深水多波束測深系統現狀及展望

張同偉，秦升杰，唐嘉陵，王向鑫

(1. 國家深?；毓芾碇行?，山東 青島 266237； 2. 青島海洋科學與技術國家實驗室，山東 青島 266237)

海洋科學研究、資源調查與開發、工程建設及軍事等活動都需要準確地獲取所關注區域內的海底地形地貌信息，并將其作為基礎資料與支撐依據。因此，如何去了解海洋地形地貌信息，對海洋地形地貌信息進行有效的測繪，獲取海洋地形地貌信息圖譜，成了海洋研究中的重要問題[1-5]。

不同于傳統單波束測深技術[6]，多波束測深系統是一種進行海洋水底資源開發的新手段[7-12]。它不但可以獲得采樣點的位置和深度信息，而且能夠根據不同物質對聲波的回波強度，探測海底地質結構，實現海底底質分類。此外，多波束測深系統對海底實施的是一種全覆蓋測量，所提取的信息不但反映了海底的地形地貌變化情況，還能給出水體特征。因此，深水多波束測深系統在深海海底地形測繪、海洋資源探測、天然氣水合物探測、地球物理探測等領域具有極高的應用價值。

本文首先介紹了深水多波束測深的基本原理和系統組成，然后系統介紹了L3 ELAC Nautik、Teledyne(原ATLAS)和Kongsberg等公司的3款典型深水多波束測深系統，并分析了國內發展情況，最后展望了深水多波束測深系統的發展趨勢。

1 多波束測深系統原理和組成

1.1 基本原理

多波束測深系統的工作原理是利用發射換能器陣列向海底發射寬扇區覆蓋的聲波，通過發射、接收扇區指向的正交性形成對海底地形的照射腳印，對這些腳印進行恰當的處理，一次探測就能給出與航向垂直的垂面內上百個甚至更多的海底被測點的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內水下目標的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。

多波束測深系統的波束形成原理可以分為兩種：束控法(在特定角度下，測量反射信號的往返時間)和相干法(在特定時間下，測量反射回波信號的角度)。在多波束測深系統中主要有兩個待測變量，即斜距或聲學換能器到海底每個點的距離和從換能器到水底各點的角度。所有的多波束測深系統利用束控法和相干法中的一種或兩種來測定這些變量。

1.2 系統組成

現代多波束測深系統主要包括：多波束聲學系統(聲吶信號處理系統、發射/接收換能器、顯控系統)、軟件系統(數據后處理軟件、導航采集軟件)、外圍輔助傳感器(羅經、姿態傳感器、聲速計、驗潮儀、GPS/水下導航系統等)。

目前國外深水多波束測深技術比較成熟，已經實現深水多波束測深系統的產品化、產業化、系列化。國際上主要的深水多波束測深系統生產廠商主要有：L3 ELAC Nautik、Teledyne(ATLAS)和Kongsberg等幾家公司。表1給出了典型深水多波束測深系統的對比。

表1 典型深水多波束測深系統對比

2 幾款典型深水多波束測深系統

2.1 L3 ELAC Nautik公司的SeaBeam 3012

SeaBeam 3012是ELAC公司的最新一代深水多波束測深系統，其工作頻率為12 kHz，工作水深50～11 000 m，波束數301個，最小波束寬度1°×1°，具有等角和等距兩種波束間隔，最大覆蓋寬度5.5倍水深，最大工作速度可達12節。SeaBeam 3012采用先進的波束掃描專利技術，可以完全進行艏搖、縱橫搖運動補償。它是世界上唯一能在所有水深下進行實時全姿態運動補償的全海洋深度多波束測深系統。新的波束掃描技術包括寬覆蓋、淺水近場聚焦、多脈沖、線性調頻等特性，使其性能遠超過其他常規扇區掃描技術。

SeaBeam 3012系統能夠實時采集測深信息、后向散射數據、水體數據、側掃聲吶圖像等，并以良好的視覺形式將測量結果呈現在操作員面前。在深海海底地形測繪、海底構造研究、海洋資源探測、天然氣水合物探測、地球物理探測等領域具有極高的應用價值。

SeaBeam 3012多波束測深主系統由水下的發射、接收換能器陣，水面的接收發射單元，數據采集及數據后處理計算機組成。輔助配套設備有表面聲速儀、光纖羅經運動傳感器、不間斷電源、聲學同步器、圖形顯示器和后處理計算機等。

2.2 Teledyne公司的HydroSweep DS

Teledyne HydroSweep DS屬于第三代全海深多波束測深系統，其工作頻率為14～16 kHz，工作水深10～11 000 m，波束數320個，最小波束寬度0.5°×1°，具有等角和等距兩種波束間隔，最大覆蓋寬度5.5倍水深，最大工作速度可達10節。它可以持續不間斷獲得較高要求的海底數據，其特點在于水柱、后向散射和沉積物分析。在接收端，每次發射被分解成320個接收波束。

為了克服傳統陣列孔徑的限制，HydroSweep DS采用了一種獲得過專利的接收波束形成技術，即高階波束形成。至于水深數據，它可以實現掃描的角度高達140°(5.5倍水深)，分解成960個窄波束。聲學足跡設為等距或等角度模式，以適應特定的調查需要。它具備多頻發射功能，可同時發射和接收多種頻率，而傳統的測深儀通常只能進行單頻循環。多頻大幅度提升了調查效率，特別是當在船舶航跡方向提高到0.5°波束精度時，為了確保實現100%海底無縫覆蓋，該船只的速度將被限制為4海里/h或更低。但是，運用多頻發射，為了獲得較高的波束分辨率，可以保持船只高速航行，或在不需要達到很高精度的情況下，甚至可以提高船速?？臻g分辨率為各種廣泛應用提供了最大的操作和科研價值。圖1給出了HydroSweep DS的系統組成框圖。

圖1 Teledyne(ATLAS) HydroSweep DS系統組成框圖

2.3 Kongsberg公司的EM122

EM 122是Kongsberg公司新一代深海多波束測深系統，其工作頻率為12 kHz，工作水深20～11 000 m，波束數288個，最小波束寬度0.5°×1°，具有等角、等距和加密3種波束間隔，最大覆蓋寬度6倍水深，最大工作速度可達16節。系統采用高效降噪前放、頻率編碼分組波束、縱橫搖和艏搖主動波束轉向等技術，保證獲得最大的海底覆蓋寬度。在提高測量精度和分辨率上，系統采用相位和振幅檢測結合技術及聲源級多向分別自動控制技術。系統具有覆蓋扇面和波束指向角可隨水上變化而自動變化、等距波束、集成海底聲學圖像和聲速剖面內插等功能，能在一個航次之內獲得最大的測量效益。

2.4 國內發展現狀

中國科學院聲學研究所聯合國內幾家單位共同研制了國內第一套深水多波束測深系統，在西太平洋獲得了6000 m海域海底地形地貌圖，并在國家“863”計劃重大項目“海底觀測網試驗系統”進行了實際試驗性應用，完成了相應調查工作。該系統擁有波束數289個，波束寬度1°×2°，最大覆蓋寬度6倍水深，具備發射三維姿態穩定、接收橫搖穩定和邊緣波束發射線性調頻功能，可滿足20～11 000 m全海深海底地形地貌探測的需求。

3 深水多波束測深系統的發展趨勢

通過對國內外典型深水多波束測深系統的比較分析，以及參考其他一些系統，可以得出深水多波束測深系統的發展趨勢為更高的測深分辨率、更高的測深精度、更大的覆蓋范圍、更強的水體探測和更便捷的探測成圖。

3.1 更高的測深分辨率

多波束測深分辨率是指多波束測深系統在海底空間三維方向上所能分辨的相鄰兩個目標點的最小間隔，它決定了水下小目標及復雜地形的精細探測能力。影響多波束測深分辨率的因素主要有脈沖寬度、ping采樣率、波束寬度、航速等。如HydroSweep DS可以配備波束寬度為0.5°×1°的發射/接收換能器陣，每次發射可以獲得320個反饋波束(硬波束)，又通過高階波束形成技術分解成960個水深點；其2倍多頻發射使得接收波束的數量加倍達到640個，水深點加倍到1920個，大大提高了測深分辨率。

3.2 更高的測深精度

深海多波束測深系統最重要的用途是深海海底地形測繪，測深精度無疑是衡量其性能的核心指標。國際水道測量組織第44號特別出版物第一條對測深的準確性有專門的規定，對測量的水深數據分別進行聲速折射補償、運動姿態補償和潮位補償。聲速可以通過表面聲速計實時獲取表面聲速，并結合可拋棄式全海深聲速計定期獲得全海深聲速剖面，提供聲速折射補償準確性；運動傳感器可以提供發射陣和接收陣的三維偏移參數，其中發射波束將進行縱搖、橫搖和艏搖校正，接收波束進行橫搖校正；針對深遠海缺乏潮位站支持的情況，利用GPS載波相位測量技術確定潮位的瞬時變化，對測深數據進行潮位補償。

3.3 更大的覆蓋范圍

多波束測深覆蓋范圍直接決定了多波束測深系統的測繪效率。它一般用幾倍水深覆蓋(5～6)或條帶扇面角度(140°)來表示，但是在深海情況下，受雙程傳播衰減的影響，外側(小掠射角)信號的信噪比很低、波形展寬嚴重，因此覆蓋范圍又受最大覆蓋寬度(30 km)的制約。通過對發射陣和接收陣的陣型進行優化設計，并使用寬帶信號可以提高外側信號的信噪比；使用寬帶信號也能抑制波形展寬的問題；采用新的目標方位估計方法(如多子陣檢測方法)則可以提高外側信號的方位估計精度。

3.4 更強的水體探測

當來自海底地層之下的氣體或流體以噴溢或滲漏的形式進入海底附近，形成與周圍海水物理性質相異的羽狀、柱狀、鞭狀等各種形狀的局部異常海水。羽狀流可以作為海底熱液、冷泉和天然氣水合物探測的重要標志。只有當深水多波束測深系統具備強大的水體探測能力時，才能探測水體里的異常特征體，實現大面積的無縫海底羽狀流探測，并對海底以上一定水深范圍的海水進行全覆蓋三維立體探測。

3.5 更便捷的探測成圖

船載多波束測深系統一般全程工作，每個航次/航段都要生成大量的探測數據，達上百GB，甚至更多。雖然商業化的多波束測深系統都配備相應的成圖軟件，但是仍需要大量的人為干預，不同經驗數據處理人員的處理結果可能不完全相同。面對如此龐大的數據量，應建立統一的多波束測深數據成圖標準，盡量減少人為因素影響，提高成圖軟件的智能化、可靠性和便捷化。

4 結 語

隨著深海開發技術的不斷完善，人們越來越深入地探索著海洋底部無窮無盡的資源，所采用的研究手段也越來越多，如載人潛水器、ROV、AUV、水下滑翔機、深拖系統、電視抓斗及其他探測設備。這些探測裝備開展水下探測的前提條件是詳細了解探測區域的海底地形圖。多波束測深系統稱為海洋地形探測的主要技術手段，在海洋資源調查和科學研究領域發揮著越來越重要的作用。

雖然世界上有多家公司和科研院所可以提供成熟的系列化深水多波束測深系統，但是隨著科學與技術的不斷進步，人類對深水多波束測深技術也提出了越來越高的要求。

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