侧扫声呐技术及在海洋测绘中的应用探讨

孙丽平

摘 要：该文以侧扫声呐技术在海洋测深中的应用为研究对象，论文首先探讨了侧扫声呐测深的优点和国内发展现状，进而分析了国产侧扫声呐HRBSSS的工作原理和数据处理流程，在此基础上，结合某具体案例分析了该系统的测深精度。

关键词：侧扫声呐技术 海洋测绘 数据处理 测深精度评估

中图分类号：P714 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0088-02

1 研究背景

地球表面近70%的面积被海洋所覆盖，因此海洋的战略地位和蕴含的潜在经济价值正越来越受到人们的重视。相对于陆地而言，海底可能蕴藏着更加丰富的资源，为了合理地开发这些资源，就需要对海底的地形地貌有一个全面的了解，这是建设海洋工程、开发海洋资源、发展海洋科学研究、维护海洋权益等各种海洋活动的基础，但如何去了解海底地形地貌呢？众所周知，在陆地上可以利用卫星遥感，红外遥感等方法来获得地表的地形地貌，但在海洋中这些方法却行不通，因为电磁波在水中衰减太快，几乎传播不到海底就衰减完了，所以无法用电磁波来探测海底的地形地貌。声波和电磁波虽然都是波，存在很多类似的地方，但海水对它们的吸收系数却很不一样，声波在海水中衰减较小，可以在海水中传播得较远，所以理论上可以用声波来探测海底的地形地貌。

基于声波这样一种优良的性质，人们利用声学原理，并结合信号处理技术和图像处理技术，研制出侧扫声纳来探测海底的地貌，形成能反映海底地貌的侧扫声图。后来又有人提出多波束测深声纳，用来测量海底的深度，从而获得海底地形。相对于传统的单波束测深声纳而言，多波束测深声纳不仅大大提高了测深效率，并且能得到直观的海底三维地形图。

侧扫声纳的优点：（1）横向分辨较高，能得到高分辨率的二维海底地貌图；（2）可以根据海底回波强度信息定性分析海底介质的组成；（3）价格便宜，安装简单。缺点：不能得到直观的三维地形图，不能精确地测出海底深度。

在测深侧扫技术方面，国内从事测深侧扫声纳研制的单位更是少之又少，仅有声学所从20世纪80年代开始开展测深侧扫声纳相关理论研究，形成了一套包括模型、信号处理技术、声纳阵设计、误差分析与精度评估在内的较完整的高分辨率测深侧扫声纳的理论体系，用于指导声纳设计。2007年，在国家海洋资源开发技术主题支持的背景下，声学所率先自主研制出了高分辨测深侧扫声纳HRBSSS，该系统具有分辨率高、功耗低、体积小等特点，适于安装在拖曳体、水下机器人、遥控潜水器等多种载体上，可应用于海洋矿产资源开发、海洋工程、海洋开发以及水中目标探测等领域。

2 HRBSSS工作原理与主要误差源

中科院声学所研制的第三代HRBSSS工作原理见图1，其声纳阵沿载体长轴安装于载体两侧，每侧由一条发射线阵和八条接收线阵组成。

两侧发射阵同时发射信号，经海底散射后的回波信号分别被八条接收阵接收。

由采样点时刻计算信号传播时延基于八通道接收数据的空间关系估计波达方向，之后利用回波入射角、时延以及声速计算测深点相对于载体的水平距离和深度，再结合载体定位和姿态数据最终得到测深点的经纬深。

HRBSSS主要误差源包括：姿態传感器输出延迟及其与换能器阵相对高度和相对角度偏差、换能器阵幅相误差、表面声速和声速剖面误差、深度传感器与换能器阵相对高度偏差、定位数据误差和输出延迟、定位系统与换能器阵相对位置偏差以及信号处理方法误差等。

其中姿态类误差、幅相误差、声速类误差及定位误差对测深结果影响较大，通常为主要校准对象。

3 HRBSSS数据处理与偏差校准

为降低HRBSSS测深误差，需进行系统偏差校准工作，前期测量和标定工作主要包括：标定换能器幅相误差，测量定位系统、姿态传感器、深度传感器与换能器阵的相对位置以及换能器阵安装角度；利用示波器和处理程序确定声纳频率参数与预期一致； 静态采集定位数据确定定位精度。此后需在试验海区测量近期表面声速与声速剖面，并完成多组参数校准所需测线，包括：平坦区域轨迹平行的S形测线，相邻测线50%覆盖，用于roll偏差校准；有明显坡度区域两条重合反向测线用于pitch偏差校准； 有突出孤立标志物区域两侧平行反向测线用于heading偏差校准； 平坦区域十字测线用于幅相误差校准。测深数据处理及参数校准流程见图2，因多种参数误差互相作用，采用循环校准策略，直到各参数的校准量收敛到某个值，才认为得到校准结果。最后利用校准量修正参数获得最终测深结果。

4 实验数据测深精度评估

该文实际对安装于DTA-6000声学深拖系统的HRBSSS进行了测深数据精度评估。

2009年DTA-6000在南海某区域进行作业，水深约5 000 m，单条测线覆盖宽度需求为 250 m×2。分析单Ping测深数据，精度评估结果见图2。图2（a）为单Ping测深结果，可见测深数据能够满足单侧250 m覆盖需求。图2（b）所示为每2 m范围内测深标准差，在此基础上计算得左、右舷标准差均值均为0.09 m。进一步计算相对测深精度，得出95% 置信度下左、右舷相对测深精度均优于0.75%，即HRBSSS声纳自身在测线250 m×2覆盖范围内符合IHOS-44特级标准。

参考文献

[1] 高俊涛.高分辨率测深侧扫声纳参数修正和系统偏差校正方法研究[D].北京：中国科学院研究生院，2008.

[2] 杨玉春.测深侧扫声纳关键技术研究[D].北京：中国舰船研究院，2014.