论文专区▏C3D及其与传统侧扫声纳的比较

【编者按：C3D是Benthos公司近年来推出的基于CAATI技术的一种新型测深侧扫声纳系统。从工作原理、技术参数、数据采集与后处理平台以及实测数据等方面将C3D和传统侧扫声纳进行了对比。对比表明两者的工作原理不同，C3D的采集数据密度更高，对采集和处理软件要求比传统声纳高，最后对两者采集的数据进行了分析。通过对比，为侧扫声纳系统的选用和引进提供了依据。本文发表在《海洋测绘》2013年第5期上，现编发给朋友们阅读了解。考虑到排版关系，参考文献索引略。张济博，男，1984出生，河北邢台人，工程师，硕士， 国家海洋局第二海洋研究所，主要从事海洋地球物理数据采集与处理研究。】

文/张济博 潘国富 苟诤慷 丁维凤 蒋维杰

一、引言

海洋占地球表面积的70.8%，蕴藏着丰富的油气资源、生物资源、化学资源和海洋能可供人类使用，同时还为人们提供了广阔的活动空间。开发和利用海洋资源，首先要了解海底地形地貌。侧扫声纳是了解海底地形地貌的一种基本设备，自从问世以来，它以其分辨率高、能够得到连续直观二维海底图像的特点，广泛地应用在海洋地质地貌调查、水下目标检测、工程勘察和海底找矿等方面。随着科学技术的发展，侧扫声纳的种类越来越多，从原理上大致可以分为三类:传统侧扫声纳、测深侧扫声纳和合成孔径声纳。C3D是Benthos公司经过多年研究，于近年推出的一种新型测深侧扫声纳系统，它将侧扫声纳图像和测深数据结合起来，可以生成三维图像。为了适应不同的需要，C3D 分为C3D_Tow，C3D_LPM和C3D_Deep Tow三种，那么它和传统的侧扫声纳有哪些区别，在性能、可靠性等方面有哪些特点? 本文选用C3D_Tow和传统侧扫声纳Kelin3000从工作原理、技术参数、数据采集和后处理以及实际应用等方面进行比较。

二、工作原理和性能参数

⒈ 工作原理

传统的侧扫声纳系统由发射换能器和接收换能器组成。以Kelin3000 为例(见图1)，该系统包含左舷和右舷两个换能器阵，每个换能器阵又包括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。当侧扫声纳系统工作时，随船行进的拖鱼产生两束与船前进方向垂直的扇形声束，声波按球面波形式向外传播，碰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受，反映在记录纸或者显示器上，形成声纳图像。

C3D 系统包含左舷和右舷两个换能器阵，每个换能器阵包括1个2单元发射阵和1个6单元接收阵(见图2)。它采用CAATI(computed angle ofarrival transient imaging)专利技术，海底目标的回波被多单元水听器阵列接收后，按照扩展的Prony方法拟合，进行变换求解出回波信号的方位和振幅，并进一步计算出每次距离增加时的多入射角。由于可计算多入射角，只要多单元水听器阵列中的相邻单元对足够多，就能够解决多同步反向散射入射角问题，从而能辨识同距离的不同物体，这是传统声纳一直难于解决的问题。

⒉ 技术参数

C3D 与Kelin3000 的性能参数对比见表1。从表1可以看出，与传统侧扫声纳相比，C3D_Tow 增加了测深功能，重量增加了很多。C3D使用Chrip子波，单频；传统侧扫声纳更多使用FM波，采用双频。C3D的水平开角为1°，与大多数多波束系统相同，但比传统声纳水平开角大；由于具有测深功能，垂直开角达到了100°，远远大于传统侧扫声纳。

其他技术特点:C3D采样率为7142.86Hz，每Ping单侧的采样点数为1429个，而Kelin3000 采样点数一般只有1024个。此外C3D安装了CTD，实时获得拖鱼离海底高度和水面距离，可以更好保证拖鱼的安全。

三、数据采集平台和后处理平台

传统侧扫声纳Kelin3000数据采集可以使用SonarPro、Triton Isis、Qinsy、SonarWiz.Map、GeoDas等多种软件，这些软件可以实时监控侧扫声纳系统、GPS导航等设备，使用TrinIsis 采集的画面见图3；后处理软件包括Triton Isis和TritonMap、SonarWeb、SonarWiz.Map、CleanSweep等。以SonarWeb后处理软件为例，该软件可以实现对侧扫声纳数据的海底线检测、斜距改正、投影、地理编码和镶嵌等功能。

C3D除了能够得到侧扫声纳数据，还添加了测深功能和多种传感器，采集时首先要使用Benthos 提供的控制面板，采集软件可以使用Triton Isis和Qinsy，实时监控侧扫声纳数据、多波束数据、GPS导航、CTD数据等，使用Triton Isis采集的画面见图4，采集过程中，各个辅助设备的状态以不同颜色的的灯光显示，当信号不正常时显示红灯，正常则为绿灯。采集的数据量比双频Kelin3000要小一些。数据处理时，由于采集的数据中测深和声纳数据存储在同一个文件中，声纳数据可以使用Triton Isis处理，测深数据可以使用Caris、Bathypro或者CleanSweep来处理，最后融合为三维图像。

四、实际应用效果的分析

在某海区同时利用C3D和Kelin3000得到侧扫声纳图像，量程都采用150m，水深在80m左右，拖鱼离海底高度约为20m，下面分析所得图像。

C3D每ping单侧采样点数为1429个，而Kelin3000每ping单侧采样点数只有1024个，从采集的声纳数据图5和图6的对比中可以发现C3D声图由于数据点密度大，加之采用Chrip技术和匹配滤波，比Kelin3000的声图更加细腻，信噪比更高；水深较深，虽然Kelin3000使用的频率为100kHz，但是看到125m后回波强度很弱，而C3D边缘数据依旧较好。

C3D所得到的多波束测深数据每ping单侧采样点高达1400个，从图7可以看出，探头下方的数据最稀疏，边缘部分数据质量也较差，只有中间部分质量较好；此外由于采用拖曳式采集，姿态数据较差，拖鱼的高度是通过CTD数据得到的，所得多波束数据不能推算到基准面，因此水深数据，更多用来辅助侧扫声纳数据。

五、结束语

C3D采用CAATI算法集侧扫声纳和条带测深功能于一体，可以得到三维图像，是侧扫声纳领域的一场重大革命。通过与传统声纳的对比表明:

⑴在原理上，相比与传统侧扫声纳，C3D采用了多单元接收阵，在处理时计算出多入射角，解决多个同步到达问题，能够辨识同距离的不同物体。

⑵在采集和后处理平台方面， C3D由于功能较多，对采集和后处理都提出了更高的要求，要求具有较直观的数据质量监控功能；而传统侧扫声纳由于出现较早，可选用的采集和后处理软件都较多，功能更丰富。

⑶实测数据表明，两种仪器都可以满足实际工作的需要，但C3D采集数据密度更高，图像更加细腻，边缘数据比传统侧扫声纳效果好。

综上所述，虽然C3D出现较晚，测深数据也只能起辅助作用，但是C3D能够将水深数据和声纳图像融合，代表了未来侧扫声纳的发展方向，具有广阔的应用空间和发展前景。