一種側掃聲吶檢測力的評價方法

庫安邦，周興華，董立峰，王方旗，丁繼勝，劉敦武，陶常飛

（1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266510；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

一種側掃聲吶檢測力的評價方法

庫安邦1,2，周興華2*，董立峰2，王方旗2，丁繼勝2，劉敦武2，陶常飛2

（1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266510；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

側掃聲吶是海洋調查常用的探測儀器，為保證測量數據的準確性，對其實際探測性能的評價就顯得尤為迫切。文中從側掃聲吶的工作原理出發，梳理了檢測力和分辨力在概念上的混淆，并提出了一種評價檢測力的方法；通過在海底人工放置一些已知大小的目標物，精確測量各個目標物的位置信息，并使用EdgeTech 4200MP雙頻側掃聲吶系統對目標物進行掃測試驗以檢測其檢測力。結果表明，目標物和航跡線方向平行時，能夠清晰地分辨直徑或邊長為20 cm，30 cm的物體，不能分辨出直徑為10 cm的圓形物體，但能較清晰的分辨出直徑為0.9 cm的長繩；目標物在垂直航跡線方向時，能夠清晰地分辨直徑或邊長為10 cm的目標物，但是不能分辨出直徑為0.9 cm的長繩；綜合評價得出其縱向檢測力優于1 cm，橫向檢測力優于10 cm。對常用聲吶探測儀器的標準化體系的建立有一定的幫助。

側掃聲吶；檢測力；分辨力；方法

海底地形地貌作為認識和了解海洋的基本信息，在海洋資源開發、海洋工程建設和海洋權益維護方面有著不可或缺的作用。海底信息的探測是進行海底科學研究的基礎[1-3]，是了解海洋空間形態特征的基礎性資料。由于聲音在水中傳播的特殊優勢，目前海底信息的快速獲取還主要依賴于聲學探測設備[4-6]，側掃聲吶和多波束系統等聲學設備已逐漸成為獲取海洋地形地貌的主流手段。然而市場上各種型號的聲吶儀器讓人眼花繚亂，如何正確地選擇一款質量過硬的產品是各個科研單位和公司所關心的。一款好的儀器設備主要體現在數據質量上，而在數據質量保障上沒有得到應有的關注。目前國內對于聲吶儀器的檢校工作還處于摸索階段，沒有形成一套統一的標準體系，對于一些常用的側掃聲吶設備，通常直接使用或采取自校準的方法，相關系統性能檢測方法和相應的測試設施嚴重匱乏，沒有形成一個嚴格的標準對儀器的性能進行評價，這樣所獲取的數據資料將會存在很大的質量隱患，嚴重影響了探測結果的準確性和可靠性。隨著海洋測繪學科的迅速發展，國家海洋局海洋標準計量中心開展了海洋聲學設備檢測校準的研究，擬制定統一的聲學設備計量標準，有效地推動了常用聲吶儀器標準化體系建立的進程；張濟博[7]等曾對比過相干聲吶和傳統聲吶的差異，對兩款儀器的檢測能力進行了比較，但結果較為粗糙，可信度較差；董希貴[8]曾介紹過多波束聲吶主要技術指標的鑒定方法，對多波束測量成果具有一定的保證性。長期以來人們一直把側掃聲吶系統作為物探的儀器設備，并沒有對其各方面的探測精度做更多的要求，往往忽略了儀器的校準和各個性能指標的檢測，得到的數據資料會存在重大的安全隱患。所以研究側掃聲吶系統性能檢測的關鍵技術和方法，建立科學的、權威的檢測和評價體系，保證探測數據的準確性和可信度，對我國海洋測繪事業的發展有一定的經濟和社會價值。

本文依托海洋公益性行業科研專項《常用海底聲吶測量儀器計量檢測關鍵技術研究與示范應用》，在項目實踐的基礎上，提出了一種測掃聲吶檢測力的評價方法，為以后開展此類儀器設備的檢測和應用提供參考。

1 側掃聲吶系統組成和工作原理

1.1 系統組成

本次試驗采用的側掃聲吶系統是美國EdgeTech公司生產的EdgeTech 4200MP系列，整個系統主要由拖魚、拖纜、甲板單元和計算機等組成，拖魚中集成姿態、壓力等各種傳感器，為海底探測提供必要的輔助參數，拖魚通過兩側換能器發射和接收脈沖信號，實現對海底的探測；拖纜連接拖魚和甲板單元，實現數據的實時傳輸，計算機主要起到控制和顯示的功能，通過運行在計算機上對應的采集軟件，實時顯示探測到的地形地貌。此次試驗選用的側掃聲吶系統全頻譜CHIRP和多脈沖技術集成于一體，全頻譜CHIRP技術可以得到寬頻帶、高能量發射脈沖和高分辨率、高信噪比的回波，寬頻帶、低噪音的前置電子電路有效地消除了儀器引起的相位誤差和漂移。主要性能指標如表1所示。

表1 EdgeTech 4200MP主要性能指標

1.2 工作原理

側掃聲吶左右各有一個換能器線性陣列，每個線陣均由許多個微小的陣元組成，試想每個陣元發射一個脈沖，波束相互疊加，最終在指定的角度內產生較大的波束能量。發射換能器發射一個短促的脈沖，通常我們認為聲波是以固定的開角形成一個扇面向遠處傳播，事實上發射的聲脈沖信號并不是完全按照人們意愿的那樣，如圖1(a)，實際的聲吶信號是以球面波的形式向四周發射的，儀器標稱的垂直波束開角也是局限在-3 dB內的角度，它是主瓣軸線與其側下方的旁瓣軸線之間的夾角，而脈沖的大部分能量都集中在這個角度內，我們稱之為波束的指向性。通常為了提高測量效率，更多地接收海底回波，如圖1(b)所示的探測剖面圖，側掃聲吶兩側換能器基陣會有一個斜向下20°～40°不等的安裝傾角，使盡可能多的波束向海底發射，發射的扇形脈沖碰到海底產生的反射或散射回波會原路返回，根據距離長短被先后接收，每一次接收的回波數據顯示在顯示器上為一窄梯形，每一點的位置和回波到達的時刻對應，因此每次發射得到的回波是一個個的脈沖串。脈沖串幅值的高低變化對應海底起伏軟硬的信息，幅值較低說明無回波信號或回波較弱，而幅值較大則說明回波信號較強，海底可能存在顯著的目標物。通常硬的、粗糙的和凸起的海底回波信號強；軟的、平滑的和凹陷的海底回波弱；被遮擋的海底無回波，形成聲影區；另外，距離越遠回波信號越弱[9]。換能器按一定的時間間隔發射接收脈沖，將每次接收到的一呯呯回波數據顯示排列起來，就得到了二維海底地形地貌的聲圖。操作人員借助計算機對聲圖進行進一步的處理，根據輸出的二維圖像對海底地貌進行判讀。

圖1 側掃聲吶工作原理

1.3 檢測力與分辨力

分辨力是側掃聲吶的一個重要指標，它指的是在聲吶圖像中能區分兩目標物的最小距離，可分成縱向分辨力dx和橫向分辨力dy（如圖2）。換能器發射脈沖不僅有一個較寬的垂直開角，還有一個很窄的水平波束角，兩者分別對應著側掃聲吶的橫向分辨力和縱向分辨力，橫向分辨力是區分垂直于航向海底兩目標物之間的最小距離；而縱向分辨力是區分平行航行方向的兩目標物之間的最小距離。

圖2 脈沖發射立體圖

圖3 側掃聲吶分辨力解譯圖

側掃聲吶的分辨力大小可以通過具體的模型計算出來，它們的關系如（1）式所示：

式中：R為換能器至目標物的斜距；θx是水平波束角；c為聲速；τ為發射脈沖的長度；θ為聲波掠射角，就是斜距與水平海底面之間的夾角，而這些關系成立的前提均是假設海底為一平面。其中縱向分辨力受水平波束開角和斜距的影響較大，同樣也與船速和脈沖發射間隔有關；而橫向分辨力受發射脈沖寬度的影響較大，同樣也受拖魚高度和船速等的影響。圖4表示的典型側掃聲吶在脈寬為0.1 ms時縱、橫向分辨力與掠射角的函數關系，由圖可知，在掠射角為15°～60°的區域內，兩者分辨力都相對較高，總體上伴隨斜距的變化二者呈現出相反的趨勢，可以為下面試驗提供一定的參考依據。

圖4 側掃聲吶分辨力與掠射角關系圖

分辨力是體現儀器性能的量化指標，可以通過相關的計算求出其影響因素的最優組合，從而提高工作效率。而在日常工作中，人們往往會把分辨率、分辨力和檢測力這三個概念混為一談，以前人們多用分辨率這一概念形容或評價儀器或圖像的質量優劣，在不同的領域有不同的解釋。根據GJB2715-2009《軍事計量通用術語》第2.6.16條[10]，分辨力的英文也為“resolution”，意為“引起相應示值產生可覺察到的變化的被測量值的最小變化”。另外，根據2.6.17條，顯示裝置分辨力“resolution of a displaying device”，解釋為“顯示裝置能有效辨別的最小示差值”。因此，分辨力是有單位的數值，而不只是泛泛地對“分辨能力”的簡稱。而根據最新國家相關標準，分辨率和分辨力所表達的意思基本上是一致的，但分辨率是推薦使用的行業術語，而分辨力已成為強制執行標準，所以使用分辨力這一術語描述儀器性能指標更為規范一些。而檢測力和分辨率、分辨力均不相同，它沒有固定的量化標準和計算模型，它表示的是能看到最小目標的能力，而不是像分辨力那樣分辯兩目標物之間的最小距離，可以這么理解，檢測力是分辨力的總體現，檢測到的目標能力越強，對應著的分辨力也越好，相應的儀器性能也就越好，它可以作為體現儀器性能的重要指標。但檢測力的影響因素是綜合性的，不像分辨力有具體的量化計算方法，加上試驗過程外部因素影響眾多，因此實際的檢測力大小只能進行相對性的評價，沒有一個絕對的數值體現，而其實際影響因素需根據相關試驗進行分析總結。

2 方法設計

檢測力的概念跟分辨力相近相通，因此可以推斷檢測力也不外乎受船速、拖魚高度和量程等因素的影響，試驗的過程中需適時調整相關參數使其達到最優的探測效果，從而才能對檢測力這一指標進行相對準確的評價。

2.1 試驗準備

根據試驗要求，加工制作了邊長為10 cm，30 cm的正方塊和直徑為10 cm，20 cm，30 cm的圓球共計6個（下圖5），材料均選用不銹鋼材料。因為前期試驗時各目標物之間間距太短，海流等因素的影響易造成目標物的纏繞，不易對其進行解譯，所以后期試驗改為5 m等間距，通過直徑為0.9 cm的細繩相互連接，在繩子兩端分別捆綁一個小型船錨，當目標物被釋放到海底時，便于將其穩定在海底，位置不會因海流等的影響發生太大的變化，長繩的另一端系一個浮球，方便打撈時尋找。現場試驗時，需頂流將其慢慢的放入水中，各個目標物都能夠相互分離開來，方便數據采集后對目標物的解譯。

圖5 目標物連接設計圖

待放入海底的目標物位置趨于穩定后，利用GPS和Seabat7125高分辨率多波束測量系統對各個目標物進行掃測得到其精確的位置信息，為后續側掃聲吶的測線布設和測量提供基礎信息。圖6為多波束掃測到的鋪設的海底目標物的信息，為防止海流對此次試驗制作的目標物的沖刷影響，一方面是在目標物兩端加裝了船錨，另外就是此次制作的目標物相對較重，位置相對穩定，為試驗提供了有利條件。

圖6 多波束測量系統確定目標物位置圖

2.2 測線布設

在確定目標物的精確位置后，根據目標物的位置信息，在該目標物連成的直線兩側間隔為10 m各布設測線5條；同時在垂直該目標物直線方向兩側布設測線作對比分析。每條測線至少往返測量兩次，調整好各參數保持不變，改變拖魚至目標物的距離，對比側掃聲吶系統對目標物檢測效果的變化；同理在保證其他參數一定的情況下，改變側掃聲吶的量程，對比不同量程對其檢測力的影響效果；同理調整拖魚入水深度，比對拖魚入水深度的不同對檢測力的影響效果；最后在垂直于目標物連成的直線方向對目標物進行探測，對比印證縱橫向探測檢測力的變化情況。

2.3 結果分析

（1）選擇頻率為400 kHz，量程50 m，為使探測效果達到最佳，船速盡量保持在3 kn左右，測區水深大約11 m，地勢較平坦，拖魚入水深度調整到3 m左右。首先測試目標物連成的直線和拖魚平行時側掃聲吶的檢測力，如圖7所示，圖(a)為探測目標與拖魚平行距離為10 m左右，圖(b)為探測目標與拖魚平行距離為20 m左右，圖(c)為探測目標與拖魚平行距離為30 m左右，3張圖都能清晰的看到4個目標物，圖（7）中最下邊目標是小型船錨，上邊依次為繩子串聯的目標物，由圖（7）可知，圖(b)效果為最佳，它能清晰的分辨出直徑或邊長20 cm、30 cm的目標物，也能分辨出邊長為10 cm的方形目標物，能略微看到直徑為10 cm的圓形目標物，但效果較差；圖(a)目標物變形最小，但是圖像效果較差，分析可能是因為圖(a)中的目標物位置離拖魚正下方較近，海底散射回波較大，噪聲污染影響了對目標物的判讀；圖(c)中目標物變形較大，原因是距離換能器距離較遠，距離向的壓縮變形導致的，但是能更加清晰地看到連接目標物的細繩，推斷其原因，一是跟目標物的形狀有關，二是距離向的變形反而使繩狀的物體更易被發現；綜合評價在縱向探測方向上，側掃聲吶探測系統檢測力優于1 cm，也與縱向分辨力的變化相符合。

圖7 距離變化對檢測力的影響

（2）保持發射頻率、拖魚入水深度、船速等參數不變，改變側掃聲吶的量程，如圖8所示，圖(a)為量程50 m檔探測到的目標物，圖(b)為量程25 m檔探測到的目標物，目標物均位于距離拖魚約20 m的位置，可以看到量程50 m檔時不能清晰地看到10 cm的圓形目標物，量程為25 m檔時能清晰地反映出目標物的輪廓，但是對于直徑為10 cm的圓形目標物也無法做出精確地判讀，但是圖(b)反映的目標物更加清晰，同樣的距離，量程的改變實則是起到了一個“放大鏡”的作用，但同時也使得目標物在圖像上的變形顯得更大；說明同樣的距離，量程與檢測力呈現反相關的關系，實際探測時要予以考慮。

圖8 量程變化對檢測力的影響

（3）保持發射頻率、船速、量程等各參數保持不變，改變拖魚入水深度，圖9(a)～(c)分別為拖魚入水深度5 m，6 m和8 m時探測到的目標物，可以看到拖魚入水深度為8 m時探測所得的聲圖對目標物的反映更加細致，基本上可以看到直徑為10 cm的圓形目標物，同樣變形也較大，所以拖魚距海底越近，側掃聲吶的檢測力相對越高，探測精度相對就越高。

圖9 拖魚入水深度變化對檢測力的影響

（4）頻率為400 kHz，船速保持在3 kn左右，拖魚入水深度為3 m。在垂直于目標物連成的直線方向上對目標物進行掃測對比橫向上側掃聲吶檢測力的變化。如圖10所示，在距離向上，可以清晰地看到直徑為10 cm的圓球，但是卻看不到連接目標物的細繩，推斷是因為在橫向上，反映在聲圖上的目標物主要受壓縮變形的影響，而把細繩分解為一個個橫向上的小目標元，其目標物上的回波信息太少以至不足以呈現在聲圖上，而在橫向上對目標物之間的區分能力明顯優于縱向，說明側掃聲吶系統橫向分辨力優于縱向分辨力，與其性能指標相符合；綜合分析在橫向上檢測力優于10 cm，對于管線的檢測相比縱向較差，對以后的海底管線測量也是一個很好的啟示。

圖10 垂直于目標物直線探測圖

3 結束語

本文根據側掃聲吶工作原理對分辨率、分辨力和檢測力進行了區分，對分辨力變化進行了量化解釋和分析，并就檢測力這一性能指標提出了一種評價方法，進行了相關試驗并分析了不同因素對檢測力的影響，對一款常用的側掃聲吶儀器的相對檢測能力做了分析，綜合分析試驗儀器在平行航跡方向上測探管狀物體效果較好，優于1 cm，而對分離的目標物探測精度相對較差；而在垂直航跡方向上，對目標探測得到的圖像效果較好，對分離的目標物的探測檢測力優于10 cm，而對管狀物的檢測效果較差。評價側掃聲吶性能的指標有很多，檢測力只是其中的一個方面，而影響側掃聲吶探測性能的許多重要指標如聲源級、橫向分辨力和縱向分辨力等則需要更系統的方法去驗證，一款聲吶探測儀器的性能好壞需要通過對各個因素進行綜合分析，才能得出比較全面的結論。

因為此次試驗是在海上進行的，海上不確定因素很多，每次測量的試驗環境都會有或多或少的不同，對試驗結果會產生一定的影響；而且對檢測力的判斷是通過人的肉眼對探測聲圖的解讀，沒有一個量化的解決方法，做出的判斷會存在一些偏差。筆者會以此為開始，繼續詳細地研究側掃聲吶其他性能指標的檢測方法，同時也希望相關部門能夠協同合作，早日建立起我國聲吶標準化計量體系，形成一套完整的檢測解決方案，保障聲吶數據的可靠性和準確性。

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An Evaluation Method for Side Scan Sonar Detection Force

KU An-bang1,2,ZHOU Xing-hua2,DONG Li-feng2,WANG Fang-qi2,DING Ji-sheng2,LIU Dun-wu2,TAO Chang-fei2
1.Geomatic College,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,Shandong Province,China; 2.First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao,266061,Shandong Province,China

Side scan sonar is often used for marine survey detection.In order to ensure the accuracy of measured data,evaluation of the actual detection performance is of particular significance.Based on the working principle of side scan sonars,this paper analyzes the confusion of detection force and resolution in terms of concepts,and presents an evaluation method for the detection force.Some objects with known size and position are placed on the seafloor,and the EdgeTech 4200MP dual frequency side scan sonar system is applied to accurately detect the position information of each target.The results show that when the objects and track direction are parallel,it is capable of clearly distinguishing the object whose diameter or length is 20 cm and 30 cm.However,it cannot clearly distinguish the object whose diameter is 10 cm.Nevertheless,it can clearly distinguish the long rope whose diameter is 0.9 cm.When the objects and track line are vertical,it can clearly distinguish the object whose diameter or length is 10 cm,but it cannot distinguish the long rope whose diameter is 0.9 cm.It can be concluded that its parallel detection force is less than 1 cm and its vertical detection is less than 10 cm.The results of this paper is conducive to establishing a standardized system for side scan sonars.

side scan sonar;detection force;resolution;method

P715

A

1003-2029（2017）02-0035-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.006

2017-01-11

海洋公益性行業科研項目資助（201305034）；國家自然科學年基金資助項目（41606056）

庫安邦（1991-），男，碩士研究生，主要從事海底地形地貌測量及其數據處理。E-mail:13156285132@163.com

通訊簡介：周興華，教授，博士生導師，主要從事海洋勘測技術及導航定位方面的研究。E-mail：xhzhou@fio.org.cn