GeoSwath与Klein 3000的综合对比及实验分析

张济博，陶炳淑，贾忠媛，蒋维杰，苟诤慷，闻 锋

（1.国家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室，浙江 杭州310012；2.浙江省工程地震研究所，浙江 杭州310013；3.中国石油华北油田公司 地球物理勘探研究院，河北 任丘062552）

0 引言

随着社会的发展，人们需要开发和利用海洋资源来满足经济发展的需求，这就需要了解海底地形地貌。了解海底地形地貌，传统的方法是分别用测深仪和侧扫声纳来得到水深数据和海底声纳图。GeoS－wath Plus相干声纳系统的出现改变了传统作业模式，它利用相干原理同时得到水深数据和海底声纳图，可以极大地提高工作效率。2012年2月在新西兰威灵顿港举行的Shallow Survey 2012会议上，GeoSwath Plus与 EM 3002、R2Sonic 2024、Seabat 7125等多款多波束测深仪进行了水深测量效果对比。但是，目前还未发现GeoSwath Plus与传统侧扫声纳进行的比较。

本文选用应用非常广泛的侧扫声纳Klein 3000系统与GeoSwath Plus，从工作原理、技术参数、系统组成、数据采集和后处理平台以及实测数据等方面进行分析与比较，以进一步了解GeoSwath Plus系统的性能，同时为相关仪器的选型提供参考。

1 原理比较

GeoSwath Plus是英国GeoAcoustics Ltd.公司的产品，有3种类型，发射频率分别为125、250和500 kHZ，本文选用125kHZ的，因为该系统应用最广泛，其它两种类型与其相似，只是分辨率和量程不同。GeoSwath Plus由左右两个换能器组成，呈“V”字型，每组换能器由1个发射基元和4个接收基元组成，与竖直方向夹角为30°，单边波束开角为120°。换能器发射扇形声波，海底的回波信号被接收器接收，振幅形成声纳图像，4个接收板接收到回波信号的相位是不同的，接收基元之间的间距是固定的，根据相干原理，它们接收的回波相位差和波束到达角存在固定的关系，进而计算出到达角的大小，通过横摇补偿，结合记录的波束传播时间即可进行深度与横向位置的计算（图1）［1］。

Klein 3000双频数字侧扫声纳系统由发射换能器和接收换能器组成，该系统包含左舷和右舷两个换能器阵，每个换能器阵分为100kHz和500kHz两个收发器，每个收发器包括1个发射基元和2个接收基元。系统工作时，随船行进的拖鱼产生两束与船前进方向垂直的扇形声束，遇到海底或者水中物体时发生散射，反向散射波沿原传播路线返回，被换能器接收，反映在记录纸或者显示器上，形成声纳图像（图2）［2］。

图1 GeoSwath原理图Fig.1 The principle diagram of GeoSwath Plus

图2 Klein 3000型侧扫声纳Fig.2 Klein System 3000Side Scan Sonar

二者区别在于传统声纳Klein 3000只记录回波的振幅，而相干声纳GeoSwath则记录回波的振幅、回波时间和相位差，通过数据处理得到水深数据和声纳图像，二者接收数据的不同，也决定了两者的用途不同。

2 系统组成和基本参数比较

Klein 3000数字声纳系统由拖鱼、电缆、DSP甲板单元、计算机、GPS定位设备组成（图3）［3］。GeoS－wath Plus系统主要由水下换能器、声速仪、高度计、电缆、DSP甲板单元、计算机、电罗经、GPS定位设备等组成（图4）［4］。由于同时具备测深和侧扫功能，GeoSwath Plus系统需要连接的设备更多，多条电缆连接到DSP甲板单元，对操作人员的要求更高。而Klein 3000集成化程度高，数据只需通过1根电缆连接即可，简单方便。

图3 Klein 3000数字声纳系统Fig.3 Klein System 3000Side Scan Sonar

图4 GeoSwath Plus系统Fig.4 GeoSwath Plus System

传统侧扫声纳Klein 3000系统和相干声纳GeoSwath Plus系统的基本参数对比如表1所示。

由于受到回波强度的限制，GeoSwath Plus适用于水深不超过200m的浅水区，而Klein 3000由于采用拖拽式，可以在不超过2 000m的海域范围内使用，使用范围比GeoSwath Plus大；传统侧扫声纳采用拖拽式安装，而GeoSwath Plus采用固定式安装，同时由于GeoSwath Plus安装了高度计等设备可以更好地保证仪器的安全。

表1 Klein 3000与GeoSwath Plus系统性能参数对比Tab.1 Performance parameters of Klein System 3000are compared with those of GeoSwath Plus System

3 数据采集平台和后处理平台比较

传统侧扫声纳系统Klein 3000的数据采集可以使用 SonarPro、Triton Isis、Qinsy和 SonarWiz.Map等多种软件。以Triton Isis软件为例（图5），可以实时监控侧扫声纳系统和GPS导航设备等，该采集软件操作简单，可对侧扫声纳数据进行实时监测。后处理软件包括Triton Isis和TritonMap、SonarWeb、SonarWiz.Map、CleanSweep等。数据一般存储为XTF格式。以SonarWeb后处理软件为例，可以实现侧扫声纳数据海底线检测、斜距改正、投影、地理编码和镶嵌等。

相干声纳系统GeoSwath Plus数据采集使用GS＋软件，最新版的Hypack或者Qinsy。GS＋软件包括数据采集、数据处理、系统校准、生成格网文件等功能模块，数据采集界面见图6。GS＋软件的优点是占用电脑内存和硬盘空间较小，操作简单，易于掌握。采集过程中各个辅助设备的状态以不同颜色的灯光符号显示，当信号不正常时显示红灯或黄灯，正常则为绿灯，明确提示数据状态。数据默认存储为RDF格式，水深和声纳数据存储在同一个文件中。后处理时声纳和水深数据要分开处理，GS＋软件可用来处理水深数据，但声纳数据处理功能不是很完善，一般转换为XTF格式，采用第三方软件如Triton Isis和TritonMap进行处理，而SonarWeb和SonarWiz.Map由于功能限制无法处理。水深数据和声纳数据分别处理好后，可以生成3D图像。

在数据采集平台方面，由于Klein 3000出现更早，可使用的采集软件更多，而GeoSwath可使用的采集软件比较少，但具有更直观的数据质量监控功能；在后处理平台方面，两者都有较多的软件可供选择，由于数据文件中含有水深数据，GeoSwath Plus对后处理软件的要求更高。

图5 Klein 3000数据采集界面Fig.5 Data acquisition image of Klein System 3000

图6 GeoSwath Plus数据采集界面Fig.6 Data acquisition image of GeoSwath Plus

4 实测数据对比

在某海区对GeoSwath Plus和Klein 3000进行对比实验，该区域水深约40m。GeoSwath PLus安装在船舷右侧，Klein 3000采用拖拽式安装，使用电动绞车收放缆，使其离海底高度控制在20m左右。GeoSwath PLus使用GS＋软件，Klein 3000使用SonarPro软件进行数据采集。导航设备选用C－Nav 3050MDGPS系统，坐标系选用WGS84，使用UTM投影，网格大小设为0.25m。为了能够尽可能更好地比较两者所采集的数据，处理软件都选用Triton Isis和TritonMap，以避免因使用不同的处理软件造成差异。

在实验区布设2条3km长的测线，其中1条东西向测线用来探测海底冲刷沟，另1条南北向测线用来探测海底基岩，用同1条船分别使用Klein 3000和GeoSwath Plus进行探测。

4.1 数据量比较

数据采集完成后，发现同样距离Klein 3000的数据文件几乎为GeoSwath Plus的8倍，分析后发现，两者都是每秒钟发射10Ping，但Klein 3000每Ping单侧采样点数为2 048个，GeoSwath Plus只有1 024个；此外由于Klein 3000是100kHz和500kHz双频采集，GeoSwath Plus只是125kHz单频采集，故文件大小只有Klein 3000的1／8左右。

4.2 声纳图像质量分析

图7和图8分别为GeoSwath Plus和Klein 3000所探测到的海底冲刷沟，从GeoSwath Plus得到声纳图上只能看出冲刷沟的大致形状和走向；而Klein 3000得到的声纳图不仅能看到冲刷沟的大致形状和走向，而且能够更加细致清晰地显示冲刷沟的细节和形状。

图7 使用GeoSwath Plus得到的冲刷沟声纳图Fig.7 Side scan sonar image of gullies by GeoSwath Plus

图8 使用Klein 3000得到的冲刷沟声纳图Fig.8 Side scan sonar image of gullies by Klein System 3000

图9和图10分别为GeoSwath Plus和Klein 3000探测得到的海底基岩，从GeoSwath Plus得到的声纳图上，看到图像只能显示出基岩，无法清晰地显示基岩的形状；而Klein 3000得到的声纳图不仅能识别出基岩，而且能够更加细致清晰地显示基岩的分布、形状和细节。

图9 使用GeoSwath Plus得到的基岩声纳图Fig.9 Side scan sonar image of bedrocks by GeoSwath Plus

图10 使用Klein 3000得到的基岩声纳图Fig.10 Side scan sonar image of bedrocks by Klein System 3000

尽管图7和图8、图9和图10的区别是明显的，但是这些判断仍然是主观的，为了进一步比较图像，选用对比度和平均梯度对GeoSwath Plus和Klein 3000所得到的声纳图进行定量分析（表2）。

表2 GeoSwath Plus与Klein 3000声纳图像定量比较Tab.2 The quantitative comparison between GeoSwath Plus and Klein System 3000Sonar image

从表2可以看出，GeoSwath Plus得到的声纳图的对比度和平均梯度都要小于Klein 3000得到的声纳图，这说明虽然相干声纳使用的频率为125kHz，与Klein 3000低频100kHz（实际为132±1%kHz）相差不大，但Klein 3000得到的声纳图像更细腻，对比度更强，分辨率更高，目标更清晰。

为何GeoSwath Plus图像对比度比Klein 3000得到的图像对比度弱，分辨率低？对两者的回波进行傅里叶变换得到的振幅谱如图11和图12所示。

图11 GeoSwath Plus回波经过傅里叶变换得到的振幅谱Fig.11 Amplitude spectrum of GeoSwath Plus image through Fourier transform

图12 Klein 3000回波经过傅里叶变换得到的振幅谱Fig.12 Amplitude spectrum of Klein System 3000image through Fourier transform

从两者的振幅谱可以看出GeoSwath回波的平均振幅（主要集中在0～50之间）小于Klein 3000回波的平均振幅（主要集中在50～100之间），进一步分析由于GeoSwath采用悬挂式安装，比采用拖曳式安装的Klein 3000离海底较远，导致声波在传播过程中能量衰减，使得实际接收的回波振幅低于Klein 3000。同时，由于GeoSwath波束水平开角为0.85°，也大于Klein 3000，而波束水平开角越小，声纳的分辨率越高，这些因素导致了GeoSwath得到的声纳图像不如Klein 3000得到的质量高。

4.3 目标大小与位置分析

GeoSwath Plus探测到的冲刷沟宽度为20.4m（图13a），基岩区的宽度为26.7m（图14a），Klein 3000得到的冲刷沟宽度为19.9m（图13b），基岩区的宽度为29.3m（图14b），从以上数据可以看出GeoSwath Plus和Klein 3000得到的冲刷沟宽度相差较小，而基岩区的宽度相差较大，主要是因为GeoSwath Plus得到的声纳图对比度和清晰度不如Klein 3000，没有找到基岩区的边缘，所以测量基岩区宽度较小。

Klein 3000得到冲刷沟和基岩位置与GeoSwath Plus得到的位置分别相差9.3m和8.7m，这是传统侧扫声纳的固有问题，虽然使用电动绞车控制拖鱼离海底高度，并进行LayBack改正，但是定位精确度仍较低，而GeoSwath Plus采用固定式安装，定位精度更高。

图13 GeoSwath Plus（a）和 Klein 3000（b）探测到的冲刷沟比较Fig.13 The comparison of gullies detected by GeoSwath Plus（a）and Klein System 3000（b）

图14 使用 GeoSwath Plus（a）和Klein 3000（b）探测到的基岩比较Fig.14 The comparison of bedrocks detected by GeoSwath Plus（a）and Klein System 3000（b）

5 结论

GeoSwath Plu利用相干原理能同时得到水深数据和侧扫图像，并生成3D图像，是一场重大技术革命。本文将GeoSwath Plus系统和Klein 3000系统从工作原理、技术参数、数据采集和后处理平台以及实测数据等方面进行了对比，得到以下结论：

（1）由于记录的数据类型存在差异，Klein 3000只记录回波的振幅，而GeoSwath则记录回波的振幅、回波时间和相位差，因而GeoSwath不仅能够得到声纳图像，还能获取每个点的精确位置与水深值。而Klein 3000侧扫声纳无法获取每个图像点的精确位置与水深值，由此也决定了两种设备在用途上有着很大的区别。

（2）二者质量较轻，都属于便携式，由于GeoS－wath Plus采用固定式安装，受到回波强度的限制，只适用于水深不超过200m的浅水区；而Klein 3000由于采用拖拽式，可在不超过2 000m的海域范围内使用，使用范围更大。

（3）在数据采集平台方面，由于Klein 3000出现更早，可使用的采集软件更多，而GeoSwath Plus可以使用的采集软件较少，但具有更直观的数据质量监控功能；在后处理平台方面，两者都有较多的软件可供选择，由于数据文件中含有水深数据，GeoSwath Plus对后处理软件的要求更高。

（4）从实际应用来看，由于固有的原因，在不使用USBL的情况下，Klein 3000的定位精度低于GeoS－wath Plus，但得到的声纳图像更细腻，分辨率更高，目标更清晰。

（References）：

［1］Kongsberg Geoacoustics Ltd.GeoSwath Plus wide swath bathymetry and georeferenced side scan system［R］.Kongsberg Geoacoustics Ltd，2007.

［2］XU Feng，WEI Jian－jiang.Side scan sonar［J］.Wuli，2006，35（12）：1 034－1 037.

许枫，魏建江.第七讲：侧扫声纳［J］.物理，2006，35（12）：1 034－1 037.

［3］L－3Klein Associates，Inc.System 3000operations and maintenance manual［M］.L－3Klein Associates，Inc，2005.

［4］WANG Zhi－dong.Probe into the principle of GeoSwath bathymeter and its application［J］.Port ＆ Waterway Engineering，2002（10）：31－33.

王志东.GeoSwath条带测深仪原理探析及其应用［J］.水运工程，2002（10）：31－33.