郭煥順

摘 要：SeaBat7125多波束聲納是搭載在深拖系統(tǒng)上重要的聲學(xué)測(cè)量裝備之一。多波束聲吶是常見的海底地形測(cè)量設(shè)備，在海洋失事船舶飛機(jī)的快速搜尋救助中起到重要的作用。本文首先介紹了SeaBat7125多波束聲納的系統(tǒng)組成，然后分析SeaBat7125多波束聲納的工作原理，最后介紹在海上搜尋的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：多波束系統(tǒng) 深拖系統(tǒng) 工作原理 水下目標(biāo)物搜尋

隨著“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略和“一路一帶”倡議的部署實(shí)施，海上交通是各國(guó)間經(jīng)濟(jì)貿(mào)易往來的重要途徑。對(duì)海上人命財(cái)產(chǎn)安全的保護(hù)逐漸得到各國(guó)的重視。因此，加強(qiáng)海上人命救助特別是深遠(yuǎn)海搜救能力對(duì)沿海和周邊國(guó)家的社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。2016年，南海救助局就推進(jìn)深遠(yuǎn)海搜救能力建設(shè)發(fā)展引進(jìn)了一套深拖系統(tǒng)，而SeaBat7125多波束是其搭載的重要的聲學(xué)測(cè)量裝置。主要是利用聲波在水中的傳播特性，計(jì)算出掃側(cè)海域的多個(gè)水深點(diǎn)，而多個(gè)水深點(diǎn)的集合即是該掃側(cè)海域的完整二維水深圖，經(jīng)過后處理后能得到三維視圖。

1.多波束系統(tǒng)的組成和安裝

SeaBat7125多波束換能器安裝在深海拖曳載體的時(shí)候，集成在鈦合金殼體中，耐壓可達(dá)6000米水深，掃側(cè)量程為0.5米至500米。由于SeaBat7125多波束換能器基陣大小決定了其作業(yè)量程，因此，要在大深度海域掃側(cè)且得到高測(cè)深分辨率，可以將多波束安裝于拖體上，利用其穩(wěn)定性強(qiáng)，可搭載其他輔助設(shè)備為多波束提供大深度掃側(cè)平臺(tái)。

1.1系統(tǒng)組成

SeaBat7125多波束系統(tǒng)的組成部分主要有發(fā)射接收換能器、鏈路控制單元（LCU）、7125處理器、顯示屏及其他輔助設(shè)備。

SeaBat7125多波束換能器由一個(gè)接收換能器和兩個(gè)發(fā)射換能器組成，兩個(gè)發(fā)射換能器分別控制著200kHz和400kHz兩個(gè)發(fā)射頻率。發(fā)射換能器是聲波發(fā)射器，根據(jù)基陣特性扇形定向發(fā)射一定數(shù)量的波束，波束到達(dá)海底后反射到接收換能器。

鏈路控制單元是為聲吶換能器和7125處理器提供雙向通訊鏈路，控制換能器的工作模式、發(fā)射頻率和功率等，再通過高速通訊鏈路將數(shù)據(jù)傳輸至7125處理器。

7125處理器是DAC-310工控機(jī)，對(duì)大量輸入輸出的數(shù)據(jù)流進(jìn)行管理，并對(duì)換能器傳輸過來的信號(hào)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合外部輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。

顯示屏是對(duì)7125處理器處理好的數(shù)據(jù)通過采集軟件sonar UI或處理軟件Qinsy進(jìn)行顯示.

輔助設(shè)備包括PHINS6000慣性導(dǎo)航單元和多普勒計(jì)程儀、聲速剖面儀、差分GPS接收機(jī)。慣性導(dǎo)航單元和多普勒計(jì)程儀能夠提供定位、真實(shí)航向、離底高度、速度、深度值及升沉信息。聲速剖面儀用于測(cè)定海域的聲速剖面。差分GPS能給出準(zhǔn)確的地理坐標(biāo)。這些輔助設(shè)備的數(shù)據(jù)都能傳輸?shù)?125處理器中，用于多波束數(shù)據(jù)的修正處理。

1.2系統(tǒng)安裝

SeaBat7125多波束換能器在拖體上的位置安裝十分重要，直接影響其聲波發(fā)射和接受質(zhì)量。接受換能器與發(fā)射換能器垂直組合安裝，基陣面朝下并處于同一水平即是平行于YX面，接受換能器固定安裝在拖體正下方，垂直于拖體航跡線，發(fā)射換能器則與航跡線平行。

SeaBat7125的整體連接包括濕端和干端兩部分。濕端部件有換能器和鏈路控制單元（LCU），安裝在拖體上并在一定水深工作。換能器與鏈路控制單元通過針孔水密接頭連接，雙向傳輸信號(hào)脈沖和為換能器供電。干端主要包括工控機(jī)處理器、顯示屏及GPS接收機(jī)。鏈路控制單元通過以太網(wǎng)和光纖的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與干端7125處理器高速長(zhǎng)距離雙向傳輸。聲速、姿態(tài)導(dǎo)航定位、GPS等輔助設(shè)備通過以太網(wǎng)連接7125處理器上的RJ-45網(wǎng)絡(luò)端口，將數(shù)據(jù)匯入并處理，最終在顯示器上顯示。

2.多波束系統(tǒng)工作原理

7125多波束系統(tǒng)利用多個(gè)基陣排列的換能器通過壓電陶瓷效應(yīng)，向海底發(fā)射寬覆蓋扇形聲波，并由接受換能器對(duì)海底回波進(jìn)行窄波接受。如下圖，發(fā)射基陣組成的發(fā)射換能器沿著拖體縱向安裝并向下發(fā)射沿著航跡線縱向窄，橫向?qū)挼纳刃尾ㄊ?。接受基陣波束特性剛好與發(fā)射基陣相反，接受基陣橫向安裝并接受沿航跡線縱向?qū)?，橫向窄的反射聲波。通過發(fā)射波束和接受波束在海底相交，在垂直航跡線的條帶區(qū)域形成多個(gè)照射“腳印”，而這些腳印就是海底采樣點(diǎn)，也是測(cè)深點(diǎn)。對(duì)“腳印”內(nèi)反射的聲波信號(hào)的時(shí)延和接受角度的估算，再結(jié)合聲速剖面儀數(shù)據(jù)利用公式計(jì)算出該點(diǎn)的水深值。每次計(jì)算出的多個(gè)波束水深點(diǎn)組成一條垂直航向的水深條帶，隨著拖體不斷航行，沿著航跡線的每條水深條帶就組成了一個(gè)完整的海底水深圖。

假設(shè)發(fā)射換能器向海底發(fā)射聲波信號(hào)，聲波信號(hào)到達(dá)海底散射后，接受換能器接受由θ角方向返回來的波束，接受信號(hào)后可以測(cè)量該聲波從發(fā)射到接受的時(shí)延Δt，既可以計(jì)算出圖4中斜邊L的長(zhǎng)度，也是聲波的傳輸距離。

上式中C表示聲波信號(hào)的傳輸速度，Δt表示主動(dòng)聲吶從信號(hào)發(fā)射到信號(hào)接受的時(shí)間差，根據(jù)接受波束角度θ可以算出：

其中H表示被測(cè)點(diǎn)P處的水深，XH表示被測(cè)點(diǎn)P的相對(duì)中軸線的水平距離。

3.多波束系統(tǒng)在深拖上的應(yīng)用

SeaBat7125多波束系統(tǒng)搭載著兩個(gè)不同發(fā)射頻率的換能器，分別是200kHz和400kHz。使用不同的發(fā)射頻率直接影響其掃側(cè)效率以及圖像分辨率。使用低頻工作時(shí)，工作離底高度大，掃側(cè)覆蓋區(qū)域廣，所以工作效率高，但測(cè)深分辨率低。使用高頻工作時(shí)正好相反，工作離底高度小，掃側(cè)覆蓋區(qū)域相對(duì)較小，所以工作效率低，但測(cè)深分辨率高。所以在海上水下搜尋時(shí)，要根據(jù)目標(biāo)物大小選擇開啟不同的發(fā)射頻率。

圖5為某次深拖作業(yè)中采集到的多波束數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理生成水深圖。當(dāng)多個(gè)波束信號(hào)發(fā)射接收后得到多個(gè)被測(cè)點(diǎn)的水深值，在處理的過程中將在同個(gè)水深值范圍內(nèi)的水深點(diǎn)呈現(xiàn)同一種顏色，不同水深值范圍內(nèi)的水深點(diǎn)呈現(xiàn)不同的顏色或者是漸變色。最終可以得到如下圖所示的海底水深圖，根據(jù)顏色判斷海底地形或者目標(biāo)物。圖中使用高頻時(shí)分辨率明顯高于低頻，能清晰顯示海底部分小坑洼。

圖6所示為某次試驗(yàn)中多波束的掃側(cè)圖，最左邊的圖為試驗(yàn)過程中將一塊1×1立方米的水泥塊拋入海中，水泥塊側(cè)躺在海床上并一半陷入泥沙里，菱角朝上。中間的圖為多波束在該水泥塊上方掃側(cè)收集到的波束點(diǎn)。通過對(duì)波束點(diǎn)的后處理得到右圖的3D圖。

4.結(jié)束語

隨著海洋資源開發(fā)和海洋工程的不斷發(fā)展，水下聲學(xué)測(cè)量裝置的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用得到前所未有的重視。特別是多波束系統(tǒng)在海洋勘察測(cè)繪、海洋石油勘探、水下考古、水下搜尋救助等海洋資源開發(fā)和海洋工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。多波束系統(tǒng)作業(yè)途徑多樣，可搭載安裝于船舶船底、拖魚、ROV、AUV等水上水下作業(yè)平臺(tái)上。多波束系統(tǒng)搭載在深拖系統(tǒng)上的應(yīng)用具有高效率、高分辨、低成本等優(yōu)勢(shì)。特別是在深海水下目標(biāo)物的搜尋中，能夠在廣闊的搜尋區(qū)域內(nèi)，快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并精準(zhǔn)定位。

【基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)：2017YFC0306003】

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