海洋论坛▏现代多波束测深系统的性能分析与发展趋势

一、引言

21世纪是海洋的世纪，各国争相开发海洋领土，进而加大了对具有高科技含量海洋声学探测系统的需求。开发海洋最基础的工作就是测量水深和海底精密测量，现代多波束系统正是为了应对这工作而快速发展的技术。近几年的多波束系统发展速度更加迅速，在海底勘探中有了更多的选择，加强对现代多波束系统及发展趋势的认识成为必要。其中SeaBeam1050D和Geoswath Plus是目前主流的第四代多波束探测系统典型代表。这两款多波束测深系统相较于过去几代系统数据密度更大、覆盖范围更广和集成度更高。

两种多播数测深系统采用完全不同的技术原理，也是目前国际上两种主流技术: SeamBeam是运用束控技术，这是属于高集成化的常规多波束系统。Geoswath Plus采用相干技术，这是属于相干多波束测深系统。 研究这两款典型多波束系统的特点与性能，为实际勘测工作需要选择适合的系统提供了依据。同时当代多波束系统的如Reson SeamBet T20-P、REMUS AUV、SeaBeam3012等出现预示了新一代多波束系统的发展趋势。

二、多波束系统

⒈ 常规多波束测深系统

新一代计算机技术的推广使用，引领了新时期的科学技术革命浪潮，高度集成的信息化系统更是加快了常规多波束测深系统的发展。新型常规多波束测深系统，这种测深系统基于的技术是束控方法，这种方法通俗来讲是根据一定的角度，获取波束发射与返回的耗时。依靠数控技术与电子计算机系统结合可以高效的获取测深数据。现代的常规系统的换能器内包含数十甚至上百个基元，这些基元分成发射和接收两部分。换能器以多角度向海底发射波束，同时接收多角度反射散射回来的信号。由于角度特定，声波传播时间可以获取，声速通过改正也能获取，进而能得出水深数据，见图1。

图1　几何关系示意图

基本数学原理如下：

D＝vtsin(θ)            ⑴

H＝vtcos(θ)            ⑵

以SeaBeam1050D为例，其主要技术参数指标见表1。

表1　性能统计表

测深系统名称	SeaBeam1050D
频率范围	50～180KHz
最大测深值	3000m
覆盖角度	10°～153°
波束数量/Ping	126(等角下)
宽深比	3～7倍水深
分辨率	1.25cm
波束大小	1.5°×1°
脉冲长度	0.3ms、1ms
旁瓣抑制	36dB

过数据密度、数据数据精度和测量范围可以客观反映出当代常规多波束的性能表现。

①密度方面，系统的基元数量决定了测量数据的数量，目前一套系统可拥有110个左右波束发射基元。

②多波束测深系统的测量精度即为分辨率，称“脚印”。对于常规多波束系统，当测深点在系统波束照射的中央区域时，数据分辨率高“脚印”较小，而在系统波束照射边缘范围测深点数据较模糊“脚印”大。SeaBeam测深点在40m时波束照射中心下时，分辨率可达0.6m，而在照射边缘，角幅为60°时的分辨率只有7m。这是因为该系统在中央区域波束较密集的“脚印”小。

③测深数据的覆盖范围上看，通常将宽深比一项作为衡量指标。宽深比数值越大，其系统的覆盖范围越大，然而当宽深比越大时，测深分辨率会降低。SeaBeam的开角为150°，为了取得良好的测量效果，目前的常规多波束系统一般将宽深比设定在5左右。

常规多波束测深系统的数据处理，与信息化技术的结合是现代常规多波束测深系统的特点。以SeaBeam1050D为例，SeaBeam1050D是一款浅水和中等水域测深系统，依靠WindowsNT平台。在计算机中可以进行水深数据的实时监控，还可以监控卫星定位系统及运动传感器系统。与该系统兼容的后期数据处理软件有ELAC HDP 4061、Caris、QPS、EIVA、ROXAR等，通过该类处理软件，可以进行声线改正，滤波处理及立体成像等操作。

⒉ 相干多波束系统

相干技术的发展和利用，为多波束测深系统的发展开辟了一条新道路。与常规方法不同的是，相干法是等时测角，顾名思义时在一定的时间里，计算反射或者散射回来波束的角度。这种多波束技术的发展前身是侧扫声呐技术。在系统内设置有相应的信号发射与收集阵列，换能器成V字形布设于航向垂直部位。在系统经过一次信号发射对海底进行探测后，信号会通过反射与散射回到收集阵列。在接收信号时按特定的相位差接收，根据相位信息，可以求得与相位存在一定关系的角度信息。经横摇补偿，联系所需时间，即可进行测深计算。相关原理几何示意图见图2。

图2　相干测深几何原理图

基本计算方法如下：

有关系式：

x/λ＝φ/2π(λ波长，φ相位差)        ⑶

其中：

x＝Psinθ             ⑷

则：

φ＝2πdsinθ/λ        ⑸

这样可得回波信号的角度:

θ＝arcsin(φλ/2πP)        ⑹

由上式可知，在已知接收基元距离P时，可由测量出的相位差φ计算出回波角θ。则r＝vt(v声速，t声波单向传播时间)，D＋P＝rsinθ，其中P可以忽略不计。得结果：

D＝rsinθ           ⑺

H＝rcosθ           ⑻

以Geoswath Plus(125KHz)系统为例，其主要技术参数指标见表2。

 表2　Geoswath 系统参数表

系统名称	Geoswath Plus
工作频率	125KHz
最大测深	200m
最大侧宽	780m
深宽比	12
斜距精度	6.0mm
波束开角	0.85°
脉冲信号长度	123～896μs
条带更新率	30次/s
每Ping波束数	无限

相干多波束系统系统性能分析如下。

①由相干方法原理可以发现，相邻回声声波(Ping相同) 时差决定了系统的数据密度。Geoswath Plus发射的声波不存在特定角度。系统内传感器测算回波相位差，经计算机计算入射夹角。同时得到返回声波到接收阵不同基元的时间差，经计算机系统可求出斜距。由此可见，在数学上波束数可以多到无法计量。

②Geoswath Plus的波束开角决定系统在沿航迹方向的数据质量，125KHz下其分辨率最高为6mm。系统在垂直航迹方位的探测点分辨率与采样率有关，125KHz下的分辨率最高位12mm。根据声呐技术特点，测深点密度从波束照射中央到水平两侧越来越大。当探测深度为100m时，Geoswath Plus系统每Ping获取42000数据点数据。

③Geoswath Plus系统的覆盖角度为300°，宽深实际可达到20，由于实际需要一般设定为12。

在软硬件与后期数据处理方面，结合GS＋系统安装配置有实时采集测深及旁扫声呐数据软件，实时条带产生及部分网格化软件，条带数据后处理(全矫正)及网络化(为数字地形图)软件，数采和数据处理一体化设计，单机完成，具有并行数据处理功能。

⒊ 比较分析

两种系统采用的技术原理存在很大的差别，不管从数据采集密度，分辨率，以及数据处理方式及平台都各有不同各有特点。作为现代最常用的两种技术方式，运用于多波束测深系统服务于海洋测绘，都能满足测量高精度要求，适用于诸多情况的海底地形勘测及水体测深作业。现代常规的信息化多波束系统已经具备有全水深测量能力，在数据处理方面更加多样化。然而波束数目有限，会导致出现在深水区域的测量数据点密度低，离波束照射中央区域远的测深点密度低的情况。相比于常规的多波束测深系统，运用相干技术的多波束测深系统可以发射高过几个数量级的波束数目。不足之处在于换能器照射中心区域的数据质量欠佳；高分辨率的数据以及巨大的数据量同样会有高出常规系统几个数量级的存储需求量。

三、发展趋势

⒈ 向小型化、便携化发展

材料技术、电子计算机技术、网络通信技术等的发展，都预示着现在乃至未来多波束设备都会向微小型化和轻便易携带易安装的趋势发展，目前已经有多款浅水测量设备可在普通船只上或者小型作业船只上安装应用。如美国Teledyne Odom公司推出的ES3便携式多波束探测仪，特点明显，尺寸小、重量轻、耗能低、钛合金外壳，即可安装在船舷也可安装在船头。还如Reson SeamBet T20-P系统，便携式的设计特别适合运用于小型作业船只。其全尺寸可以符合航空登机要求，真正达到了便携式要求。

⒉ 向多功能化集成化发展

多功能化是指多波束传感器与多种功能的测量仪器兼容于同一平台设备，实现多功能化。联合单波束仪、侧扫声纳系统、水下摄影设备等，如同作为计算机拓展外设一样与多波束系统共同服务于测量勘探作业。这方面的平台系统如先进的REMUS AUV系统，其中REMUS100号称世界上最可靠的产品，工作水深达100m，这款AUV可搭载多种传感器，如GPS、CTD Sensor、Acoustic imaging System、多波束仪器等，实现水道测量、水文地理勘察、岩屑区域绘图以及科学取样与绘图等任务。可以完成一项或者多项任务，自动化程度高、工作效率高，节省时间和经费。

⒊ 向超高精度高分辨率高覆盖率化发展

技术的进步使得当代的多波束仪器性能已经今非昔比，近些年来也诞生了一批预示新型多波束系统发展方向的产品，如ELAC全深海多波束测深系统SeaBeam3012，这个系统甚至可以借助独有的扫描技术完成自动化全姿态的运动补偿，见图3，大大提高了测量数据的精确度.该系统工作水深在30～1100m，波数个数最高达994个，平均“脚印”分辨率为1°×1°满足最大航速13kn。

图3　全姿态自动补偿示意图

在用于浅水测量方面，如EM 2040C多波束探测系统，该系统满足甚至超过IHO-S44特级标准以及更加严格的LINZ指标，频率范围200～400KHz，采用双换能器时的覆盖角度达200°，采用双条带双换能器时最多探测点数为:1600/Ping。在运用相干技术的系统，如Geoswath Plus COMPACT宽条带侧扫探测系统，为海道测量提供条带测深和侧扫条带制图，其精度超过IHO标准，符合IHO SP-44特级标准，最大宽深比12，最大条带宽度780m (125KHz)，测深分辨率1.5mm(500KHz)。

四、结束语

通过对SeaBeam1050D和Geoswath Plus详细的性能分析和比较，这两款第四代多波束测深系统都能完成复杂环境下的海底勘察任务。其中以SeaBeam1050D为代表的束控多波束系统，适合在中深水区域和水文环境较复杂的水域进行测量。而以Geoswath Plus为代表的的相干多波束系统，在浅水且水底地形较为平坦的水域更能发挥其优势。最后，通过延伸拓展介绍了多种新型多波束系统，给出下一代多波束系统更加小型化、集成多功能化和超高精度超等的发展方向，对我国自主研制开发新一代多波束系统有借鉴意义。

■文/马凯 徐卫明 许坚，大连舰艇学院海洋测绘系，第一作者马凯，1992年出生，男，山东济南人，硕士研究生，主要从事多波束测量研究；本文来自《中国测绘地理信息学会海洋测绘专业委员会第二十八届海洋测绘综合性学术研讨会论文集》，参考文献略，用于学习与交流，版权归作者所有，转载务请备注作者与出处。

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