SeaBat7125多波束声纳在深拖系统上的应用

郭焕顺

摘 要：SeaBat7125多波束声纳是搭载在深拖系统上重要的声学测量装备之一。多波束声呐是常见的海底地形测量设备，在海洋失事船舶飞机的快速搜寻救助中起到重要的作用。本文首先介绍了SeaBat7125多波束声纳的系统组成，然后分析SeaBat7125多波束声纳的工作原理，最后介绍在海上搜寻的实际应用。

关键词：多波束系统 深拖系统 工作原理 水下目标物搜寻

随着“海洋强国”战略和“一路一带”倡议的部署实施，海上交通是各国间经济贸易往来的重要途径。对海上人命财产安全的保护逐渐得到各国的重视。因此，加强海上人命救助特别是深远海搜救能力对沿海和周边国家的社会稳定具有重要意义。2016年，南海救助局就推进深远海搜救能力建设发展引进了一套深拖系统，而SeaBat7125多波束是其搭载的重要的声学测量装置。主要是利用声波在水中的传播特性，计算出扫侧海域的多个水深点，而多个水深点的集合即是该扫侧海域的完整二维水深图，经过后处理后能得到三维视图。

1.多波束系统的组成和安装

SeaBat7125多波束换能器安装在深海拖曳载体的时候，集成在钛合金壳体中，耐压可达6000米水深，扫侧量程为0.5米至500米。由于SeaBat7125多波束换能器基阵大小决定了其作业量程，因此，要在大深度海域扫侧且得到高测深分辨率，可以将多波束安装于拖体上，利用其稳定性强，可搭载其他辅助设备为多波束提供大深度扫侧平台。

1.1系统组成

SeaBat7125多波束系统的组成部分主要有发射接收换能器、链路控制单元（LCU）、7125处理器、显示屏及其他辅助设备。

SeaBat7125多波束换能器由一个接收换能器和两个发射换能器组成，两个发射换能器分别控制着200kHz和400kHz两个发射频率。发射换能器是声波发射器，根据基阵特性扇形定向发射一定数量的波束，波束到达海底后反射到接收换能器。

链路控制单元是为声呐换能器和7125处理器提供双向通讯链路，控制换能器的工作模式、发射频率和功率等，再通过高速通讯链路将数据传输至7125处理器。

7125处理器是DAC-310工控机，对大量输入输出的数据流进行管理，并对换能器传输过来的信号数据，同时结合外部辅助数据进行处理。最后将数据进行储存。

显示屏是对7125处理器处理好的数据通过采集软件sonar UI或处理软件Qinsy进行显示.

辅助设备包括PHINS6000惯性导航单元和多普勒计程仪、声速剖面仪、差分GPS接收机。惯性导航单元和多普勒计程仪能够提供定位、真实航向、离底高度、速度、深度值及升沉信息。声速剖面仪用于测定海域的声速剖面。差分GPS能给出准确的地理坐标。这些辅助设备的数据都能传输到7125处理器中，用于多波束数据的修正处理。

1.2系统安装

SeaBat7125多波束换能器在拖体上的位置安装十分重要，直接影响其声波发射和接受质量。接受换能器与发射换能器垂直组合安装，基阵面朝下并处于同一水平即是平行于YX面，接受换能器固定安装在拖体正下方，垂直于拖体航迹线，发射换能器则与航迹线平行。

SeaBat7125的整体连接包括湿端和干端两部分。湿端部件有换能器和链路控制单元（LCU），安装在拖体上并在一定水深工作。换能器与链路控制单元通过针孔水密接头连接，双向传输信号脉冲和为换能器供电。干端主要包括工控机处理器、显示屏及GPS接收机。链路控制单元通过以太网和光纤的相互转换实现与干端7125处理器高速长距离双向传输。声速、姿态导航定位、GPS等辅助设备通过以太网连接7125处理器上的RJ-45网络端口，将数据汇入并处理，最终在显示器上显示。

2.多波束系统工作原理

7125多波束系统利用多个基阵排列的换能器通过压电陶瓷效应，向海底发射宽覆盖扇形声波，并由接受换能器对海底回波进行窄波接受。如下图，发射基阵组成的发射换能器沿着拖体纵向安装并向下发射沿着航迹线纵向窄，横向宽的扇形波束。接受基阵波束特性刚好与发射基阵相反，接受基阵横向安装并接受沿航迹线纵向宽，横向窄的反射声波。通过发射波束和接受波束在海底相交，在垂直航迹线的条带区域形成多个照射“脚印”，而这些脚印就是海底采样点，也是测深点。对“脚印”内反射的声波信号的时延和接受角度的估算，再结合声速剖面仪数据利用公式计算出该点的水深值。每次计算出的多个波束水深点组成一条垂直航向的水深条带，随着拖体不断航行，沿着航迹线的每条水深条带就组成了一个完整的海底水深图。

假设发射换能器向海底发射声波信号，声波信号到达海底散射后，接受换能器接受由θ角方向返回来的波束，接受信号后可以测量该声波从发射到接受的时延Δt，既可以计算出图4中斜边L的长度，也是声波的传输距离。

上式中C表示声波信号的传输速度，Δt表示主动声呐从信号发射到信号接受的时间差，根据接受波束角度θ可以算出：

其中H表示被测点P处的水深，XH表示被测点P的相对中轴线的水平距离。

3.多波束系统在深拖上的应用

SeaBat7125多波束系统搭载着两个不同发射频率的换能器，分别是200kHz和400kHz。使用不同的發射频率直接影响其扫侧效率以及图像分辨率。使用低频工作时，工作离底高度大，扫侧覆盖区域广，所以工作效率高，但测深分辨率低。使用高频工作时正好相反，工作离底高度小，扫侧覆盖区域相对较小，所以工作效率低，但测深分辨率高。所以在海上水下搜寻时，要根据目标物大小选择开启不同的发射频率。

图5为某次深拖作业中采集到的多波束数据，经过处理生成水深图。当多个波束信号发射接收后得到多个被测点的水深值，在处理的过程中将在同个水深值范围内的水深点呈现同一种颜色，不同水深值范围内的水深点呈现不同的颜色或者是渐变色。最终可以得到如下图所示的海底水深图，根据颜色判断海底地形或者目标物。图中使用高频时分辨率明显高于低频，能清晰显示海底部分小坑洼。

图6所示为某次试验中多波束的扫侧图，最左边的图为试验过程中将一块1×1立方米的水泥块抛入海中，水泥块侧躺在海床上并一半陷入泥沙里，菱角朝上。中间的图为多波束在该水泥块上方扫侧收集到的波束点。通过对波束点的后处理得到右图的3D图。

4.结束语

随着海洋资源开发和海洋工程的不断发展，水下声学测量装置的技术开发和应用得到前所未有的重视。特别是多波束系统在海洋勘察测绘、海洋石油勘探、水下考古、水下搜寻救助等海洋资源开发和海洋工程领域得到广泛的应用。多波束系统作业途径多样，可搭载安装于船舶船底、拖鱼、ROV、AUV等水上水下作业平台上。多波束系统搭载在深拖系统上的应用具有高效率、高分辨、低成本等优势。特别是在深海水下目标物的搜寻中，能够在广阔的搜寻区域内，快速准确地发现目标并精准定位。

【基金项目：国家重点研发计划项目资助，项目编号：2017YFC0306003】

参考文献：

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