海底地质过程模拟技术 -海底构造与大地构造学说的形成

培林志远 · 发表于海洋地质专业 2023-11-15 08:20:05

海洋扫测声呐是人类对海底目标进行大范围扫测定位的主要装备，使用较广的主要包括侧扫声呐、多波束声呐、合成孔径声呐3类，这3类声呐的工作原理不同，故在技术优势、适用场景上也不相同。文章对这3种声呐技术特点进行研究，分析不同声呐技术的优点，以提高扫测作业装备选型适用性。

一、侧扫声呐装备技术

　　⒈基本工作原理

　　侧扫声呐是一种通过在双侧布设指向性换能器，利用回声测距原理来测量海底信息和水下物体的海洋探测设备。侧扫声呐系统一般为拖曳式，由拖曳体(拖鱼)、数据缆和甲板单元3部分组成。扫测作业时，母船只拖动拖鱼在海水中航行，在拖鱼的两侧各产生一束与航向垂直的扇形波束，形成以换能器为中心的窄梯形脚印，如图1所示。声波在水中遇到物体或碰到海底后，因反向散射传回换能器，声信号被换能器转换为电信号，经滤波处理进行显示存储，信号波动幅度反映了海底起伏及地质情况。

　　图1 侧扫声呐工作示意图

⒉关键技术

　　⑴ 图像插值技术：侧扫声呐在作业过程中，因航速不稳定或抖动，图像会出现一定的变形失真。为增强图像的显示效果，常采用双线性插值法对图像进行处理，填补图像中的缝隙，实现图像的连续显示。处理前后的图像对比可以看出，插值技术提高了图像的清晰度，如图2所示。

　　图2 插值前后的图像对比

　　⑵ 图像姿态矫正技术：受海洋环境中洋流等因素的影响，拖鱼航行过程中会出现摇晃摆动或者由于其他原因引起的航向角的变化，难以保证良好的水下姿态。拖鱼姿态的变化会导致图像坐标产生一定的偏差，通过建立坐标旋转模型，对拖鱼的航向角、横摇角和纵摇角进行校正，可以提高航迹的稳定性，校正结果如图3所示，可以看出图像经过校正后，显示更加清晰，地貌地形显示更为清楚。

　　图3 姿态校正图像

　　⑶ 图像拼接技术：由于侧扫声呐图像条带间是相互独立的，需要基于地理坐标等信息对图像进行匹配，再融合拼接为一个完成且连续的图像，常用基于变换域或空间域的图像拼接技术。图像拼接结果如图4所示，可以看出经过拼接后的图像能够显示海底全局，能够增加侧扫声呐成像的可视化效果。

　　图4 图像拼接结果

　　⒊主流装备型号及应用场景

　　侧扫声呐主流型号装备主要包括Klein3000系列、EdgeTech4200系列、SharkS450系列，主要应用于海洋测绘、海洋地质调查、海洋工程勘探及水下沉船沉物寻找等领域。

　　例如，2017年4月采用侧扫声呐(Klein3000，445kHz)进行礁区数据采集。实验证明，应用侧扫声呐技术能够对海底礁石进行直观、大范围的探测，能够读取细微信息，作业效率较高，可对礁石的整体分布、稳性进行客观评估，如图5所示。

　　图5 侧扫声呐捕获的礁体布局图

二、多波束测深声呐装备技术

　　⒈基本工作原理

　　多波束测深声呐采用Mills交叉结构的换能器阵列，该技术发射方式与侧扫声呐类似，接收时通过垂直阵对接收到的声波信号进行相干累加，对预设角度方向信号进行逐个接收，最终得到所需覆盖范围内的时间-方位图，如图6所示。

　　图6 多波束测深声呐工作原理示意图

　　⒉关键技术

　　⑴ 宽覆盖高分辨多波束测深技术：多波束声呐的测深精度与覆盖宽度两个指标是一对矛盾。由于声信号存在衰减(基于扩散和吸收现象)，边缘波束测量海底目标时很难满足宽覆盖测量的要求。为破解这对矛盾，一般采用LFM信号和编码信号脉冲压缩的方法提高声信号信噪比，实现测深精度与覆盖宽度两个指标的统一。

　　⑵ Multi-Ping技术：在常规多波束测量中，往往都是单次发射脉冲信号，以避免脉冲信号之间的干扰，需要等最远处的回波信号返回换能器后才能再次发射，这势必降低了信号刷新率。因此，要想获得精细的海底信息，需要作业母船保持低速航行。而采用多脉冲技术，能同时向多方向发射不同频率的脉冲声信号，使得单次探测信息量增加，信息刷新率提高。

　　⑶ 横摇稳定技术：受风和海流的影响，多波束声呐在扫测过程中会受母船姿态影响，测量地形深度与实际深度会产生误差，影响探测精准度。可通过测量拖体姿态数据，将测量地形数据与之匹配补偿，最终补偿横摇产生的数据误差。

　　⒊主流装备型号及应用场景

　　目前，技术较为成熟且得到广泛应用的多波束测深声呐型号包括EM2040(挪威Kongsberg公司)、SONIC2024(美国R2Sonic公司)、Seabat7125(丹麦Reson公司)等，主要的应用场景包括水下地形地貌测绘、海洋工程施工保障、河道清淤效果监测等。

　　例如，在使用EM2040多波束测深系统对舟山某海域进行的地形结构测量作业中显示(如图7所示)，在平均水深超过40m的条件下，能够形成良好的测量效果图，能够明显识别出水底的特殊地物。

　　图7 EM2040典型目标探测结果

三、合成孔径声呐装备技术

　　⒈基本工作原理

　　合成孔径声呐也称为“虚拟孔径侧扫声呐”，其基本原理是通过小孔径声呐基阵在航迹向上的移动，通过对照射信号的不断相干累加处理，得到一个等效的虚拟大孔径基阵，以获得相对较高的分辨率。合成孔径成像需要计算在不同采样位置时，各扫描像素点到发射位置和接收位置的距离，从而计算得到声波传播时间，补偿不同位置的相位差。合成孔径声呐的技术优势在于其航迹向分辨率与作用距离和信号频率无关，只由发射阵元孔径决定，其基本原理如图8所示。

　　图8 合成孔径声呐基本原理示意图

　　⒉关键技术

　　⑴ 目标回波仿真技术：在合成孔径声呐技术的研究中，受到外场条件制约，成像仿真数据的研究是进度验证的必要手段。相对精准的回波仿真可解决实际实验中无法精准定位的问题，找到成像算法和运动补偿算法中存在的不足，提高扫测精度。

　　⑵ 运动姿态估计与补偿技术：合成孔径成像算法其中一个前提是基于声呐阵能够进行理想的匀速直线运动。而实际海洋环境中，风、流、涌浪对声呐阵运动轨迹的影响较大，呈现随机性，致使信号存在较大误差，合成虚拟孔径的长度较小，分辨率得不到保证。为保证成像质量，声呐载体除了通过外部因素稳定航迹外，还需要对运动姿态进行采集，对测量轨迹进行补偿矫正后，再进行合成计算，得到相对可控的成像质量。

　　⑶ 高精度成像算法：利用声呐基阵阵元采集的回波数据进行相干处理后，在距离向和方位向上形成的高分辨率图像。按信号处理域的不同，合成孔径成像算法可分为时域算法和频域算法。逐点成像法是时域算法的典型方法，其原理是在时域中对每一像素点进行二维移变滤波匹配成像，由于需要对像素点逐个处理，因此，该方法适用于计算量不大的情况。而频域算法可弥补该方法的不足，适用于较大数据量的处理，处理效率较高。

　　⒊主流型号装备及性能

　　经过数十年的技术发展，合成孔径声呐已经从原理验证阶段走向了工程化、产品化阶段，国内外多家声呐设备厂商已经能够提供系列化的合成孔径声呐设备，主要包括挪威Kongsberg公司的HISAS1030、美国iXBlue公司IXSEA旗下的SHADOWS及中科院自研产品等。合成孔径声呐的技术特点是在距离向上具有较高的分辨率，在方位向上的成像分辨率与作用距离无关，能够获得恒定的成像分辨率，但对目标深度估计精度不足，因此较为适用于水下的精细化目标图像探测、沉船打捞和失事飞机搜寻。

　　例如，挪威海军曾在霍尔滕外海利用HISAS1030进行三维图像获取，探测区域水深20～120m，探测到一艘二战时期的沉船，结果清晰可见，在航迹向上具有较高的成像分辨率，距离60～140m范围内，如图9所示。

　　图9 HISAS1030探测沉船实例

　四、装备的使用选择分析

　　⒈装备技术优势

　　通过对上述装备技术的系统分析，总结出3类声呐的作业特点及技术优势。

　　侧扫声呐基阵结构简单，采用拖曳式进行扫测作业，二维成像分辨率较高，适合大面积、快速的粗略扫测。该技术适用于目标的有无和位置探测，对目标深度值估计精度要求不高时，可以采用此类装备。

　　多波束测深声呐能够获得探测区域的高分辨三维成像结果，且探测区域没有缝隙，测深精度较高，适用于大面积海床的精确深度测量。对近底目标进行主动探测时，可以使用该类装备进行精细化的三维测量。

　　合成孔径声呐是在侧扫声呐基础上发展起来的、在航迹向上具有恒定成像分辨率的高分辨成像声呐。该类技术的成像分辨率远高于侧扫声呐，通常需要配备多波束测深声呐进行补隙，从而实现对目标的精细化测量。当需要高分辨率的目标探测图像时，可以采用此类装备。但是该类装备系统复杂，成本较高且实时成像效果有待提升。

　　⒉选择要素

　　为提高扫测作业时声呐选型的科学性，从作业信息获取的优先级别分4个方面进行分析。

　　一是拖曳方式方面。根据声呐工作原理，侧扫声呐、合成孔径声呐一般采用拖曳式作业，利用吊车或缆绳在作业母船的舷侧或船尾进行作业，而多波束测深声呐一般搭载在船底或船侧展开作业，需要进行固定布放。因此，母船的搭载能力是选择装备类型的第一要素。

　　二是作业水深方面。侧扫声呐、合成孔径声呐需要有缆作业，受水流阻力的影响，声呐拖鱼会后滞母船较大距离，若要拖鱼布放至预定深度，须持续放缆。较长的缆绳将大幅增加母船转向时间，降低扫测效率。一般使用侧扫声呐作业、合成孔径声呐须视扫测海区决定，近海一般不超过500m。多波束声呐能够不受水深的限制展开作业，但受波束发散的影响，声呐分辨率随水深的增大而持续降低。

　　三是搜索目标类型方面。侧扫声呐、合成孔径声呐均呈现出二维图像，多波束测深声呐呈现出三维图像。对轮廓明显目标进行搜索时，可采用侧扫声呐、合成孔径声呐;对轮廓不明显目标或水下地形进行测量时，可采用多波束测深声呐。

　　四是成像分辨率方面。合成孔径声呐由于虚拟较大孔径，在航迹向上具有恒定成像分辨率，侧扫声呐和多波束声呐分辨率适中，但多波束测深声呐会随水深发散作用，不适于较大深度场景作业。

五、结论

　　综上，各类型声呐装备技术优势各不相同，具体选择的结果并非一成不变，应根据任务需求进行系统分析后，选择适当的探测装备，必要时可多种技术装备联合使用以提升目标的探测准确性。

信息来源：《中阿科论坛》 2022年9月作者 | 耿家营海军潜艇学院排版 | 数智海洋。

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