海洋掃測(cè)聲吶技術(shù)綜述

耿家營(yíng)

（海軍潛艇學(xué)院,山東 青島 266046）

海洋掃測(cè)聲吶是人類對(duì)海底目標(biāo)進(jìn)行大范圍掃測(cè)定位的主要裝備[1]，使用較廣的主要包括側(cè)掃聲吶、多波束聲吶、合成孔徑聲吶3類，這3類聲吶的工作原理不同，故在技術(shù)優(yōu)勢(shì)、適用場(chǎng)景上也不相同。文章對(duì)這3種聲吶技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行研究，分析不同聲吶技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，以提高掃測(cè)作業(yè)裝備選型適用性。

1 側(cè)掃聲吶裝備技術(shù)

1.1 基本工作原理

側(cè)掃聲吶是一種通過(guò)在雙側(cè)布設(shè)指向性換能器，利用回聲測(cè)距原理來(lái)測(cè)量海底信息和水下物體的海洋探測(cè)設(shè)備。側(cè)掃聲吶系統(tǒng)一般為拖曳式，由拖曳體（拖魚(yú)）、數(shù)據(jù)纜和甲板單元3部分組成。掃測(cè)作業(yè)時(shí)，母船只拖動(dòng)拖魚(yú)在海水中航行，在拖魚(yú)的兩側(cè)各產(chǎn)生一束與航向垂直的扇形波束，形成以換能器為中心的窄梯形腳印，如圖1所示。聲波在水中遇到物體或碰到海底后，因反向散射傳回?fù)Q能器，聲信號(hào)被換能器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)濾波處理進(jìn)行顯示存儲(chǔ)，信號(hào)波動(dòng)幅度反映了海底起伏及地質(zhì)情況。

圖1 側(cè)掃聲吶工作示意圖

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）圖像插值技術(shù)：側(cè)掃聲吶在作業(yè)過(guò)程中，因航速不穩(wěn)定或抖動(dòng)，圖像會(huì)出現(xiàn)一定的變形失真。為增強(qiáng)圖像的顯示效果，常采用雙線性插值法對(duì)圖像進(jìn)行處理，填補(bǔ)圖像中的縫隙，實(shí)現(xiàn)圖像的連續(xù)顯示。處理前后的圖像對(duì)比可以看出，插值技術(shù)提高了圖像的清晰度，如圖2所示。

圖2 插值前后的圖像對(duì)比

（2）圖像姿態(tài)矯正技術(shù)：受海洋環(huán)境中洋流等因素的影響，拖魚(yú)航行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)搖晃擺動(dòng)或者由于其他原因引起的航向角的變化，難以保證良好的水下姿態(tài)。拖魚(yú)姿態(tài)的變化會(huì)導(dǎo)致圖像坐標(biāo)產(chǎn)生一定的偏差，通過(guò)建立坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)模型，對(duì)拖魚(yú)的航向角、橫搖角和縱搖角進(jìn)行校正，可以提高航跡的穩(wěn)定性，校正結(jié)果如圖3所示，可以看出圖像經(jīng)過(guò)校正后，顯示更加清晰，地貌地形顯示更為清楚。

圖3 姿態(tài)校正圖像

（3）圖像拼接技術(shù)：由于側(cè)掃聲吶圖像條帶間是相互獨(dú)立的，需要基于地理坐標(biāo)等信息對(duì)圖像進(jìn)行匹配，再融合拼接為一個(gè)完成且連續(xù)的圖像，常用基于變換域或空間域的圖像拼接技術(shù)。圖像拼接結(jié)果如圖4所示，可以看出經(jīng)過(guò)拼接后的圖像能夠顯示海底全局，能夠增加側(cè)掃聲吶成像的可視化效果[2]。

圖4 圖像拼接結(jié)果

1.3 主流裝備型號(hào)及應(yīng)用場(chǎng)景

側(cè)掃聲吶主流型號(hào)裝備主要包括Klein 3000系列、Edge Tech 4200系列、Shark S450系列，主要應(yīng)用于海洋測(cè)繪、海洋地質(zhì)調(diào)查、海洋工程勘探及水下沉船沉物尋找等領(lǐng)域。

例如，2017年4月采用側(cè)掃聲吶（Klein 3000，445 kHz）進(jìn)行礁區(qū)數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用側(cè)掃聲吶技術(shù)能夠?qū)５捉甘M(jìn)行直觀、大范圍的探測(cè)，能夠讀取細(xì)微信息，作業(yè)效率較高，可對(duì)礁石的整體分布、穩(wěn)性進(jìn)行客觀評(píng)估，如圖5所示。

圖5 側(cè)掃聲吶捕獲的礁體布局圖

2 多波束測(cè)深聲吶裝備技術(shù)

2.1 基本工作原理

多波束測(cè)深聲吶采用Mills交叉結(jié)構(gòu)的換能器陣列，該技術(shù)發(fā)射方式與側(cè)掃聲吶類似，接收時(shí)通過(guò)垂直陣對(duì)接收到的聲波信號(hào)進(jìn)行相干累加，對(duì)預(yù)設(shè)角度方向信號(hào)進(jìn)行逐個(gè)接收，最終得到所需覆蓋范圍內(nèi)的時(shí)間-方位圖，如圖6所示。

圖6 多波束測(cè)深聲吶工作原理示意圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）寬覆蓋高分辨多波束測(cè)深技術(shù)：多波束聲吶的測(cè)深精度與覆蓋寬度兩個(gè)指標(biāo)是一對(duì)矛盾。由于聲信號(hào)存在衰減（基于擴(kuò)散和吸收現(xiàn)象），邊緣波束測(cè)量海底目標(biāo)時(shí)很難滿足寬覆蓋測(cè)量的要求。為破解這對(duì)矛盾，一般采用LFM信號(hào)和編碼信號(hào)脈沖壓縮的方法提高聲信號(hào)信噪比，實(shí)現(xiàn)測(cè)深精度與覆蓋寬度兩個(gè)指標(biāo)的統(tǒng)一[3]。

（2）Multi-Ping技術(shù)：在常規(guī)多波束測(cè)量中，往往都是單次發(fā)射脈沖信號(hào)，以避免脈沖信號(hào)之間的干擾，需要等最遠(yuǎn)處的回波信號(hào)返回?fù)Q能器后才能再次發(fā)射，這勢(shì)必降低了信號(hào)刷新率。因此，要想獲得精細(xì)的海底信息，需要作業(yè)母船保持低速航行。而采用多脈沖技術(shù)，能同時(shí)向多方向發(fā)射不同頻率的脈沖聲信號(hào)，使得單次探測(cè)信息量增加，信息刷新率提高[4]。

（3）橫搖穩(wěn)定技術(shù)：受風(fēng)和海流的影響，多波束聲吶在掃測(cè)過(guò)程中會(huì)受母船姿態(tài)影響，測(cè)量地形深度與實(shí)際深度會(huì)產(chǎn)生誤差，影響探測(cè)精準(zhǔn)度。可通過(guò)測(cè)量拖體姿態(tài)數(shù)據(jù)，將測(cè)量地形數(shù)據(jù)與之匹配補(bǔ)償，最終補(bǔ)償橫搖產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差。

2.3 主流裝備型號(hào)及應(yīng)用場(chǎng)景

目前，技術(shù)較為成熟且得到廣泛應(yīng)用的多波束測(cè)深聲吶型號(hào)包括EM 2040（挪威Kongsberg 公司）、SONIC 2024（美國(guó)R2Sonic 公司）、Seabat 7125（丹麥Reson 公司）等，主要的應(yīng)用場(chǎng)景包括水下地形地貌測(cè)繪、海洋工程施工保障、河道清淤效果監(jiān)測(cè)等。

例如，在使用EM 2040多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)舟山某海域進(jìn)行的地形結(jié)構(gòu)測(cè)量作業(yè)中顯示（如圖7所示），在平均水深超過(guò)40 m的條件下，能夠形成良好的測(cè)量效果圖，能夠明顯識(shí)別出水底的特殊地物。

圖7 EM 2040典型目標(biāo)探測(cè)結(jié)果

3 合成孔徑聲吶裝備技術(shù)

3.1 基本工作原理

合成孔徑聲吶也稱為“虛擬孔徑側(cè)掃聲吶”，其基本原理是通過(guò)小孔徑聲吶基陣在航跡向上的移動(dòng)，通過(guò)對(duì)照射信號(hào)的不斷相干累加處理，得到一個(gè)等效的虛擬大孔徑基陣，以獲得相對(duì)較高的分辨率[5]。合成孔徑成像需要計(jì)算在不同采樣位置時(shí)，各掃描像素點(diǎn)到發(fā)射位置和接收位置的距離，從而計(jì)算得到聲波傳播時(shí)間，補(bǔ)償不同位置的相位差[5]。合成孔徑聲吶的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其航跡向分辨率與作用距離和信號(hào)頻率無(wú)關(guān)，只由發(fā)射陣元孔徑?jīng)Q定，其基本原理如圖8所示。

圖8 合成孔徑聲吶基本原理示意圖

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）目標(biāo)回波仿真技術(shù)：在合成孔徑聲吶技術(shù)的研究中，受到外場(chǎng)條件制約，成像仿真數(shù)據(jù)的研究是進(jìn)度驗(yàn)證的必要手段。相對(duì)精準(zhǔn)的回波仿真可解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)中無(wú)法精準(zhǔn)定位的問(wèn)題，找到成像算法和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法中存在的不足，提高掃測(cè)精度。

（2）運(yùn)動(dòng)姿態(tài)估計(jì)與補(bǔ)償技術(shù)：合成孔徑成像算法其中一個(gè)前提是基于聲吶陣能夠進(jìn)行理想的勻速直線運(yùn)動(dòng)。而實(shí)際海洋環(huán)境中，風(fēng)、流、涌浪對(duì)聲吶陣運(yùn)動(dòng)軌跡的影響較大，呈現(xiàn)隨機(jī)性，致使信號(hào)存在較大誤差，合成虛擬孔徑的長(zhǎng)度較小，分辨率得不到保證。為保證成像質(zhì)量，聲吶載體除了通過(guò)外部因素穩(wěn)定航跡外，還需要對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行采集，對(duì)測(cè)量軌跡進(jìn)行補(bǔ)償矯正后，再進(jìn)行合成計(jì)算，得到相對(duì)可控的成像質(zhì)量。

（3）高精度成像算法：利用聲吶基陣陣元采集的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相干處理后，在距離向和方位向上形成的高分辨率圖像[6]。按信號(hào)處理域的不同，合成孔徑成像算法可分為時(shí)域算法和頻域算法。逐點(diǎn)成像法是時(shí)域算法的典型方法，其原理是在時(shí)域中對(duì)每一像素點(diǎn)進(jìn)行二維移變?yōu)V波匹配成像，由于需要對(duì)像素點(diǎn)逐個(gè)處理，因此，該方法適用于計(jì)算量不大的情況。而頻域算法可彌補(bǔ)該方法的不足，適用于較大數(shù)據(jù)量的處理，處理效率較高。

3.3 主流型號(hào)裝備及性能

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的技術(shù)發(fā)展，合成孔徑聲吶已經(jīng)從原理驗(yàn)證階段走向了工程化、產(chǎn)品化階段，國(guó)內(nèi)外多家聲吶設(shè)備廠商已經(jīng)能夠提供系列化的合成孔徑聲吶設(shè)備，主要包括挪威Kongsberg公司的HISAS 1030、美國(guó)iXBlue公司IXSEA旗下的SHADOWS及中科院自研產(chǎn)品等。合成孔徑聲吶的技術(shù)特點(diǎn)是在距離向上具有較高的分辨率，在方位向上的成像分辨率與作用距離無(wú)關(guān)，能夠獲得恒定的成像分辨率，但對(duì)目標(biāo)深度估計(jì)精度不足，因此較為適用于水下的精細(xì)化目標(biāo)圖像探測(cè)、沉船打撈和失事飛機(jī)搜尋。

例如，挪威海軍曾在霍爾滕外海利用HISAS 1030進(jìn)行三維圖像獲取[7]，探測(cè)區(qū)域水深20～120 m，探測(cè)到一艘二戰(zhàn)時(shí)期的沉船，結(jié)果清晰可見(jiàn)，在航跡向上具有較高的成像分辨率，距離60～140 m范圍內(nèi)，如圖9所示。

圖9 HISAS 1030探測(cè)沉船實(shí)例

4 裝備的使用選擇分析

4.1 裝備技術(shù)優(yōu)勢(shì)

通過(guò)對(duì)上述裝備技術(shù)的系統(tǒng)分析，總結(jié)出3類聲吶的作業(yè)特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

側(cè)掃聲吶基陣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用拖曳式進(jìn)行掃測(cè)作業(yè)，二維成像分辨率較高，適合大面積、快速的粗略掃測(cè)。該技術(shù)適用于目標(biāo)的有無(wú)和位置探測(cè)，對(duì)目標(biāo)深度值估計(jì)精度要求不高時(shí)，可以采用此類裝備。

多波束測(cè)深聲吶能夠獲得探測(cè)區(qū)域的高分辨三維成像結(jié)果，且探測(cè)區(qū)域沒(méi)有縫隙，測(cè)深精度較高，適用于大面積海床的精確深度測(cè)量。對(duì)近底目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)時(shí)，可以使用該類裝備進(jìn)行精細(xì)化的三維測(cè)量。

合成孔徑聲吶是在側(cè)掃聲吶基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的、在航跡向上具有恒定成像分辨率的高分辨成像聲吶。該類技術(shù)的成像分辨率遠(yuǎn)高于側(cè)掃聲吶，通常需要配備多波束測(cè)深聲吶進(jìn)行補(bǔ)隙，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精細(xì)化測(cè)量。當(dāng)需要高分辨率的目標(biāo)探測(cè)圖像時(shí)，可以采用此類裝備。但是該類裝備系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高且實(shí)時(shí)成像效果有待提升。

4.2 選擇要素

為提高掃測(cè)作業(yè)時(shí)聲吶選型的科學(xué)性，從作業(yè)信息獲取的優(yōu)先級(jí)別分4個(gè)方面進(jìn)行分析。

一是拖曳方式方面。根據(jù)聲吶工作原理，側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶一般采用拖曳式作業(yè)，利用吊車或纜繩在作業(yè)母船的舷側(cè)或船尾進(jìn)行作業(yè)，而多波束測(cè)深聲吶一般搭載在船底或船側(cè)展開(kāi)作業(yè)，需要進(jìn)行固定布放。因此，母船的搭載能力是選擇裝備類型的第一要素。

二是作業(yè)水深方面。側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶需要有纜作業(yè)，受水流阻力的影響，聲吶拖魚(yú)會(huì)后滯母船較大距離，若要拖魚(yú)布放至預(yù)定深度，須持續(xù)放纜。較長(zhǎng)的纜繩將大幅增加母船轉(zhuǎn)向時(shí)間，降低掃測(cè)效率。一般使用側(cè)掃聲吶作業(yè)、合成孔徑聲吶須視掃測(cè)海區(qū)決定，近海一般不超過(guò)500 m。多波束聲吶能夠不受水深的限制展開(kāi)作業(yè)，但受波束發(fā)散的影響，聲吶分辨率隨水深的增大而持續(xù)降低。

三是搜索目標(biāo)類型方面。側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶均呈現(xiàn)出二維圖像，多波束測(cè)深聲吶呈現(xiàn)出三維圖像。對(duì)輪廓明顯目標(biāo)進(jìn)行搜索時(shí)，可采用側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶；對(duì)輪廓不明顯目標(biāo)或水下地形進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可采用多波束測(cè)深聲吶。

四是成像分辨率方面。合成孔徑聲吶由于虛擬較大孔徑，在航跡向上具有恒定成像分辨率，側(cè)掃聲吶和多波束聲吶分辨率適中，但多波束測(cè)深聲吶會(huì)隨水深發(fā)散作用，不適于較大深度場(chǎng)景作業(yè)。

5 結(jié)論

綜上，各類型聲吶裝備技術(shù)優(yōu)勢(shì)各不相同，具體選擇的結(jié)果并非一成不變，應(yīng)根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行系統(tǒng)分析后，選擇適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)裝備，必要時(shí)可多種技術(shù)裝備聯(lián)合使用以提升目標(biāo)的探測(cè)準(zhǔn)確性。