多波束与侧扫声呐在水下探测中的应用
郑晖
摘 要：多波束探测与侧扫声呐扫测作为水下障碍物探测的2种常用技术手段各有优势。就多波束探测技术而言，其优势在于通过获得精确的水深数据，实现水下障碍物的精准定位。侧扫声呐在大范围快速获取地貌性质、形状判断中优势更显著。基于此，该文以某水库救援项目为研究案例，对水下障碍物侧扫声呐扫测和多波束探测的具体应用过程进行分析。结合这2种技术对水下地形环境、水下地貌进行描绘，可以实现高效互补，从而获得精确的水下地形数据和水底地貌影像。
关键词：多波束探测;侧扫声呐扫测;水下障碍物
中图分类号：P229 文献标志码：A
0 引言
水下障碍物探测是水资源开发利用的基础和前提，其能在现代化探测技术的应用下，实现水下地形及障碍物的测量，这不仅确保了水域船舶通行的安全性，而且为水下救援工作的开展提供了有效指导。在当前的水下探测中，多波束与侧扫声呐是2种较为有效且常用的探测方式。从本质上讲，这2种障碍物探测方式均为条带式扫海系统，其能实现水底地形的全覆盖无遗漏扫测。但是在实际扫测中，多波束与侧扫声呐的工作原理和工作方式仍有一定差异，该文以某水库救援-测试项目为例，对多波束与侧扫声呐的实际应用要点及效果进行分析[1]。
1 系统的组成及原理
1.1 多波束测深系统组成及原理
1.1.1 多波束测深系统组成
多波束探测系统在水下测深中得到广泛应用。从设备结构单元来看，其包含测深设备、定位设备、罗经运动传感器、声速剖面仪和辅助设备5 个单元[2]。
其中探测设备多波束换能器决定了整个系统的数据分辨率。差分GNSS接收机是全系统的定位装置，其在障碍物定位测量中发挥着控制测量的作用。在多波束测深作业中，罗经运动传感器能实现测量船实时姿态及航向数据的有效采集。声速剖面仪用来测量海区的声速剖面数据，用于校正声速曲线。潮位信息将实测水深值换算成与国家高程系统同一的高程数据。此外，辅助设备包含了导航和数据处理软件。通常水深探测的数据采集、显示和处理均是通过工作站操作完成的。
1.1.2 多波束测深系统工作原理
利用声呐换能器向水底发射宽扇区声脉冲并接收回波信号，是多波束测深系统应用的基本原理（如图1所示）。就发射宽扇区声脉冲而言，其声波的频率多处于100 kHz以上，当发出的声波经水底障碍物反射形成返回波束时，换能器能对这些返回波束进行有效地接收和处理。此时，通过同步获取的潮位和声迷剖面数据，即可实现探测水域底部状况的有效检测。具体来说，结合获取的波束旅行时间和波束角，控制软件能实现波束脚印的水深和位置的有效计算，根据计算结果，即可获得具有较高精度都的水深条带数据，在计算机系统级及相关建模软件的支撑下，可以建立水下地形数字高程模型。
从测量结果来看，多波束测深系统所获取的是随身数据，经过编辑和处理形成关于水底地形的高程模型文件。在测量数据未经处理前，原始数据信息总量较多，且内容形式较为繁杂。其中，条带水深数据是较为主要的测量数据内容，而声速剖面数据、运动传感器数据、罗经数据和潮位数据是辅助数据的重要组成部分。
1.2 侧扫声呐系统组成及原理
侧扫声呐系统在地貌性质、形状判断中具有突出优势，其主要组成单元包括工作站、换能器基阵、拖缆和差分GNSS接收机等。
采用侧扫声呐系统进行水下障碍物测量时，系统换能器能向两侧水底发射出超过100 kHz的聲波，该声波无穿透能力，因此回波信号较强，且完全来源于水底面的反射。采用换能器接受并处理返回波束，按照强度、时间对返回波束进行处理，可获得具体的像素值。就返回波束强度而言，其不仅包含了水底起伏信息，而且还涉及水底底质信息。通常，回波束信号较强的区域，其水底较为坚硬、粗糙。而回波束信号较弱的地区，水底较为柔软、平坦或呈下凹趋势。回波信号经由工作站进行处理，最终形成侧扫声呐图像（如图2所示）。
需注意的是，侧扫声呐采用的是斜距成像原理，其数据的采集过程较为特殊，这使得在形成侧扫声呐图像的过程中，图像是按照发射Ping排列的扫描序列图像转换而来，因此存在一定的缺陷。如速度失真、斜距变形、目标距离变形、水底坡度变形等，此外，侧扫声呐图像还容易出现双曲变形、随机变形和拖鱼高度变化引起的变形等缺陷。可见侧扫声呐系统不具备整体的地理方位和可量测性，其在反应水底对象的空间分布状况的能力上还有待提高[3]。
2 应用案例
2.1 工程概况
某水库救援-测试项目，作为大山里修建水坝拦截自然河流形成的水库，该水库作业区域剖面呈漏斗形。在实际测量调查中，采用多波束测量事发区域水库的三维水下地形，并为侧扫声呐作业航线提供参考，为疑似目标比对提供参考。通过侧扫声呐作业辨识水下的地貌情况，搜寻可疑目标物。通过2种数据的结合进行目标精细辨识，期望能为今后水库救援工作提供有效参考。
2.2 水下目标多波束扫测
在水库救援水下目标多波束扫测作业中，将多波束换能器安置在船舶右舷，同时在驾驶甲板右侧栏杆上固定GNSS天线，此外将IMU安装在中央通道拐角。在具体作业时，先进行各子系统船体坐标的准确定位。其中，X、Y、Z三轴分别代表船艏向、右舷方向和垂直向水底方向，参考点选在IMU处，其坐标为（0，0，0）。该项目采用浙海巡0728作为工作船舶。
如图3所示，水下目标多波束扫测通过多波束安装调试、导航定位安和多波束作业的方式开展外业探测作业。要求多波束安装调试、导航定位安装符合水下目标多波束扫测基本原理，同时符合现有设备工作的系统指标和物理控制指标。作业时遵循水下目标多波束扫测原理，开展水下障碍物探测[4]。
完成水下目标多波束扫测后，需要规范化的进行数据内业处理。内业工作具体流程如图4所示。
在使用多波束测量数据前，需要按照格式转换、参数校正、数据编辑和数据输出的形式进行数据处理。整个数据处理中有3个要点。 1）进行水库声速剖面数据的处理，该项目调查水库中心位置，并拉取声速剖面，根据检测结果可知，该区域的声速变化较大，10 m～27 m处存在温跃层。2）开展多波束数据校准工作。前期作业中，为从源头上确保多波束数据的准确性，要求对多波束换能器的安装姿态进行校正，通过GPS时间同步脉冲（1PPS）保证多波束系统各设备间的时间同步，要求同步误差在1 ms以内。在测量数据校准中，于特定的水底地形上展开校准工作。横摇参数校准时水底地形坡度应﹤2°，校准数据选择垂直于航线方向的横截面数据。纵摇参数、艏向参数校准中，水底地形坡度需﹥5°，前者采用同一条测线往返测量，后者通过2条平行测线进行同向测量。实际测量中，要求往返测量中的航速保持一致。需要注意的是，在艏向参数校准中，要求2个波束条带的重叠率保持在20%～50%，避免数据出现疏漏。3）在数据后处理中，添加声速剖面、潮位等数据。将所测的数据转化为水深基准面数值，最终通过数据编辑手段的应用，有效地进行声波滤波计算、数据清洗，获取更加清晰的水下地形情况。并将所测数据绘制成图件形，再与当地的居民沟通，确保水下地形图识图工作的有序开展。
2.3 侧扫声呐测量
侧扫声呐测量作业主要分为侧扫声呐安装调试、侧扫声呐测量作业2个环节。该项目侧扫声呐测量作业中，采用SS3060型侧扫声呐系统，该设备可同时发射300 kHz和600 kHz 2个频率的声波，采用CW信号和Chirp信号对声波信号进行调制，有效地提升了作业幅宽和成像清晰度。在侧扫声呐安装调试过程中，重点对其设备的技术参数进行调试，为水下障碍物的精准测量创造良好条件。
侧扫声呐测量作业过程中，采用船尾拖曳式布放方式（如图5所示）。
具体操作要点有3个。1） 在GNSS定位系统天线布放时，将其设置在拖点附近，并使得天线四周无遮挡，可以保证定位误差较小，同时确保了拖缆姿态观察时视野的开阔性。2）基于侧扫声呐工作的基本原理，进行水下相关数据测量，初步获得水下障碍物的原始数据。3）对侧扫声呐数据进行处理，整个数据处理按照底跟踪修正、增益修正、水柱修正和图像镶嵌4个步骤处理。就底跟踪修正而言，其能在勾勒底跟踪线的基础上，正确识别水底边缘，实现水底与水体的区分。而增益修正是对图像各部图像进行滤波调谐，这样能确保声呐图像回波强度的均匀性，同时，显著提升了水底地物、地貌的辨识程度。
该项目按照固定增益、时变增益、吸收损失和扩散损失等方式进行参数调整，获得了良好的图形结果。最后，经过水柱修正、图像镶嵌有效地提升了侧扫图像的可读性。需注意的是，在水柱修正、水体图像去除阶段，主要是依据底跟踪修正方式对水体图像与水底图像边缘进行区分的。
2.4 测试过程影响分析
在具体测试过程中，由于作业船只为当地地方海事巡逻艇，吃水30 cm，在进行多波束调查时发现当地水深最大超过70 m，水库岸边落差极大，岸边缓坡水深1 m，前行不到4 m水深达到20 m，再前行10 m水深就能达到60 m。水下还有未进行砍伐的树林等地物，未砍伐的树林会对侧扫声呐作业造成影响。这是因为为获取稳定、连续和良好的侧扫声呐影像，作业船采取低速直线航行以此来确保侧扫声呐距底距离为最佳作业距离，且侧扫声呐拖鱼是拖曳式作业，拖鱼通过电缆拖在作业船尾部，在作业船进行航行机动时，拖鱼反应会较作业船有延时，因此会勾挂树木造成設备损毁。
3 结语
结合该项目测试及调查形成过程可知，多波束与侧扫声呐均能实现水下障碍物的有效探测，2种测量联合的方式可以实现水下地形及障碍物的精准测量，这不仅确保了水域船舶通行的安全性，而且为水下救援工作的开展提供了有效指导，在水库救援中收效良好。
参考文献
[1]殷宪峰.一型海上支持/维护船安装深水多波束的可行性研究[J].中国水运，2020（5）：82-84.
[2]马深.依赖多波束合成孔径侧扫声呐图像的水底障碍物研究[J].电子测量技术，2020，43（5）：102-106.
[3]张惟河.海洋物探技术在近岸水底礁石探测中的应用[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2020（3）：186-188，191.
[4]别伟平，郭志勇，于永宽.多波束与侧扫声呐在水下障碍物探测中的综合应用[J].港工技术，2019，56（1）：157-159.
