一种侧扫声呐检测力的评价方法

库安邦，周兴华，董立峰，王方旗，丁继胜，刘敦武，陶常飞

（1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266510；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

一种侧扫声呐检测力的评价方法

库安邦1,2，周兴华2*，董立峰2，王方旗2，丁继胜2，刘敦武2，陶常飞2

（1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266510；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

侧扫声呐是海洋调查常用的探测仪器，为保证测量数据的准确性，对其实际探测性能的评价就显得尤为迫切。文中从侧扫声呐的工作原理出发，梳理了检测力和分辨力在概念上的混淆，并提出了一种评价检测力的方法；通过在海底人工放置一些已知大小的目标物，精确测量各个目标物的位置信息，并使用EdgeTech 4200MP双频侧扫声呐系统对目标物进行扫测试验以检测其检测力。结果表明，目标物和航迹线方向平行时，能够清晰地分辨直径或边长为20 cm，30 cm的物体，不能分辨出直径为10 cm的圆形物体，但能较清晰的分辨出直径为0.9 cm的长绳；目标物在垂直航迹线方向时，能够清晰地分辨直径或边长为10 cm的目标物，但是不能分辨出直径为0.9 cm的长绳；综合评价得出其纵向检测力优于1 cm，横向检测力优于10 cm。对常用声呐探测仪器的标准化体系的建立有一定的帮助。

侧扫声呐；检测力；分辨力；方法

海底地形地貌作为认识和了解海洋的基本信息，在海洋资源开发、海洋工程建设和海洋权益维护方面有着不可或缺的作用。海底信息的探测是进行海底科学研究的基础[1-3]，是了解海洋空间形态特征的基础性资料。由于声音在水中传播的特殊优势，目前海底信息的快速获取还主要依赖于声学探测设备[4-6]，侧扫声呐和多波束系统等声学设备已逐渐成为获取海洋地形地貌的主流手段。然而市场上各种型号的声呐仪器让人眼花缭乱，如何正确地选择一款质量过硬的产品是各个科研单位和公司所关心的。一款好的仪器设备主要体现在数据质量上，而在数据质量保障上没有得到应有的关注。目前国内对于声呐仪器的检校工作还处于摸索阶段，没有形成一套统一的标准体系，对于一些常用的侧扫声呐设备，通常直接使用或采取自校准的方法，相关系统性能检测方法和相应的测试设施严重匮乏，没有形成一个严格的标准对仪器的性能进行评价，这样所获取的数据资料将会存在很大的质量隐患，严重影响了探测结果的准确性和可靠性。随着海洋测绘学科的迅速发展，国家海洋局海洋标准计量中心开展了海洋声学设备检测校准的研究，拟制定统一的声学设备计量标准，有效地推动了常用声呐仪器标准化体系建立的进程；张济博[7]等曾对比过相干声呐和传统声呐的差异，对两款仪器的检测能力进行了比较，但结果较为粗糙，可信度较差；董希贵[8]曾介绍过多波束声呐主要技术指标的鉴定方法，对多波束测量成果具有一定的保证性。长期以来人们一直把侧扫声呐系统作为物探的仪器设备，并没有对其各方面的探测精度做更多的要求，往往忽略了仪器的校准和各个性能指标的检测，得到的数据资料会存在重大的安全隐患。所以研究侧扫声呐系统性能检测的关键技术和方法，建立科学的、权威的检测和评价体系，保证探测数据的准确性和可信度，对我国海洋测绘事业的发展有一定的经济和社会价值。

本文依托海洋公益性行业科研专项《常用海底声呐测量仪器计量检测关键技术研究与示范应用》，在项目实践的基础上，提出了一种测扫声呐检测力的评价方法，为以后开展此类仪器设备的检测和应用提供参考。

1 侧扫声呐系统组成和工作原理

1.1 系统组成

本次试验采用的侧扫声呐系统是美国EdgeTech公司生产的EdgeTech 4200MP系列，整个系统主要由拖鱼、拖缆、甲板单元和计算机等组成，拖鱼中集成姿态、压力等各种传感器，为海底探测提供必要的辅助参数，拖鱼通过两侧换能器发射和接收脉冲信号，实现对海底的探测；拖缆连接拖鱼和甲板单元，实现数据的实时传输，计算机主要起到控制和显示的功能，通过运行在计算机上对应的采集软件，实时显示探测到的地形地貌。此次试验选用的侧扫声呐系统全频谱CHIRP和多脉冲技术集成于一体，全频谱CHIRP技术可以得到宽频带、高能量发射脉冲和高分辨率、高信噪比的回波，宽频带、低噪音的前置电子电路有效地消除了仪器引起的相位误差和漂移。主要性能指标如表1所示。

表1 EdgeTech 4200MP主要性能指标

1.2 工作原理

侧扫声呐左右各有一个换能器线性阵列，每个线阵均由许多个微小的阵元组成，试想每个阵元发射一个脉冲，波束相互叠加，最终在指定的角度内产生较大的波束能量。发射换能器发射一个短促的脉冲，通常我们认为声波是以固定的开角形成一个扇面向远处传播，事实上发射的声脉冲信号并不是完全按照人们意愿的那样，如图1(a)，实际的声呐信号是以球面波的形式向四周发射的，仪器标称的垂直波束开角也是局限在-3 dB内的角度，它是主瓣轴线与其侧下方的旁瓣轴线之间的夹角，而脉冲的大部分能量都集中在这个角度内，我们称之为波束的指向性。通常为了提高测量效率，更多地接收海底回波，如图1(b)所示的探测剖面图，侧扫声呐两侧换能器基阵会有一个斜向下20°～40°不等的安装倾角，使尽可能多的波束向海底发射，发射的扇形脉冲碰到海底产生的反射或散射回波会原路返回，根据距离长短被先后接收，每一次接收的回波数据显示在显示器上为一窄梯形，每一点的位置和回波到达的时刻对应，因此每次发射得到的回波是一个个的脉冲串。脉冲串幅值的高低变化对应海底起伏软硬的信息，幅值较低说明无回波信号或回波较弱，而幅值较大则说明回波信号较强，海底可能存在显著的目标物。通常硬的、粗糙的和凸起的海底回波信号强；软的、平滑的和凹陷的海底回波弱；被遮挡的海底无回波，形成声影区；另外，距离越远回波信号越弱[9]。换能器按一定的时间间隔发射接收脉冲，将每次接收到的一呯呯回波数据显示排列起来，就得到了二维海底地形地貌的声图。操作人员借助计算机对声图进行进一步的处理，根据输出的二维图像对海底地貌进行判读。

图1 侧扫声呐工作原理

1.3 检测力与分辨力

分辨力是侧扫声呐的一个重要指标，它指的是在声呐图像中能区分两目标物的最小距离，可分成纵向分辨力dx和横向分辨力dy（如图2）。换能器发射脉冲不仅有一个较宽的垂直开角，还有一个很窄的水平波束角，两者分别对应着侧扫声呐的横向分辨力和纵向分辨力，横向分辨力是区分垂直于航向海底两目标物之间的最小距离；而纵向分辨力是区分平行航行方向的两目标物之间的最小距离。

图2 脉冲发射立体图

图3 侧扫声呐分辨力解译图

侧扫声呐的分辨力大小可以通过具体的模型计算出来，它们的关系如（1）式所示：

式中：R为换能器至目标物的斜距；θx是水平波束角；c为声速；τ为发射脉冲的长度；θ为声波掠射角，就是斜距与水平海底面之间的夹角，而这些关系成立的前提均是假设海底为一平面。其中纵向分辨力受水平波束开角和斜距的影响较大，同样也与船速和脉冲发射间隔有关；而横向分辨力受发射脉冲宽度的影响较大，同样也受拖鱼高度和船速等的影响。图4表示的典型侧扫声呐在脉宽为0.1 ms时纵、横向分辨力与掠射角的函数关系，由图可知，在掠射角为15°～60°的区域内，两者分辨力都相对较高，总体上伴随斜距的变化二者呈现出相反的趋势，可以为下面试验提供一定的参考依据。

图4 侧扫声呐分辨力与掠射角关系图

分辨力是体现仪器性能的量化指标，可以通过相关的计算求出其影响因素的最优组合，从而提高工作效率。而在日常工作中，人们往往会把分辨率、分辨力和检测力这三个概念混为一谈，以前人们多用分辨率这一概念形容或评价仪器或图像的质量优劣，在不同的领域有不同的解释。根据GJB2715-2009《军事计量通用术语》第2.6.16条[10]，分辨力的英文也为“resolution”，意为“引起相应示值产生可觉察到的变化的被测量值的最小变化”。另外，根据2.6.17条，显示装置分辨力“resolution of a displaying device”，解释为“显示装置能有效辨别的最小示差值”。因此，分辨力是有单位的数值，而不只是泛泛地对“分辨能力”的简称。而根据最新国家相关标准，分辨率和分辨力所表达的意思基本上是一致的，但分辨率是推荐使用的行业术语，而分辨力已成为强制执行标准，所以使用分辨力这一术语描述仪器性能指标更为规范一些。而检测力和分辨率、分辨力均不相同，它没有固定的量化标准和计算模型，它表示的是能看到最小目标的能力，而不是像分辨力那样分辩两目标物之间的最小距离，可以这么理解，检测力是分辨力的总体现，检测到的目标能力越强，对应着的分辨力也越好，相应的仪器性能也就越好，它可以作为体现仪器性能的重要指标。但检测力的影响因素是综合性的，不像分辨力有具体的量化计算方法，加上试验过程外部因素影响众多，因此实际的检测力大小只能进行相对性的评价，没有一个绝对的数值体现，而其实际影响因素需根据相关试验进行分析总结。

2 方法设计

检测力的概念跟分辨力相近相通，因此可以推断检测力也不外乎受船速、拖鱼高度和量程等因素的影响，试验的过程中需适时调整相关参数使其达到最优的探测效果，从而才能对检测力这一指标进行相对准确的评价。

2.1 试验准备

根据试验要求，加工制作了边长为10 cm，30 cm的正方块和直径为10 cm，20 cm，30 cm的圆球共计6个（下图5），材料均选用不锈钢材料。因为前期试验时各目标物之间间距太短，海流等因素的影响易造成目标物的缠绕，不易对其进行解译，所以后期试验改为5 m等间距，通过直径为0.9 cm的细绳相互连接，在绳子两端分别捆绑一个小型船锚，当目标物被释放到海底时，便于将其稳定在海底，位置不会因海流等的影响发生太大的变化，长绳的另一端系一个浮球，方便打捞时寻找。现场试验时，需顶流将其慢慢的放入水中，各个目标物都能够相互分离开来，方便数据采集后对目标物的解译。

图5 目标物连接设计图

待放入海底的目标物位置趋于稳定后，利用GPS和Seabat7125高分辨率多波束测量系统对各个目标物进行扫测得到其精确的位置信息，为后续侧扫声呐的测线布设和测量提供基础信息。图6为多波束扫测到的铺设的海底目标物的信息，为防止海流对此次试验制作的目标物的冲刷影响，一方面是在目标物两端加装了船锚，另外就是此次制作的目标物相对较重，位置相对稳定，为试验提供了有利条件。

图6 多波束测量系统确定目标物位置图

2.2 测线布设

在确定目标物的精确位置后，根据目标物的位置信息，在该目标物连成的直线两侧间隔为10 m各布设测线5条；同时在垂直该目标物直线方向两侧布设测线作对比分析。每条测线至少往返测量两次，调整好各参数保持不变，改变拖鱼至目标物的距离，对比侧扫声呐系统对目标物检测效果的变化；同理在保证其他参数一定的情况下，改变侧扫声呐的量程，对比不同量程对其检测力的影响效果；同理调整拖鱼入水深度，比对拖鱼入水深度的不同对检测力的影响效果；最后在垂直于目标物连成的直线方向对目标物进行探测，对比印证纵横向探测检测力的变化情况。

2.3 结果分析

（1）选择频率为400 kHz，量程50 m，为使探测效果达到最佳，船速尽量保持在3 kn左右，测区水深大约11 m，地势较平坦，拖鱼入水深度调整到3 m左右。首先测试目标物连成的直线和拖鱼平行时侧扫声呐的检测力，如图7所示，图(a)为探测目标与拖鱼平行距离为10 m左右，图(b)为探测目标与拖鱼平行距离为20 m左右，图(c)为探测目标与拖鱼平行距离为30 m左右，3张图都能清晰的看到4个目标物，图（7）中最下边目标是小型船锚，上边依次为绳子串联的目标物，由图（7）可知，图(b)效果为最佳，它能清晰的分辨出直径或边长20 cm、30 cm的目标物，也能分辨出边长为10 cm的方形目标物，能略微看到直径为10 cm的圆形目标物，但效果较差；图(a)目标物变形最小，但是图像效果较差，分析可能是因为图(a)中的目标物位置离拖鱼正下方较近，海底散射回波较大，噪声污染影响了对目标物的判读；图(c)中目标物变形较大，原因是距离换能器距离较远，距离向的压缩变形导致的，但是能更加清晰地看到连接目标物的细绳，推断其原因，一是跟目标物的形状有关，二是距离向的变形反而使绳状的物体更易被发现；综合评价在纵向探测方向上，侧扫声呐探测系统检测力优于1 cm，也与纵向分辨力的变化相符合。

图7 距离变化对检测力的影响

（2）保持发射频率、拖鱼入水深度、船速等参数不变，改变侧扫声呐的量程，如图8所示，图(a)为量程50 m档探测到的目标物，图(b)为量程25 m档探测到的目标物，目标物均位于距离拖鱼约20 m的位置，可以看到量程50 m档时不能清晰地看到10 cm的圆形目标物，量程为25 m档时能清晰地反映出目标物的轮廓，但是对于直径为10 cm的圆形目标物也无法做出精确地判读，但是图(b)反映的目标物更加清晰，同样的距离，量程的改变实则是起到了一个“放大镜”的作用，但同时也使得目标物在图像上的变形显得更大；说明同样的距离，量程与检测力呈现反相关的关系，实际探测时要予以考虑。

图8 量程变化对检测力的影响

（3）保持发射频率、船速、量程等各参数保持不变，改变拖鱼入水深度，图9(a)～(c)分别为拖鱼入水深度5 m，6 m和8 m时探测到的目标物，可以看到拖鱼入水深度为8 m时探测所得的声图对目标物的反映更加细致，基本上可以看到直径为10 cm的圆形目标物，同样变形也较大，所以拖鱼距海底越近，侧扫声呐的检测力相对越高，探测精度相对就越高。

图9 拖鱼入水深度变化对检测力的影响

（4）频率为400 kHz，船速保持在3 kn左右，拖鱼入水深度为3 m。在垂直于目标物连成的直线方向上对目标物进行扫测对比横向上侧扫声呐检测力的变化。如图10所示，在距离向上，可以清晰地看到直径为10 cm的圆球，但是却看不到连接目标物的细绳，推断是因为在横向上，反映在声图上的目标物主要受压缩变形的影响，而把细绳分解为一个个横向上的小目标元，其目标物上的回波信息太少以至不足以呈现在声图上，而在横向上对目标物之间的区分能力明显优于纵向，说明侧扫声呐系统横向分辨力优于纵向分辨力，与其性能指标相符合；综合分析在横向上检测力优于10 cm，对于管线的检测相比纵向较差，对以后的海底管线测量也是一个很好的启示。

图10 垂直于目标物直线探测图

3 结束语

本文根据侧扫声呐工作原理对分辨率、分辨力和检测力进行了区分，对分辨力变化进行了量化解释和分析，并就检测力这一性能指标提出了一种评价方法，进行了相关试验并分析了不同因素对检测力的影响，对一款常用的侧扫声呐仪器的相对检测能力做了分析，综合分析试验仪器在平行航迹方向上测探管状物体效果较好，优于1 cm，而对分离的目标物探测精度相对较差；而在垂直航迹方向上，对目标探测得到的图像效果较好，对分离的目标物的探测检测力优于10 cm，而对管状物的检测效果较差。评价侧扫声呐性能的指标有很多，检测力只是其中的一个方面，而影响侧扫声呐探测性能的许多重要指标如声源级、横向分辨力和纵向分辨力等则需要更系统的方法去验证，一款声呐探测仪器的性能好坏需要通过对各个因素进行综合分析，才能得出比较全面的结论。

因为此次试验是在海上进行的，海上不确定因素很多，每次测量的试验环境都会有或多或少的不同，对试验结果会产生一定的影响；而且对检测力的判断是通过人的肉眼对探测声图的解读，没有一个量化的解决方法，做出的判断会存在一些偏差。笔者会以此为开始，继续详细地研究侧扫声呐其他性能指标的检测方法，同时也希望相关部门能够协同合作，早日建立起我国声呐标准化计量体系，形成一套完整的检测解决方案，保障声呐数据的可靠性和准确性。

[1]田坦,刘国枝,孙大军.声呐技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2000.

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An Evaluation Method for Side Scan Sonar Detection Force

KU An-bang1,2,ZHOU Xing-hua2,DONG Li-feng2,WANG Fang-qi2,DING Ji-sheng2,LIU Dun-wu2,TAO Chang-fei2
1.Geomatic College,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,Shandong Province,China; 2.First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao,266061,Shandong Province,China

Side scan sonar is often used for marine survey detection.In order to ensure the accuracy of measured data,evaluation of the actual detection performance is of particular significance.Based on the working principle of side scan sonars,this paper analyzes the confusion of detection force and resolution in terms of concepts,and presents an evaluation method for the detection force.Some objects with known size and position are placed on the seafloor,and the EdgeTech 4200MP dual frequency side scan sonar system is applied to accurately detect the position information of each target.The results show that when the objects and track direction are parallel,it is capable of clearly distinguishing the object whose diameter or length is 20 cm and 30 cm.However,it cannot clearly distinguish the object whose diameter is 10 cm.Nevertheless,it can clearly distinguish the long rope whose diameter is 0.9 cm.When the objects and track line are vertical,it can clearly distinguish the object whose diameter or length is 10 cm,but it cannot distinguish the long rope whose diameter is 0.9 cm.It can be concluded that its parallel detection force is less than 1 cm and its vertical detection is less than 10 cm.The results of this paper is conducive to establishing a standardized system for side scan sonars.

side scan sonar;detection force;resolution;method

P715

A

1003-2029（2017）02-0035-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.02.006

2017-01-11

海洋公益性行业科研项目资助（201305034）；国家自然科学年基金资助项目（41606056）

库安邦（1991-），男，硕士研究生，主要从事海底地形地貌测量及其数据处理。E-mail:13156285132@163.com

通讯简介：周兴华，教授，博士生导师，主要从事海洋勘测技术及导航定位方面的研究。E-mail：xhzhou@fio.org.cn