李治遠豆虎林張海泉

(自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061)

多波束測深系統(tǒng)發(fā)射換能器從海面發(fā)射較窄的波束條帶,通過水聽器同時接收從海底不同角度反射的多個回波,得到整個條帶的離散水深值[1]。20世紀50年代,多波束測深系統(tǒng)的出現逐漸取代了單波束系統(tǒng),極大提高了水深測量的效率和精度,降低了測量成本。多波束測深系統(tǒng)被廣泛應用于航道測量、港口測繪、海底路由規(guī)劃、海洋石油勘探和水下礦產資源尋找等領域[2-3]。SeaBeam 系列多波束是海洋調查中的主流深水多波束之一,其波束形成采用米爾斯十字技術[4-7],具備先進的聲波發(fā)射技術即Swept Beam 技術。同時,通過采納更先進的底部算法,可使SeaBeam 系列多波束實現船體橫搖、縱搖和艏搖等姿態(tài)[5-7]的實時補償。目前我國最新一代綜合科考船,如“向陽紅01”、“向陽紅03”、“科學號”、“雪龍2”等科考船均裝備了SeaBeam 系列多波束,但是國內針對該設備可借鑒的文獻較少,本文以“向陽紅01”船安裝的SeaBeam3012多波束(SeaBeam 系列中的全海深型多波束)系統(tǒng)為例分析了其測量技術原理,以期幫助設備操作人員和研究人員更好地發(fā)揮該設備測量功能,改善數據處理方法,獲取最佳測量成果。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

SeaBeam3012系統(tǒng)屬于深水多波束測深系統(tǒng),相比淺水多波束測深系統(tǒng),系統(tǒng)組成更復雜,主要包括:波束發(fā)射陣列;水聽器陣列;發(fā)射控制機柜TCU;接收控制機柜RCU;輔助設備,如GNSS定位設備、艏向和姿態(tài)設備、表層聲速計和聲速剖面儀等,如圖1所示。

圖1 SeaBeam3012多波束系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Composition diagram of the SeaBeam3012 multi-beam system

1.2 收發(fā)陣列

波束發(fā)射陣列由25個沿著龍骨方向排列且完全相同的模塊組成,每個模塊包含48個發(fā)射元件,按照4列12行分布,行列之間分別相互平行。此陣列可產生指向性聲波,在既定角度下的海底回波更強,易于被水聽器檢測。接收陣列由11個完全相同的模塊組成,垂直于航跡方向固定安裝,每個模塊包含8個陶瓷元件,在2個方向采用屏蔽技術壓制旁瓣波束。

1.3 控制機柜和輔助傳感器設備

發(fā)射機柜主要包括功率放大器、電容模塊、高/低壓供電單元、網絡交換機和電路板等,為所有發(fā)射陣列提供觸發(fā)信號。在控制聲波發(fā)射的同時,發(fā)射單元給水聽器陣列和回波處理單元觸發(fā)信號,使整個系統(tǒng)同步開始工作。高壓供電單元在聲波發(fā)射前為電容模塊蓄能,發(fā)射時電容模塊為功率放大器提供能量,每個發(fā)射陣元都有各自的電路系統(tǒng),每個功率輸出通道都是相互分離的,可輸出不同級別的能量,產生不同頻率和相位的聲波信號。

GNSS定位設備為系統(tǒng)提供精確的地理坐標和速度信息,目前在深遠海作業(yè)中使用星站差分技術可實現高精度定位結果,例如英國Veripos和荷蘭Fugro等設備的定位精度可達到亞米級。運動姿態(tài)傳感器提供發(fā)射陣元和接收陣元隨船體運動時的橫搖、縱搖和艏搖等信息,用于系統(tǒng)姿態(tài)實時補償,法國IXBlue生產的PHINS和OCTANS等光纖羅經系統(tǒng)、挪威Kongsberg生產的MRU5+以及加拿大Applanix生產的POSMV 系統(tǒng)均可提供高精度、高頻率的姿態(tài)信號。GNSS雙天線定位設備和光纖羅經系統(tǒng)可提供艏向數據。表層聲速計僅提供發(fā)射陣和水聽器陣列表面的聲速,聲速剖面儀提供整個水體不同深度層的聲速用于聲線跟蹤。SeaBeam3012對接入的表層聲速計和聲速剖面數據實時處理,節(jié)約了數據后處理時間。

2 Swept Beam 技術

Swept Beam 技術是一種在波束發(fā)射過程中能夠實時補償發(fā)射陣列隨船體的姿態(tài)和位置變化的條帶式掃測技術。發(fā)射陣列包含大量陣元,且等間距排成多行和多列,Swept Beam 技術使每個陣元均可發(fā)射不同于其他陣元且頻率和相位特定的聲波。在初始狀態(tài)時,相同列陣元發(fā)射聲波的頻率和相位是一致的,但與其他列不同,一旦開始發(fā)射后,每個陣元將根據船體姿態(tài)和位置的變化改變各自的頻率和相位,從而達到實時補償的效果。SeaBeam3012使用二維發(fā)射陣列實時補償縱搖(pitch)和艏向(yaw),沿垂直航跡方向每行有12個陣元,每次掃測產生的波束在垂直于陣列平面內橫向約11°,縱向(航跡方向)約1.5°。掃測發(fā)射最初從條帶的某一端開始,然后連續(xù)向另一端掃測,最終在1 ping內覆蓋整個條帶,在掃測過程中會根據不斷接收的姿態(tài)數據對一個條帶內未完成掃測的部分實時補償縱搖和艏向[8]。

2.1 Swept Beam 技術

Swept Beam 技術得以實現的原因在于其獨特的換能器結構和電路設計。Swept Beam 發(fā)射陣列相關參數如圖2所示,單個陣元的尺寸是0.4λ的正方形,2個相鄰陣元橫向間距0.5λ,縱向間距0.6λ。發(fā)射陣每次發(fā)射聲波脈沖的寬度是指主瓣掃過某個給定角度所需要的時間,在條帶中央時即為主瓣掃過約11°角時所需的時間。越到條帶邊緣時波束寬度越大,在平面陣列中,波束寬度的變化與主瓣方向的余弦值成反比。在一個條帶內為保持相同的脈沖寬度,掃測速率應隨主瓣角度的改變而變化。當主瓣軸與豎直方向的夾角θ=60°時,波束橫向寬度是θ=0°時的2倍,約為22°。相應地,當θ=60°時,主瓣掃測速率也應為θ=0°時的2倍,這樣才能維持脈沖寬度不變。

圖2 發(fā)射陣列示意圖Fig.2 Schematic diagram of transmit array

在一個條帶中,每個角度的波束都是由某一列陣元相干生成,每一列陣元的聲波頻率和相位不斷變化才能實現波束主瓣不斷改變方向,達到掃測目的。相移正是通過改變每一行中相鄰陣元間的相位差Δφ來補償2個陣元到達海底某點的波程差引起的相位差。從條帶一端掃測到另一端時,相位差Δφ從最大Δφmax變?yōu)?,再變?yōu)樽钚?Δφmax,或與之相反。實現不斷改變相位差的簡便方式便是改變線性陣列每個陣元發(fā)射聲波的頻率。

發(fā)射陣列相鄰兩陣元間距為λ/2,則當主瓣軸方向為角度θ時,相鄰陣元A和陣元B的波前到達兩陣元的波程差造成的相移為180°×sin(θ),如圖3a所示。當時間為t1時,波束主瓣指向最左端,此時陣元B與陣元A的相位差為Δφ1;由于陣元A的聲波頻率比陣元B更高,到達時間t2前,兩陣元相位差逐漸減小,直至時間t2時,兩陣元相位差Δφ2=0,此時兩陣元聲波在豎直方向干涉加強,其合成波束主瓣軸豎直向下(θ=0°);當時間為t3時,兩陣元相位差Δφ3=-Δφ1,此時合成波束主瓣軸指向最右端(圖3b)。掃測過程中,合成波束頻率為兩陣元發(fā)射聲波的平均值。將聲吶頻率帶寬等間隔對稱分為12組,可將此方法擴展至12個陣元的線性陣列。

波束發(fā)射前,設計好各陣元的頻率。發(fā)射過程中,相鄰陣元間的頻率差在沿航跡和垂直于航跡的方向上線性變化,這樣便可實現波束主瓣在一段時間內從初始角度平滑地掃測至下一角度,這一過程稱作一個掃測片段。接著,重新計算陣元聲波的后續(xù)發(fā)射頻率,繼續(xù)向下一個角度掃測。重復該過程,直至完成1 ping掃測。SeaBeam3012發(fā)射波束在豎直方向時掃測波束寬度約為11°,若此時設定的脈沖寬度為2 ms,則通過增加陣元間的頻率差和相位差,使波束在1 ms內從豎直位置θ=0°處向一側掃測至θ=5.5°。因為相鄰陣元間距為λ/2,相位差為180°,所以使波束主瓣掃測至θ=5.5°所需要相鄰陣元間的相位差為180°×sin(5.5°)≈17.25°,相當于2 ms所需相位差變化34.5°,即所需頻率差變化47.9 Hz。如果以垂直于航跡方向的發(fā)射器陣列中間元件為中心,將此頻率差對稱分布在兩側,則可以實現合成波束掃測至θ=5.5°。

在波束橫向掃測過程中,可根據船體姿態(tài)傳感器的橫搖值調節(jié)主瓣軸方向,同時也要進行縱搖和艏向的補償,波束在沿航跡和垂直于航跡方向都進行掃測,因此每個陣元都有各自的頻率和初始相位。各陣元的初始頻率和相位能夠使波束按照特定的速率掃測,由姿態(tài)傳感器數據和船體位移確定。一個條帶內的不同掃測片段需要不同更新速率的姿態(tài)數據,為此,將一個條帶的掃測過程分為多個掃測片段,至少進行12次姿態(tài)數據更新。因為每個掃測片段開始前都會顧及船體的實時姿態(tài)和位移,所以每個掃測片段末端的主瓣指向都在一條線上,最終所有ping都基本平行排列,且寬度一致。

2.2 測深分辨率

典型的分扇區(qū)掃描系統(tǒng)需要將頻率帶寬劃分給每個扇區(qū),且為便于回波檢測,扇區(qū)之間的頻率需要一定間隔,這意味著將整個可用的頻率帶寬劃分到所有扇區(qū)后,每個扇區(qū)僅能得到很小的頻率子帶寬。以可用帶寬2 k Hz、每ping 7扇區(qū)的雙條幅系統(tǒng)為例,整個帶寬可產生2×7=14個頻率子帶寬,減去子區(qū)間間隔,獲得每個子帶可獲得的帶寬約100 Hz,則脈沖寬度約為10 ms。隨著現在模/數轉換器的發(fā)展,制約系統(tǒng)測深分辨率的不再是轉換器的采樣率,而是波束寬度和頻率帶寬[9]。SeaBeam3012系統(tǒng)基于Swept Beam 技術,每個陣元都使用所有頻帶資源,在掃測過程中,最小脈沖寬度為2 ms,頻寬為500 Hz,則相應的測深分辨率為1.5 m。

3 系統(tǒng)安裝和校準

SeaBeam3012系統(tǒng)發(fā)射陣和接收陣尺寸較大,呈“T”型分布安裝。發(fā)射陣列長7.7 m,由25個模塊構成;接收陣列長5.5 m,由11個模塊組成。其換能器只能采用船載固定方式安裝,例如船底嵌入式、船底貼裝式和Gondola安裝方式[9],“向陽紅01”船的SeaBeam3012多波束系統(tǒng)是采用嵌入式方法安裝在船底的。安裝過程中,要嚴格控制各模塊之間的平整度,同時應確保換能器陣列與船底之間的平整度。安裝結束后,應精確測量收發(fā)陣列在船體坐標系中的位置和安裝傾角[10],輸入采集軟件中做波束歸位計算。

多波束系統(tǒng)校準是執(zhí)行測量作業(yè)中最重要的內容之一。校準的目的在于量化并改正換能器和船體坐標系的殘余安裝偏差,以獲得更精確的水深值并使水深值對應正確的地理坐標。校準之前,應將各傳感器與收發(fā)換能器的相對位置精確測量。校準內容包括換能器橫搖、縱搖和艏搖安裝偏角殘余誤差,SeaBeam3012屬于深水測量系統(tǒng),因此定位系統(tǒng)和測深系統(tǒng)之間的時延對測量結果影響較小,不必校準。校準不同的偏差角,要選擇相適宜的地形和地物,以致波束腳印能夠分辨出目標地物,尺寸大于波束腳印且邊緣凸出的目標物能獲得更佳的校準效果[11]?！跋蜿柤t01”船配置的SeaBeam3012系統(tǒng)的波束腳印大小與波束指向及水深的關系如表1所示。

表1 波束腳印大小與波束指向角和水深的關系(θac=1.5°,θal=1.0°)Table 1 Relationship between the footprint size and the beam pointing angle and water depth(θac=1.5°,θal=1.0°)

SeaBeam3012系統(tǒng)用于深水測量,其校準時選擇的水深對校準結果影響較大。當校準橫搖時,選擇水深500～2 000 m 為宜;當校準縱搖和艏搖時,選擇水深1 500～3 000 m 為宜。利用美國Teledyne CARIS HIPS等商業(yè)軟件對校準過程采集的數據進行處理,可以獲得最佳校準結果。收發(fā)陣列是分離的,理論上接收陣列和發(fā)射陣列都存在殘余安裝偏差,但是校準結果應當輸入在船型文件的接收陣列中,因為波束坐標系是以接收陣列為參考中心的。“向陽紅01”船按照校準流程獲得的安裝偏角校準結果:橫搖偏角為0.59°,縱搖偏角為-0.39°,艏搖偏角為0.42°。

4 實例應用

SeaBeam3012多波束系統(tǒng)在深遠海海底地形地貌調查中應用較多,在調查作業(yè)過程中,測深和覆蓋寬度之間的對應關系及水深測量準確度是調查人員最為關注的兩方面內容,也是評價多波束性能優(yōu)劣的關鍵指標。多波束測量結果不僅受系統(tǒng)結構、安裝偏差等因素影響,同時也受外部傳感器的測量精度以及海洋環(huán)境噪聲、海況、船速和地質情況等因素影響[12]。本文以“向陽紅01”船在南海某海域執(zhí)行調查任務的應用為例,介紹分析SeanBeam3012系統(tǒng)的實際應用效果。本次測量實例中,系統(tǒng)配套使用的外部傳感器有:英國Veripos公司生產的LD7高精度星站差分定位系統(tǒng)、法國IXsea公司生產的PHINS光纖姿態(tài)傳感器、加拿大AML公司生產的Minos聲速剖面儀和Micro SV 表層聲速計。這些傳感器都是市場上各類調查設備中的主流產品,基本代表了行業(yè)產品的最高水平,完全滿足SeaBeam3012系統(tǒng)對輔助傳感器設備的性能要求,最大程度地降低了外部傳感器對多波束測深的影響。調查實施前,測量在不同航行速度下“向陽紅01”船的噪聲級,當船速為2～12 kn時,測得背景噪聲為43～50 dB。本次調查作業(yè)過程中,海況為三級,同時在多波束測量期間開啟淺地層剖面測量儀,結果顯示測量區(qū)域屬于泥質底質。測量過程中截取的部分采集畫面中顯示的條帶空間分布如圖4所示。

由圖4可以看出,各條帶內的波束腳印幾乎是相互平行排列的,每個條帶垂直于航跡分布,且同水深的條帶覆蓋寬度幾乎一致?；赟ector Scan技術的多波束測深系統(tǒng)往往會產生條帶內各扇區(qū)間前后重疊或左右覆蓋不連續(xù)等現象,SeaBeam3012基于Swept Beam 技術進行實時姿態(tài)補償,實現了波束腳印在沿航跡方向等間隔分布,有效地保障了測深分辨率沿著航跡方向的一致性。

圖4 SeaBeam3012采集時條帶空間分布Fig.4 Spatial distribution of the time swaths acquired by SeaBeam3012

多波束測深系統(tǒng)的測深值與對應覆蓋寬度之間的關系是進行測線間距布設的重要依據。在本次測量過程中,統(tǒng)計了1 000～4 000 m 水深范圍內SeaBeam3012系統(tǒng)的測深值與對應覆蓋寬度數據并繪制成圖,與設備制造商德國ELAC Nautik公司提供的SeaBeam3012多波束系統(tǒng)的測深(Z)與覆蓋寬度(W)關系圖進行對比,結果如圖5所示。

由設備制造商提供的測深和覆蓋寬度的對應關系(圖5)可知,覆蓋寬度約為對應測深值的5.5倍,而本次實際測量的覆蓋寬度約為測深值的3.5倍,這是因為:設備商提供的測深和覆蓋寬度對應關系并非實測結果,而是在背景噪聲為40 dB、脈寬為10 ms、吸收損失為1.2 dB/km 且在最大能量和最大發(fā)射開角(150°)等理想條件下的模擬結果;本次實際測量中,船速為10～12 kn,背景噪聲為45～50 dB,發(fā)射開角為120°(為抑制邊緣波束的噪聲),加之采用嵌入式安裝的換能器,它受氣泡影響較大,所以最終實際測量的寬深比較小。

水深測量準確度評估指標是檢驗多波束測深系統(tǒng)測量精度的重要依據。在《海洋調查規(guī)范:第10部分海底地形地貌調查》[13]中,水深測量準確度評估指標的定義為:

式中,M是重合點水深不符值中誤差,d i是主測線和聯絡測線在重合點i處的水深不符值,n是主測線和聯絡測線的重合點數[13]。本次測量過程中按照測量規(guī)范布設了主測線和聯絡測線,選擇其中的5條聯絡檢查測線(Ⅰ～Ⅴ),經過粗差剔除后進行準確度評估指標計算,結果如表2所示。

由表2可知,SeaBeam3012多波束測深系統(tǒng)的超限點占比結果均小于4%,這完全符合《海洋調查規(guī)范:第10部分 海底地形地貌調查》[14]中對測量準確度評估的要求(超限點占比的限差為10%,水深大于30 m時的主檢不符值的限差為水深的2%)。

圖5 SeaBeam3012系統(tǒng)測深與覆蓋寬度關系Fig.5 Relationship between the bathymetry and the covering width of the SeaBean3012 system

表2 測深值準確度評估結果Table 2 Results of the accuracy assessment

5 結 語

首先介紹了SeaBeam3012全海深多波束測深系統(tǒng)的硬件組成,結合硬件組成深入研究了Swept Beam技術,分析了該技術采用頻移和相移方式實現波束在整個條帶內的掃測并進行姿態(tài)實時補償的過程。然后,對SeaBeam3012多波束測深系統(tǒng)的安裝和校準方法開展分析討論,進而分析波束腳印大小與波束角、水深的關系,該關系可作為校準時選擇適宜地形地貌的參考。最后,以“向陽紅01”船安裝的SeaBeam3012多波束測深系統(tǒng)在南海某海域執(zhí)行測量任務為例,分析了實際測量過程中系統(tǒng)測深與覆蓋寬度的對應關系及系統(tǒng)的測深準確度評估指標。得出結論:

1)在水深1 000～4 000 m 范圍內,SeaBeam3012多波束測深系統(tǒng)的測深和覆蓋寬度的對應關系與設備商給出的結果存在較大差異,該現象是由海況、設備安裝方式、船體噪聲、海底地質和發(fā)射能量及開角等多方面因素造成的。

2)SeaBeam3012多波束測深系統(tǒng)的準確度評估指標遠小于《海洋調查規(guī)范:第10部分 海底地形地貌調查》中要求的限差,完全符合測量規(guī)范中的要求。

3)SeaBeam3012多波束測深系統(tǒng)獲得的測深條帶在空間排列整齊,完整均勻的覆蓋效果十分有利于測量船按照前期的測線規(guī)劃開展調查,避免后期補測造成的船時浪費和成本增加。