耿家營

（海軍潛艇學(xué)院,山東 青島 266046）

海洋掃測聲吶是人類對海底目標(biāo)進行大范圍掃測定位的主要裝備[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、適用場景上也不相同。文章對這3種聲吶技術(shù)特點進行研究，分析不同聲吶技術(shù)的優(yōu)點，以提高掃測作業(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)掃聲吶是一種通過在雙側(cè)布設(shè)指向性換能器，利用回聲測距原理來測量海底信息和水下物體的海洋探測設(shè)備。側(cè)掃聲吶系統(tǒng)一般為拖曳式，由拖曳體（拖魚）、數(shù)據(jù)纜和甲板單元3部分組成。掃測作業(yè)時，母船只拖動拖魚在海水中航行，在拖魚的兩側(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，聲信號被換能器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)濾波處理進行顯示存儲，信號波動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)過程中，因航速不穩(wěn)定或抖動，圖像會出現(xiàn)一定的變形失真。為增強圖像的顯示效果，常采用雙線性插值法對圖像進行處理，填補圖像中的縫隙，實現(xiàn)圖像的連續(xù)顯示。處理前后的圖像對比可以看出，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，拖魚航行過程中會出現(xiàn)搖晃擺動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)。拖魚姿態(tài)的變化會導(dǎo)致圖像坐標(biāo)產(chǎn)生一定的偏差，通過建立坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)模型，對拖魚的航向角、橫搖角和縱搖角進行校正，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立的，需要基于地理坐標(biāo)等信息對圖像進行匹配，再融合拼接為一個完成且連續(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 主流裝備型號及應(yīng)用場景

側(cè)掃聲吶主流型號裝備主要包括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）進行礁區(qū)數(shù)據(jù)采集。實驗證明，應(yīng)用側(cè)掃聲吶技術(shù)能夠?qū)５捉甘M行直觀、大范圍的探測，能夠讀取細(xì)微信息，作業(yè)效率較高，可對礁石的整體分布、穩(wěn)性進行客觀評估，如圖5所示。

圖5 側(cè)掃聲吶捕獲的礁體布局圖

2 多波束測深聲吶裝備技術(shù)

2.1 基本工作原理

多波束測深聲吶采用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，接收時通過垂直陣對接收到的聲波信號進行相干累加，對預(yù)設(shè)角度方向信號進行逐個接收，最終得到所需覆蓋范圍內(nèi)的時間-方位圖，如圖6所示。

圖6 多波束測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深技術(shù)：多波束聲吶的測深精度與覆蓋寬度兩個指標(biāo)是一對矛盾。由于聲信號存在衰減（基于擴散和吸收現(xiàn)象），邊緣波束測量海底目標(biāo)時很難滿足寬覆蓋測量的要求。為破解這對矛盾，一般采用LFM信號和編碼信號脈沖壓縮的方法提高聲信號信噪比，實現(xiàn)測深精度與覆蓋寬度兩個指標(biāo)的統(tǒng)一[3]。

（2）Multi-Ping技術(shù)：在常規(guī)多波束測量中，往往都是單次發(fā)射脈沖信號，以避免脈沖信號之間的干擾，需要等最遠處的回波信號返回?fù)Q能器后才能再次發(fā)射，這勢必降低了信號刷新率。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)，能同時向多方向發(fā)射不同頻率的脈沖聲信號，使得單次探測信息量增加，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，多波束聲吶在掃測過程中會受母船姿態(tài)影響，測量地形深度與實際深度會產(chǎn)生誤差，影響探測精準(zhǔn)度?？赏ㄟ^測量拖體姿態(tài)數(shù)據(jù)，將測量地形數(shù)據(jù)與之匹配補償，最終補償橫搖產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差。

2.3 主流裝備型號及應(yīng)用場景

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

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

圖7 EM 2040典型目標(biāo)探測結(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”，其基本原理是通過小孔徑聲吶基陣在航跡向上的移動，通過對照射信號的不斷相干累加處理，得到一個等效的虛擬大孔徑基陣，以獲得相對較高的分辨率[5]。合成孔徑成像需要計算在不同采樣位置時，各掃描像素點到發(fā)射位置和接收位置的距離，從而計算得到聲波傳播時間，補償不同位置的相位差[5]。合成孔徑聲吶的技術(shù)優(yōu)勢在于其航跡向分辨率與作用距離和信號頻率無關(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，受到外場條件制約，成像仿真數(shù)據(jù)的研究是進度驗證的必要手段。相對精準(zhǔn)的回波仿真可解決實際實驗中無法精準(zhǔn)定位的問題，找到成像算法和運動補償算法中存在的不足，提高掃測精度。

（2）運動姿態(tài)估計與補償技術(shù)：合成孔徑成像算法其中一個前提是基于聲吶陣能夠進行理想的勻速直線運動。而實際海洋環(huán)境中，風(fēng)、流、涌浪對聲吶陣運動軌跡的影響較大，呈現(xiàn)隨機性，致使信號存在較大誤差，合成虛擬孔徑的長度較小，分辨率得不到保證。為保證成像質(zhì)量，聲吶載體除了通過外部因素穩(wěn)定航跡外，還需要對運動姿態(tài)進行采集，對測量軌跡進行補償矯正后，再進行合成計算，得到相對可控的成像質(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]。按信號處理域的不同，合成孔徑成像算法可分為時域算法和頻域算法。逐點成像法是時域算法的典型方法，其原理是在時域中對每一像素點進行二維移變?yōu)V波匹配成像，由于需要對像素點逐個處理，因此，該方法適用于計算量不大的情況。而頻域算法可彌補該方法的不足，適用于較大數(shù)據(jù)量的處理，處理效率較高。

3.3 主流型號裝備及性能

經(jīng)過數(shù)十年的技術(shù)發(fā)展，合成孔徑聲吶已經(jīng)從原理驗證階段走向了工程化、產(chǎn)品化階段，國內(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關(guān)，能夠獲得恒定的成像分辨率，但對目標(biāo)深度估計精度不足，因此較為適用于水下的精細(xì)化目標(biāo)圖像探測、沉船打撈和失事飛機搜尋。

例如，挪威海軍曾在霍爾滕外海利用HISAS 1030進行三維圖像獲取[7]，探測區(qū)域水深20～120 m，探測到一艘二戰(zhàn)時期的沉船，結(jié)果清晰可見，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探測沉船實例

4 裝備的使用選擇分析

4.1 裝備技術(shù)優(yōu)勢

通過對上述裝備技術(shù)的系統(tǒng)分析，總結(jié)出3類聲吶的作業(yè)特點及技術(shù)優(yōu)勢。

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

多波束測深聲吶能夠獲得探測區(qū)域的高分辨三維成像結(jié)果，且探測區(qū)域沒有縫隙，測深精度較高，適用于大面積海床的精確深度測量。對近底目標(biāo)進行主動探測時，可以使用該類裝備進行精細(xì)化的三維測量。

合成孔徑聲吶是在側(cè)掃聲吶基礎(chǔ)上發(fā)展起來的、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)的成像分辨率遠高于側(cè)掃聲吶，通常需要配備多波束測深聲吶進行補隙，從而實現(xiàn)對目標(biāo)的精細(xì)化測量。當(dāng)需要高分辨率的目標(biāo)探測圖像時，可以采用此類裝備。但是該類裝備系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高且實時成像效果有待提升。

4.2 選擇要素

為提高掃測作業(yè)時聲吶選型的科學(xué)性，從作業(yè)信息獲取的優(yōu)先級別分4個方面進行分析。

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)或船尾進行作業(yè)，而多波束測深聲吶一般搭載在船底或船側(cè)展開作業(yè)，需要進行固定布放。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，聲吶拖魚會后滯母船較大距離，若要拖魚布放至預(yù)定深度，須持續(xù)放纜。較長的纜繩將大幅增加母船轉(zhuǎn)向時間，降低掃測效率。一般使用側(cè)掃聲吶作業(yè)、合成孔徑聲吶須視掃測海區(qū)決定，近海一般不超過500 m。多波束聲吶能夠不受水深的限制展開作業(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，多波束測深聲吶呈現(xiàn)出三維圖像。對輪廓明顯目標(biāo)進行搜索時，可采用側(cè)掃聲吶、合成孔徑聲吶；對輪廓不明顯目標(biāo)或水下地形進行測量時，可采用多波束測深聲吶。

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，但多波束測深聲吶會隨水深發(fā)散作用，不適于較大深度場景作業(yè)。

5 結(jié)論

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