孫麗平

摘 要：該文以側(cè)掃聲吶技術(shù)在海洋測深中的應(yīng)用為研究對象，論文首先探討了側(cè)掃聲吶測深的優(yōu)點和國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀，進而分析了國產(chǎn)側(cè)掃聲吶HRBSSS的工作原理和數(shù)據(jù)處理流程，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合某具體案例分析了該系統(tǒng)的測深精度。

關(guān)鍵詞：側(cè)掃聲吶技術(shù) 海洋測繪 數(shù)據(jù)處理 測深精度評估

中圖分類號：P714 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（a）-0088-02

1 研究背景

地球表面近70%的面積被海洋所覆蓋，因此海洋的戰(zhàn)略地位和蘊含的潛在經(jīng)濟價值正越來越受到人們的重視。相對于陸地而言，海底可能蘊藏著更加豐富的資源，為了合理地開發(fā)這些資源，就需要對海底的地形地貌有一個全面的了解，這是建設(shè)海洋工程、開發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋科學(xué)研究、維護海洋權(quán)益等各種海洋活動的基礎(chǔ)，但如何去了解海底地形地貌呢？眾所周知，在陸地上可以利用衛(wèi)星遙感，紅外遙感等方法來獲得地表的地形地貌，但在海洋中這些方法卻行不通，因為電磁波在水中衰減太快，幾乎傳播不到海底就衰減完了，所以無法用電磁波來探測海底的地形地貌。聲波和電磁波雖然都是波，存在很多類似的地方，但海水對它們的吸收系數(shù)卻很不一樣，聲波在海水中衰減較小，可以在海水中傳播得較遠，所以理論上可以用聲波來探測海底的地形地貌。

基于聲波這樣一種優(yōu)良的性質(zhì)，人們利用聲學(xué)原理，并結(jié)合信號處理技術(shù)和圖像處理技術(shù)，研制出側(cè)掃聲納來探測海底的地貌，形成能反映海底地貌的側(cè)掃聲圖。后來又有人提出多波束測深聲納，用來測量海底的深度，從而獲得海底地形。相對于傳統(tǒng)的單波束測深聲納而言，多波束測深聲納不僅大大提高了測深效率，并且能得到直觀的海底三維地形圖。

側(cè)掃聲納的優(yōu)點：（1）橫向分辨較高，能得到高分辨率的二維海底地貌圖；（2）可以根據(jù)海底回波強度信息定性分析海底介質(zhì)的組成；（3）價格便宜，安裝簡單。缺點：不能得到直觀的三維地形圖，不能精確地測出海底深度。

在測深側(cè)掃技術(shù)方面，國內(nèi)從事測深側(cè)掃聲納研制的單位更是少之又少，僅有聲學(xué)所從20世紀80年代開始開展測深側(cè)掃聲納相關(guān)理論研究，形成了一套包括模型、信號處理技術(shù)、聲納陣設(shè)計、誤差分析與精度評估在內(nèi)的較完整的高分辨率測深側(cè)掃聲納的理論體系，用于指導(dǎo)聲納設(shè)計。2007年，在國家海洋資源開發(fā)技術(shù)主題支持的背景下，聲學(xué)所率先自主研制出了高分辨測深側(cè)掃聲納HRBSSS，該系統(tǒng)具有分辨率高、功耗低、體積小等特點，適于安裝在拖曳體、水下機器人、遙控潛水器等多種載體上，可應(yīng)用于海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)、海洋工程、海洋開發(fā)以及水中目標(biāo)探測等領(lǐng)域。

2 HRBSSS工作原理與主要誤差源

中科院聲學(xué)所研制的第三代HRBSSS工作原理見圖1，其聲納陣沿載體長軸安裝于載體兩側(cè)，每側(cè)由一條發(fā)射線陣和八條接收線陣組成。

兩側(cè)發(fā)射陣同時發(fā)射信號，經(jīng)海底散射后的回波信號分別被八條接收陣接收。

由采樣點時刻計算信號傳播時延基于八通道接收數(shù)據(jù)的空間關(guān)系估計波達方向，之后利用回波入射角、時延以及聲速計算測深點相對于載體的水平距離和深度，再結(jié)合載體定位和姿態(tài)數(shù)據(jù)最終得到測深點的經(jīng)緯深。

HRBSSS主要誤差源包括：姿態(tài)傳感器輸出延遲及其與換能器陣相對高度和相對角度偏差、換能器陣幅相誤差、表面聲速和聲速剖面誤差、深度傳感器與換能器陣相對高度偏差、定位數(shù)據(jù)誤差和輸出延遲、定位系統(tǒng)與換能器陣相對位置偏差以及信號處理方法誤差等。

其中姿態(tài)類誤差、幅相誤差、聲速類誤差及定位誤差對測深結(jié)果影響較大，通常為主要校準(zhǔn)對象。

3 HRBSSS數(shù)據(jù)處理與偏差校準(zhǔn)

為降低HRBSSS測深誤差，需進行系統(tǒng)偏差校準(zhǔn)工作，前期測量和標(biāo)定工作主要包括：標(biāo)定換能器幅相誤差，測量定位系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、深度傳感器與換能器陣的相對位置以及換能器陣安裝角度；利用示波器和處理程序確定聲納頻率參數(shù)與預(yù)期一致； 靜態(tài)采集定位數(shù)據(jù)確定定位精度。此后需在試驗海區(qū)測量近期表面聲速與聲速剖面，并完成多組參數(shù)校準(zhǔn)所需測線，包括：平坦區(qū)域軌跡平行的S形測線，相鄰測線50%覆蓋，用于roll偏差校準(zhǔn)；有明顯坡度區(qū)域兩條重合反向測線用于pitch偏差校準(zhǔn)； 有突出孤立標(biāo)志物區(qū)域兩側(cè)平行反向測線用于heading偏差校準(zhǔn)； 平坦區(qū)域十字測線用于幅相誤差校準(zhǔn)。測深數(shù)據(jù)處理及參數(shù)校準(zhǔn)流程見圖2，因多種參數(shù)誤差互相作用，采用循環(huán)校準(zhǔn)策略，直到各參數(shù)的校準(zhǔn)量收斂到某個值，才認為得到校準(zhǔn)結(jié)果。最后利用校準(zhǔn)量修正參數(shù)獲得最終測深結(jié)果。

4 實驗數(shù)據(jù)測深精度評估

該文實際對安裝于DTA-6000聲學(xué)深拖系統(tǒng)的HRBSSS進行了測深數(shù)據(jù)精度評估。

2009年DTA-6000在南海某區(qū)域進行作業(yè)，水深約5 000 m，單條測線覆蓋寬度需求為 250 m×2。分析單Ping測深數(shù)據(jù)，精度評估結(jié)果見圖2。圖2（a）為單Ping測深結(jié)果，可見測深數(shù)據(jù)能夠滿足單側(cè)250 m覆蓋需求。圖2（b）所示為每2 m范圍內(nèi)測深標(biāo)準(zhǔn)差，在此基礎(chǔ)上計算得左、右舷標(biāo)準(zhǔn)差均值均為0.09 m。進一步計算相對測深精度，得出95% 置信度下左、右舷相對測深精度均優(yōu)于0.75%，即HRBSSS聲納自身在測線250 m×2覆蓋范圍內(nèi)符合IHOS-44特級標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻

[1] 高俊濤.高分辨率測深側(cè)掃聲納參數(shù)修正和系統(tǒng)偏差校正方法研究[D].北京：中國科學(xué)院研究生院，2008.

[2] 楊玉春.測深側(cè)掃聲納關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國艦船研究院，2014.