述原理，当发射单频信号时，垂直于航向的距离分辨力取决于发射脉冲宽度，而沿拖曳航迹方向的分辨力取决于方位向波束宽度和拖曳速度。当拖曳速度过大时，在一个发射周期内，声呐拖鱼沿拖曳方向行程过大，会出现相邻发射波束沿方位向空间扫描间隔过大的现象，造成成像分辨率下降[2]。代表性的单波束双频侧扫声呐设备包括EdgeTech 4200MP侧扫声呐、Klein4000 侧扫声呐等。

与单波束侧扫声呐相比，多波束侧扫声呐在技术设计层面更加先进，其在垂直拖拽方向发射多个平行的高频波束，能够获取多个波道的信息，结合动态波束聚焦技术，可以同时观察追踪不同方向的多个目标，且不易失去接触，极大的提高了中、近距离沿航迹方向的分辨率，实现了高速扫测。就工作效率和成像质量而言，性能上限远优于传统的单波束侧扫声呐。代表性的设备包括Klein5000 V2 型和Shark-S455M 型多波束侧扫声呐。

本中心于 2021 年引进新型国产设备：Shark-S455M 型多波束侧扫声呐。该型设备具有低速和高速两种使用模式，可根据需要实时在线选择。低速模式为单波束双频侧扫，高速模式为高频多波束侧扫（双侧10 个波束）。该设备采用动态数字自动聚焦技术，极大提升了影像数据的分辨率，同时 Chirp 调频信号和CW 连续脉冲信号可实时在线切换，作业模式比较灵活。其系统包含强耐压不锈钢拖鱼、高强度凯夫拉电缆、防水甲板单元和自主OTech 声呐软件。既可以采用交流供电，也可用蓄电池逆变供电。采用内置姿态传感器能检测拖鱼横摇、纵摇、波位信息，内置压力传感器实时测量拖鱼入水深度，内置超声波测深仪实时测量拖鱼到水底高度信息。为科学评价Shark-S455M 型多波束侧扫声呐实际性能，积累设备使用经验指导实际生产，我中心组织进行了相关验收测试，通过对海底沉船进行扫测，进而初步评价改型设备的优劣性。

1 测试方案设计

1.1 测试区域

测试区域选择在天津临港航道北侧某海域，该区域交通便利，海况良好，利于海上测试进行。选择该区域内一处沉船作为目标物进行声呐目标发现能力测试。该处沉船已在本中心历次扫海测量中获得了丰富的数据影像资料，可用于扫测成果比对。

图1 3DSS-iDX-450 型三维侧扫声呐沉船扫测影像

图2 EdgeTech4200MP 侧扫声呐系统沉船扫测影像

1.2 测线布设

根据沉船位置，顺航道方向布设计划测线，每条测线在保持采集参数不变的情况下至少往返测量两次[3]。声呐高速模式下测线距离沉船分别为 30 m、45 m、60 m、90 m 四组，对应声呐量程分别设置为60 m、90 m、120 m、180 m，确保将目标沉船置于量程中间位置；声呐低速模式下测线距离沉船分别为30 m、45 m、75 m、90 m，150 m 对应声呐量程分别设置为60 m、90 m、150 m、180 m，300 m，同样确保将目标沉船置于量程中间位置。

2 声呐高速模式测试验收结果

Shark-S455M 型多波束侧扫声呐高速模式为高频多波束侧扫，工作频率450 kHz，测试船速10 节。

2.1 60 m 量程

测线距离沉船30 m，右舷通过测得影像如图4：沉船轮廓清晰，细部特征明显，船体无明显变形，海底地形回波清晰，数据影像效果极佳。

图4 量程60 m，沉船位于右舷

2.2 90 m 量程

测线距离沉船45 m，左舷通过测得影像如图5：沉船轮廓清晰，船艏船尾可区分，船体无明显变形，数据影像效果较好。

图5 声呐高速模式，量程90 m，沉船位于左舷

2.3 120 m 量程

声呐高速模式下选用120 m 量程，测线距离沉船60 m，右舷通过测得影像如图6：沉船轮廓清晰，船艏船尾细节清晰，船体无明显变形，数据影像效果极好。

图6 声呐高速模式，量程120 m，沉船位于右舷

2.4 180 m 量程

测线距离沉船90 m，左舷通过测得影像如图7：沉船可判读，但细部特征无法辨别，数据影像效果一般。

图7 声呐高速模式，量程150 m，沉船位于右舷

3 声呐低速模式测试验收结果

Shark-S455M 型多波束侧扫声呐低速模式为单波束双频侧扫，工作频率为100 kHz/ 450kHz 同步工作，测试船速6 节。

3.1 60 m 量程

测线距离沉船30 m，分左右舷两次通过测得影像如图8：沉船轮廓清晰，船艏船尾细部特征明显，易于发现，但船体均发生了一定几何变形。

图8 量程60 m 测得影像

3.2 90 m 量程

测线距离沉船45 m，分左右舷两次通过测得影像如图9：沉船轮廓清晰，船艏船尾细部特征明显，易于发现，但船体同样发生了几何变形。

图9 量程90 m 测得影像

3.3 150 m 量程

测线距离沉船75 m，分左右舷两次通过测得影像如图10：沉船轮廓清晰，船艏船尾细部特征明显，易于发现，但船体均发生了一定几何变形。

图10 量程150 m 测得影像

3.4 180 m 量程

测线距离沉船90 m，分左右舷两次通过测得影像如图11：沉船轮廓、船艏船尾细部特征可辨，易于发现，船体几何变形不再明显，但左船舷通过时在沉船附近出现V 形异常信号。

3.5 300 m 量程

测线距离沉船150 m，右舷通过测得影像如图12：沉船轮廓不再清晰，船体难于辨认，且在沉船附近再次出现V 形异常信号。

图12 量程300 m 测得影像，沉船位于左舷

4 结语

本次测试采用不同设备参数对Shark-S455M 型多波束侧扫声呐系统进行了验收测试。测试结果表明Shark-S455M 型多波束侧扫声呐系统高速模式下数据质量清晰、稳定、可靠。低速模式下障碍物影像普遍发生一定程度几何变形，但不影像目标物的发现和判读。低速模式下当其扫宽大于等于180 m后影像中两次出现V 型异常信号，经分析可能是作业现场的灯浮标引起的信号反射异常亦可能受到海底地形、波束指向性、噪声等多方面因素的影响，尚须进一步研究测试。

在后续的工作中建议推广使用声呐高速模式。亦可在大范围扫海作业、应急扫测时先使用声呐低速模式，待发现目标物或可疑信号后再采用声呐高速模式进行复扫。同时，对目标物变形、异常信号等情况保持关注和警惕，不断积累数据，提高设备操作、数据判读水平。