朱欽卿

(蘇州華邦巖土工程有限公司，江蘇蘇州 215021)

1 概述

20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的多波束測深系統(tǒng)是在回聲測深儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它利用波束形成技術(shù)產(chǎn)生特定方向的聲波，這種多波束測深系統(tǒng)一般被稱之為束控多波束，又由于其較早出現(xiàn)，也被稱為傳統(tǒng)多波束。20世紀(jì)80年代，利用相干法原理測量成為多波束測深系統(tǒng)的一個(gè)新發(fā)展方向，使用該原理研制的多波束被稱為相干多波束測深系統(tǒng)［1］。由于相干多波束和束控多波束采用了不同的原理，所以兩者在許多方面的性能上有著不小的區(qū)別。本文分別以SwathPlus和Sonic2022作為兩種多波束測深系統(tǒng)的代表進(jìn)行討論。

2 原理

所有多波束測深系統(tǒng)都需要通過測定兩個(gè)變量來實(shí)現(xiàn)對垂直于航跡向的水底各點(diǎn)的垂直深度與橫向距離的計(jì)算:聲學(xué)換能器中心點(diǎn)到水底每個(gè)測深點(diǎn)的距離(斜距)和從換能器到水底各點(diǎn)的聲路角(即聲線改正后反射波的入射角)。圖1為多波束測量的幾何關(guān)系圖。

圖1 多波束測量幾何關(guān)系

在一級近似條件下有(忽略了聲線彎曲、換能器吃水改正、潮位改正以及發(fā)射接收中心點(diǎn)位置偏差):

式中，H為換能器到海底的距離;D為測點(diǎn)到換能器到海底投影的距離。

對于斜距，我們通過聲速(v)和聲波在水中的旅行時(shí)間(t)相乘可以得到;對于聲路角，有兩種方法可以獲得:一種是按照事先確定的角度接收反射波;另一種是在特定時(shí)間下，測量反射回波信號的角度［2］。

2.1 束控多波束

大多數(shù)束控多波束的發(fā)射換能器和接收換能器是獨(dú)立的，按照Mills陣的方式進(jìn)行安裝。根據(jù)波的干涉原理，數(shù)個(gè)波存在振幅的加強(qiáng)和減弱的部分，相應(yīng)的會產(chǎn)生一個(gè)主波瓣和數(shù)個(gè)旁波瓣。Sonic2022是通過對聲源陣中不同基元接收到的信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)南辔换驎r(shí)間延遲的方法產(chǎn)生256個(gè)特定方向的主波瓣，這種方法被稱為相位束控法［3］。圖2為相位法波束形成圖。

圖2 相位法波束形成

圖3 換能器與海底回射點(diǎn)幾何關(guān)系

多波束換能器的接收陣對波束進(jìn)行定向接收。當(dāng)入射角較小時(shí)，回波振幅較大，反射波尖脈沖特征比較明顯，可以使用振幅檢測拾取反射波。當(dāng)入射角較大時(shí)，回波振幅越來越小，反射波尖脈沖特征，尖脈沖特征越來越模糊。當(dāng)入射角足夠大是，反射拾取無法實(shí)現(xiàn)，此時(shí)振幅檢測就失敗了。為了克服此問題，一些束控多波束邊緣區(qū)域采用了利用相位檢測技術(shù)。

2.2 相干多波束

相干多波束的發(fā)射陣和接收陣是一體的。換能器發(fā)射了一個(gè)沿航向角度很窄，垂直航向方向角度很寬的扇形連續(xù)波后，海底的回波信號被換能器的接收陣按照一定的相位差(即時(shí)間差)接收。根據(jù)相干原理，換能器陣中兩個(gè)固定間距的接收換能單元之間的相位差和波束的到達(dá)角存在固定的關(guān)系，從而計(jì)算出到達(dá)角的大小，通過橫搖補(bǔ)償，結(jié)合記錄的波束傳播時(shí)間即可進(jìn)行深度與橫向位置的計(jì)算。

以SwathPlus多波束測深系統(tǒng)為例，換能器上存在4個(gè)接收單元，回波到達(dá)各接收單元的時(shí)間不同，回波的相位差就被測量記錄下來。這就是利用相位差來測量回波角，進(jìn)而對海底進(jìn)行點(diǎn)位和深度測量的相干測量原理。圖3為換能器與海底回射點(diǎn)幾何關(guān)系圖。

設(shè)同一回射點(diǎn)到不同接收單元的相位差為Φ，波長為 λ，則有:X/λ =φ/2π。

因?yàn)?X=h·sinθ，所以:φ =2πh·sinθ/λ。

從而測量的回波角:

由上式可知:對于給定的接收單元間距P，可由測量的Φ計(jì)算出θ。

所以:H=r·sinθ，D=r·cosθ。

式中，v為聲波速度;t為聲波傳播時(shí)間。

3 性能差異分析

3.1 數(shù)據(jù)密度差異

束控多波束系統(tǒng)和相干多波束系統(tǒng)由于在波束的形成上分別采用了束控法和相干法兩種不同的方法，使得其測深數(shù)據(jù)多少分別由不同的物理量決定。

束控多波束的每一次海底掃描所獲得的測深數(shù)據(jù)量受控于波束接收電子單元的數(shù)量，一般來說，一次海底掃描可以獲得的測深點(diǎn)數(shù)目在100～260之間(Sonic2022為256個(gè));相干多波束在波束形成上使用的是相干法，所以相干多波束每一次海底掃描所獲得的數(shù)據(jù)量取決于接受相同Ping海底前后兩個(gè)回波信號間隔時(shí)間。以SwathPlus為例，每次海底掃描單邊可獲得256～49 152個(gè)數(shù)據(jù)，相比束控法高出1倍至2個(gè)數(shù)量級。

3.2 測深點(diǎn)水平分辨率差異

在多波束中，通常可以采用每Ping測深點(diǎn)密度來衡量。對于傳統(tǒng)多波束而言，一個(gè)海底聲腳印只能獲取一個(gè)測深點(diǎn)數(shù)值。束控多波束的聲腳印隨著垂直開角的增大以正切函數(shù)遞增。以水深30 m為例，1°波束在垂直下方的“腳印”約為0.5 m，同樣的波束在60°開角時(shí)，“腳印”則超過2 m。若不考慮船體的橫搖，此時(shí)邊緣數(shù)據(jù)分辨率已很難滿足實(shí)際處理需要了［4］。

從相干多波束原理可以了解到，決定測深點(diǎn)間距的是水深H和采樣時(shí)間間隔t。

設(shè)第n+1次采樣與第一次采樣時(shí)間間隔為nt，水深為H，聲速為v，則有:

換能器第1次采樣時(shí)間為t1=2×H/v;

換能器第n+1次采樣時(shí)間為t(n+1)=2×H/v+nt;

換能器到n+1個(gè)測深點(diǎn)的斜距間隔為:

根據(jù)上式可以計(jì)算不同水深的測深點(diǎn)距離間隔，因此相干多波束的測深點(diǎn)密度從中央到邊緣是逐漸變大的，水平測深分辨率越來越好。以水深30 m為例，若采用16 μs作為采樣時(shí)間間隔，那么可以保證換能器正下方左右1 m范圍內(nèi)有1個(gè)測深點(diǎn)。而在開角60°處，1 m范圍內(nèi)有72個(gè)測深點(diǎn)。

以水深30 m為一個(gè)重要參考線，在不考慮各種干擾的情況下，若水深小于30 m，使用束控多波束的最差分辨率相比較相干多波束的最差分辨率而言更能滿足實(shí)際數(shù)據(jù)處理需要。若水深大于30 m，則相干多波束較好。

3.3 覆蓋寬度差異

多波束測深系統(tǒng)的覆蓋性能是由覆蓋寬度/水深(寬深比)來衡量的。由于相干多波束和束控多波束采用了不同的波束形成原理，所以它們的覆蓋寬度是由不同的物理量決定的。

由于采用雙換能器會在換能器中央下方產(chǎn)生比較嚴(yán)重的串音現(xiàn)象，所以束控多波束通常是采用單發(fā)射－單接收陣的。其最大的寬深比是由換能器開角決定的?？紤]到發(fā)射波的角度增加，其聲腳印會越來越大，導(dǎo)致測深點(diǎn)過于稀疏，以至于邊緣測深點(diǎn)無法做后處理。所以通常開角最大為140°。Sonic2022雖然號稱開角可以達(dá)到160°，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，開角設(shè)置超過140°的情況很少。在開角140°的情況下，覆蓋倍數(shù)大約是5.5倍。

相干多波束的標(biāo)準(zhǔn)是雙換能器配置，覆蓋角度超過180°。以SwathPlus為例，它的覆蓋角度達(dá)到300°，在航道內(nèi)測量時(shí)，甚至可以探測到河岸部分。在理論上來說，其寬深比完全由水深和設(shè)備的斜距量程決定。以SwathPlus M(234 kHz)為例，其斜距量程為400 m，若水深為40 m，則寬深比可以達(dá)到19倍還多。在水質(zhì)非常理想的情況下，實(shí)際的寬深比可以達(dá)到20倍。中國的大部分地區(qū)由于水質(zhì)比較渾濁，所以覆蓋寬度基本在10倍～12倍。

眾所周知，多波束的測量精度從中央到邊緣是逐漸變差的。在不考慮各種外圍設(shè)備誤差帶來的測深精度誤差情況下，相干多波束的精度和單邊覆蓋寬度有如下關(guān)系:

其中δH為深度精度，D為換能器到符合該深度精度測深點(diǎn)的水平距離，θ為姿態(tài)補(bǔ)償儀的精度與相干多波束角度精度之和。

以SwathPlus為例，θ為0.1°，表1是不同測深等級下單邊的測深覆蓋值。

不同測深精度與最大單邊覆蓋對應(yīng)表 表1

由于傳統(tǒng)多波束自身的測深精度較高，且開角不大，所以在規(guī)定的工作水深之內(nèi)，邊緣測深精度大多可以滿足IHO S44特等精度0.3 m要求。

從以上分析可以看出，即使考慮到深度精度要求，相干多波束的寬度覆蓋性能上仍優(yōu)于束控多波束。

3.4 中央測深點(diǎn)準(zhǔn)確度差異

相干多波束在換能器下方中央地區(qū)的反射波束，由于聲程差與相位分辨率相差不大，所以會影響到測深點(diǎn)數(shù)量以及質(zhì)量。另外，換能器正下方的海床底質(zhì)，水質(zhì)渾濁程度和底部地貌都會對中央數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生不小的影響。加之換能器正下方中央地區(qū)測深數(shù)據(jù)較少，在數(shù)據(jù)處理成圖過程中可能產(chǎn)生中央地形的突起或凹陷。目前的做法通常是在換能器V型架中央安放一個(gè)單波束測深儀探頭，通過準(zhǔn)確的單波束測深數(shù)據(jù)作為參考，按照1 m2出現(xiàn)2個(gè)深度異常點(diǎn)才可認(rèn)定存在深度異常的原則處理數(shù)據(jù)［5］。

傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)在換能器正下方中央?yún)^(qū)域通常采用的是振幅檢測，通常信噪比很高。加之換能器中央波束密集，通過后處理可以得到精度很高的數(shù)據(jù)。

圖4 GeoSwath Plus三維光照圖(海南東方某沙波區(qū))

圖5 SeaBat8101三維光照圖(海南東方某沙波區(qū))

圖4、圖5是相干多波束GeoSwath Plus多波束系統(tǒng)和束控多波束SeaBat8101多波束系統(tǒng)［6］在同一海區(qū)海底三維光照圖，在分辨率上GeoSwath Plus系統(tǒng)具有非常大的優(yōu)勢，但是換能器正下方的數(shù)據(jù)存在明顯的突變，圖中表現(xiàn)為地形的凸起，同樣問題在Sea-Bat8101多波束系統(tǒng)中不存在。

3.5 單位時(shí)間生成數(shù)據(jù)量差異

大多數(shù)束控多波束都有采集回射點(diǎn)振幅，生成二維海底聲圖(旁掃聲吶圖像)的功能。但若沒有指定，束控多波束不會檢測海底回射點(diǎn)振幅，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不大。另一方面，由于束控多波束測深點(diǎn)較少，對于硬件設(shè)備以及軟件算法的要求也較低。若采集振幅值，則數(shù)據(jù)量會大大增加?？偟膩碚f，其數(shù)據(jù)量大小可以比較靈活的控制。

相干多波束在工作時(shí)會采集每個(gè)測深點(diǎn)的振幅，所以生成的數(shù)據(jù)量很大，以 SwathPlus為例，若采用16 μs的采集間隔，每小時(shí)采集的數(shù)據(jù)量大小會超過2 G。這對硬件設(shè)備，采集算法，數(shù)據(jù)處理算法以及三維建模算法均提出很高的要求。

4 結(jié)語

通過以上的分析比較，可以發(fā)現(xiàn)兩種多波束系統(tǒng)都具備較好的測量精度，可以滿足各種復(fù)雜環(huán)境下的水深地形調(diào)查需要。相干聲吶多波束測深系統(tǒng)淺水簡單平坦的區(qū)域下，如內(nèi)河航道、水庫大壩、海洋考古或是找尋管道等探測上有更好的效果;束控多波束測深系統(tǒng)更適合應(yīng)用于環(huán)境比較惡劣的水區(qū)。根據(jù)各自的特性可以得出如下結(jié)論:

(1)相干多波束的測深數(shù)據(jù)量大大高于束控多波束的測深數(shù)據(jù)量。束控多波束測深點(diǎn)密度分布從中央到邊緣是逐漸變得稀疏的，而相干多波束與之相反，中央?yún)^(qū)域的測深點(diǎn)較為稀疏，邊緣則變得密集;

(2)在覆蓋寬度上，相干多波束相對束控多波束優(yōu)勢明顯，可以減少測線布置，提高外業(yè)測量效率;

(3)在水質(zhì)情況不理想的情況下，通常相干多波束在換能器正下方存在著虛假信號，會給室內(nèi)處理帶來不小的困難。室內(nèi)處理中雖然可以使用單波束測深儀數(shù)據(jù)作為參考，但此時(shí)后處理將更多的靠手工處理，而無法使用行業(yè)通用的CUBE算法進(jìn)行主要以軟件為主的數(shù)據(jù)處理。并且，單波束測深儀同樣會造成多波束接受的信號信噪比降低等干擾;

(4)相對束控多波束而言，相干多波束單位時(shí)間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量堪稱海量，這對存儲設(shè)備，后期數(shù)據(jù)處理，建模算法等方面以及人員提出了更多的要求。

［1］趙建虎，李娟娟，李萌.海洋測量的進(jìn)展及發(fā)展趨勢［J］.測繪信息與工程，2009(04):25～27.

［2］Peter Hogarth.Shallow Water Surveys Using the GeoAcoustics GeoSwath［M］.Australia:Shallow Water Conferenc，2003.

［3］趙建虎，劉經(jīng)南.多波束測深及圖像數(shù)據(jù)處理［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2008.

［4］Andy Talbot.Shallow Survey 2005 common data set comparisons［R］.UK:Hydrographic Office，2005.

［5］李成鋼，王偉偉，閻軍.傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)與具有相干特點(diǎn)的多波束系統(tǒng)的研究［J］.海洋測繪，2007，27(2):77～80.

［6］譚良，汪勁松，張黎明.SeaBat8101多波束測深系統(tǒng)在內(nèi)陸河中的應(yīng)用［C］.全國測繪科技信息網(wǎng)中南分網(wǎng)第十九次學(xué)術(shù)交流會優(yōu)秀論文選編.北京:中國測繪學(xué)會，2005:187～191.