海洋论坛▏海底浅表层信息声探测技术
【编者按】本文依据《地球科学进展》中刊发的文章《海底浅表层信息声探测技术研究现状及发展》，文章第一作者为吴自银研究员。原文发表于2005年，尽管发表年代较早，但内容非常适合大家阅读与学习，故仍然决定编发。出于巧合，有幸认识本文的第一作者吴自银研究员，并向他提出了编发愿望，他不但爽快地答应了我的要求，而且还根据当前海洋探测技术的进展状况，对原文的部分内容适时进行了修改，并在展望部分添加了新内容，也重新配置了文章插图。在此，非常感谢吴自银研究员对我微信公众平台的支持，向您表达我们的真诚谢意！编发时考虑到文章并非正式期刊论文，故删除了参考文献。
作者介绍：吴自银，男，1972年出生，国家海洋局第二海洋研究所，研究员，博士生导师。自我国1996年引进首套多波束测深系统以来，一直致力于“海底探测与地貌学”研究工作，研发了我国首套多波束处理与成图软件、参研了我国首套万米多波束测深系统。吴自银研究员在海底地形地貌探测、数据处理与成图技术、大陆架划界技术、海底地形地貌演变研究等方面颇有造诣，取得较为显著的成就。再次向吴研究员致谢！
一、引言
海底是水圈、生物圈和岩石圈的重要地质界面，在海底记录了水圈、生物圈和岩石圈相互作用的详细信息：不仅记录了海陆相互作用的过程和海陆变迁的历史，还记录了气候演化旋回和沉积过程，在洋底和边缘海盆地中还记录了板块裂离产生、运动和俯冲消亡的历史，海底为研究古气候学、古环境学、地质学、地貌学和板块构造提供了重要的素材。海底还蕴藏丰富的烃类资源（石油、天然气和天然气水合物等）、热液硫化物、富钴结壳、多金属结核和深海生物基因资源等，近年来世界各国更是掀起调查和研究海底的高潮。
海底信息的探测是进行海底科学研究的基础，声波在海水中的传播优于电磁波和可见光，目前海底信息的快速获取还主要依赖于声探测设备。多波束测深、浅层剖面仪和侧扫声呐是近数十年快速发展起来的探测海底浅表层信息的高新设备，这些技术设备已经在当代海洋工程、海洋开发、海洋研究、海底资源环境调查中发挥极其重要的作用，从航道的疏竣，到沿海海洋工程的勘测和施工，从边缘海大陆架的勘测，到大洋多金属结核及富钴结壳资源的调查，均是这些海底声探测设备的用武之地。
二、探测原理及基本配置
多波束测深系统、浅层剖面仪和侧扫声呐等海洋声学设备具有相似的工作原理：由安装在船底的换能器探头（有的设备悬挂在船弦），或安装在拖体上的换能器探头向探测水体发射声波，声波遇到海底或障碍物后产生反射和散射回波，换能器探头接收到回波信号后，处理单元根据回波振幅和相位计算声波旅行时间，再根据勘测水体的声速剖面计算声波的实际传播距离，然后根据发射开角，及运动传感器的姿态参数（探头载体的横摇、纵摇和摆动角度）计算回波信号的位置和水深值，同时也记录下回波的振幅和强度信息。
这几种海底探测设备的主要差异在于：由于探测目标的不同，换能器发射声波的频率和强度存在差异，一般高频用于探测中浅海水深或侧扫图像信息，低频用于探测深海水深或浅层剖面信息。高频能够提高分辨率，低频能够提高声波作用距离和穿透强度。目前很多设备采用双频探头，以提高探测能力，美国Klein公司和EdgeTech公司生产的侧扫设备也是采用多频率工作。多波束测深系统、浅层剖面仪器和侧扫声呐系统的基本配置也非常类似：用于实时测量载体姿态的运动传感器，用于实时定位的GPS，发射和接收声波的声学换能器探头，数据采集和实时处理单元，数据实时显示软件，用于确定航向的电罗经，用于采集声速剖面的CTD等。
根据实际工作的不同要求，可能会有些差异，如多波束测深需要高精度的声速剖面，而浅剖和侧扫不一定需要，浅剖和侧扫探头一般安装在拖体上，而多波束探头安装在船底或用便携式探头悬挂在船弦。由于使用拖体，在高标准的海洋调查中还可能要求使用超短基线设备对拖体进行水下导航定位。
三、探测技术及应用
⒈ 海底探测仪器设备
⑴中国海洋仪器的研发历程
中国海洋仪器设备研制始于20世纪50年代，经历了3个主要发展阶段：
①60年代中期开始的全国海洋仪器会战。60年代中期，从全国各海洋单位抽调120名科研人员，以中国科学院声学研究所为主力，研究了极相关和数字多波束形成技术、以时间压缩相关器为基础的脉冲压缩技术，历时一年半，共研制了46项海洋仪器设备样机。但这次研制的设备基本是纯机械式的。
②70年代初期开展的第二次海洋仪器会战。为了适应国防和国民经济发展的需要，70年代由国家海洋局负责组织了第二次全国海洋仪器会战工作，通过该次会战，研究开发了温盐深综合测量仪、走航声学测流仪和雷达测波仪等设备，但受当时国内技术和工业水平限制，一些项目并未达到预期目标。
③80年代中期开始了海洋环境自动监测网的建设，通过该工作，促进了海洋仪器设备的研制发展。80～90年代，先后研发了一批较高水平的海洋仪器：如适用于不同水深的温盐深综合测量仪、电极式实验室盐度计、声学测波仪、验潮仪、测流仪等，微型计算机技术已普遍应用于这些海洋设备中，提高了自动化操作水平，其中有些海洋设备的技术指标甚至达到国际同类产品水平，有些设备的元部件还用于国外工程建设。
④进入90年代中后期，国家“863”计划增设了海洋领域，极大地推动了海洋技术的发展，在“九五”和“十五”期间，已经启动了数个海洋主题的研究工作，通过这些主题项目已经或正在研制一批用于海洋建设的关键仪器设备，在深海资源勘探仪器研制方面已取得不少突破，如电视抓斗、电视浅钻、海底视像系统、超宽频浅剖仪、ROV、水下机器人等，这些仪器系统将大大改善我国海洋环境的监测能力，提高我国综合开发、利用海洋资源的能力，提高海洋灾害防治能力，也将为海底环境调查、资源勘查、海洋权益维护等提供及时服务；海洋技术正在经历第四个重要的发展时期。
⑵多波束测深系统
海底地形测量是海洋调查研究、海洋资源开发和海洋工程设计等的基础，传统的单波束测深已不能满足海洋经济发展、海洋权益争夺和海洋规划管理等日益增长的新需求。国际海道组织在总结当代测深技术发展水平的基础上制定了新的水深测量标准，并规定在高级别的水深测量中必须使用多波束全覆盖测量。多波束测深技术萌芽于20世纪50～60年代美国海军研究署资助的军事研究项目，于70～80年代得到迅猛发展，并于90年代进入商业应用阶段。
多波束测深系统是当代海洋基础勘测中的一项高新技术产品，利用安装在船底的换能器阵，以某固定频率向探测水体广角定向发射声波，并通过换能器阵多通道接收声反射和声散射信号，根据声速剖面通过时空换算获取水体下伏介质的高密度条幅式水深、振幅和反向散射数据。与传统的单波束测深不同的是：多波束测深获取的是海底的高密度、高精度、全覆盖条幅式数据，极大地提高了工作效率。
⑶侧扫声呐系统
自60年代英国海洋研究所推出第一个实用型侧扫系统以来，世界各国公司相继开发出多种型号的侧扫声呐系统。侧扫声呐基于海底地物对入射声波后向散射的工作原理用于探测海底地貌。侧扫声呐能直观地提供海底地貌声学图像，在海底测绘、海底地质勘测、海底工程施工、海底障碍物和沉积物探测及大洋多金属结核勘测等方面得到了广泛应用。根据声学探头安装位置的不同，侧扫声呐可以分为船载和拖体两类。船载型声学换能器安装在船体的两侧，该类侧扫声呐工作频率一般较低（10kHz以下），扫幅较宽。
探头安装在拖体内的侧扫声呐系统根据拖体距海底的高度还可分为2种：离海面较近的高位拖曳型和距离海底较低的深拖型。SeaMARK-Ⅰ型及SeaMARK-Ⅱ型侧扫系统的拖体在水下100m 左右拖曳，能够提供侧扫图像和测深数据，且航速较快（8kt）。多数拖体式侧扫声呐系统拖体距离海底仅有数十米，如EDO公司生产的Deep TowSystem，美国Klein Associates Inc.公司、Datasonics公司、Triton Technology公司生产的侧扫系统，及英国O.R.E.公司生产的侧扫系统等，该类产品要求拖体距离海底较近，航速较低，但获取的侧扫声呐图像质量较高，通过其侧扫图像甚至可分辨出十余厘米的管线和体积很小的油桶。最近有些深拖型侧扫声呐系统也具备高航速作业能力，如Klein3000、Klein5000、EdgeTech4200-MP等侧扫系列新产品，航速达到10kt依然能获得高清晰的海底侧扫声呐图像。
⑷浅层剖面仪
浅层剖面仪与多波束测深和侧扫声呐一样具有类似的工作原理，其区别在于浅层剖面仪发射频率较低，且产生声波的电脉冲能量较大，发射声波具有较强的穿透力，能够有效穿透海底数十米的地层。浅层剖面与单道地震剖面类似，但分辨率要高得多，有的系统在中浅水勘测，其分辨率甚至可以达到十余厘米。通过浅层剖面可以探测海底浅层结构和沉积特征，可以用于解释浅层地质构造和火山岩浆活动特征，还可以用于探测富钴结壳的分布状况。根据发射声波类型可以分为两种：一种采用调频声波发射与匹配滤波相关技术以达到较好的勘测效果，另外一种采用大功率电脉冲声源以达到高分辨率。根据探头安装位置也可分为船载型和拖体型两种。
⒉ 数据处理方法及软件
无论是多波束系统、侧扫声呐仪，还是浅层剖面仪，由于受仪器自噪声、海况因素、声呐参数设置和声速剖面等因素的影响，导致测量资料不可避免地存在假信号，因此，对这些设备采集的资料进行精细处理是必不可少的一环，也是进行深层次开发和应用的基础。
一般的商用多波束系统都附带一套相应的后处理成图软件，用于处理自身系统勘测的多波束水深数据。如SeaBeam系统的后处理成图软件是SeaView，成图部分是公用软件GMT，该软件的运行平台是Unix，其优点是能提供海洋勘测的一些基础图件，但基于命令行的操作方式提高了入门难度。Elac Bottom Chart多波束系统后处理软件由HD-Pedit和HDPpost组成。HDPedit负责噪声数据编辑，提供了多种人机交互式的数据编辑界面，HDPpost负责多波束系统参数校正、垂直投影编辑及测深数据成图，可以输出数字地面模型、航迹图、彩色栅格充填图、三维网格立体图等，其优点是可以输出一些通用的多波束数据文件格式（如UNB格式），以方便其他图形软件处理其勘测的水深资料，缺点是功能单一，不能制作满足国标要求的基础图件，也无法与其他通用软件共享图形文件。
其中，Neptune后处理软件可对测深数据和定位数据进行后处理、质量控制、坏信号的改正和编辑，除了成图软件输出一般的二维、三维地形图和进行体积计算外，还有声呐图像镶接处理软件Poseidon和海底沉积分类软件Triton。在实际使用过程中已发现一些存在的问题：只能支持有限数据格式，不能导入目前国内已引进的一些多波束系统的原始数据，不能按照我国相关规范制图，不能输入汉字等。一般的浅剖和侧扫系统并不提供后处理软件，但有些商用软件，如EIVA的软件系列和CARIS软件，提供了一些后处理功能，但还不能满足目前实际生产和科研的需求。
在“九五”期间，“863”计划启动了海洋技术方面的研究工作，首期启动了“海洋勘测与资源开发技术”，在“海底地形地貌与地质构造探测技术”课题中：将多波束技术、成图技术与GIS 技术和数据库技术有机结合，在Windows平台上开发出具有自主版权的“多波束海底地形电子成图系统（MBChart）”。该软件由3部分组成，能够精细处理引进的多种多波束原始数据，并在原始数据基础上快速形成海底数字地面模型，结合环境数据和历史勘测水深数据，进行可视化管理、展示和标准化输出，已经为一些海洋勘测项目提供了服务。在多波束误差处理、声速校正、声学底质分类和浅层剖面应用研究方面有不少研究论文。
⒊ 数据应用研究
基于浅层剖面、测扫声呐图像以及多波束测深资料可以进行声学地层学、声学底质分类、声学原位测试、动力地貌学、构造地貌学、海底资源开发等多方面的应用研究，其中多波束应用面较为广泛，声学底质分类、声学原位测试、动力地貌和构造地貌方面的研究是近年来国内外研究的热点。
在声学底质分类研究方面，黄海宁等应用人工神经网络对三类沉积物进行了有效识别，王正垠等基于宽带主动声呐的回波信号，应用标准前馈BP人工神经网络对湖底五类沉积介质进行分类识别，吕海龙等基于多波束探测信息，应用Triton软件系统对胶州湾某区进行声学分类对比。尽管声学底质分类具有较广阔的应用前景（被誉为海底遥感），但目前该技术还处于探索阶段。海底声学原位测试在国内处于起步阶段，与声波测井技术具有类似的工作原理，与传统的地质取样及土工分析相比具有快捷、方便和原位的优点，该技术方法已经显示了较广阔的应用前景。
在地貌学研究方面，在大陆边缘主要应用多波束测深数据探讨动力地貌成因，如Brain利用多波束测深和声散射数据对加拿大新斯科舍（Nova Scotia）南部陆架沙脊群进行了研究，Goff在多波束测深和声散射数据基础上，利用统计学方法对美国大西洋沿岸新泽西州附近陆架沙脊群进行了研究，在国内正在开展基于多波束测深进行的大陆边缘动力地貌研究。在边缘海盆和大洋底主要应用多波束测深进行构造地貌学的研究，如Carbotte等通过多波束地形地貌与地磁异常及地震剖面等深部信息的对比，对东太平洋海隆轴脊区进行分析，提出了洋中脊叠加扩张中心（OSC）的形成机制。Grindlay 等通过多波束测深的研究，提出南大西洋中脊的分段性和中脊扩张的成因模式。
90年代中后期以来，我国开展了数个重大多波束勘测项目，获取了相关海域全覆盖的多波束数据，基于该批资料，国内已开展了中国动力地貌与构造地貌学的研究，如东海陆架沙脊地貌、南海东部海盆扩张海山链、马尼拉挤入构造、冲绳海槽构造地貌、琉球“沟—弧—盆”系研究方面展示了一些全新的多波束证据，取得了一些新认识。
四、总结与展望
❶提升理论研究水平。理论研究是进行海洋仪器研制和软件开发的基础，没有高水平的理论研究作后盾很难研制出高精度的海洋仪器，也不能开发出满足海洋调查研究需求的数据处理软件。目前国内在多波束和侧扫数据处理方面已经进行了一些理论探索，但在海底声探测技术原创性探索方面仍有较广阔的发展空间。
❷加强数据利用。通过数十年的海洋调查，在国内已经积累了一批高质量的海底声探测数据资料，包括单波束测深、多波束测深、侧扫声呐图像和浅层剖面等，这些数据资料涉及的海区包括近海海岸带、大陆架专属经济区、边缘海盆地和国际海底区域等。在调查资料的基础上进行深层次的理论研究，发现并解决存在的海底科学问题，为海洋资源开发利用及海洋权益维护提供及时服务。
❸发展民族海洋产业链。通过建国以来数十年的发展，尤其近十年在来国家重大科技项目的支撑下，我国的海洋探测设备研制取得长足的进步。譬如：在多波束测深系统研制方面，哈尔滨工程大学、中科院声学所、浙江大学等分别研制了不同型号的浅水多波束系统，中科院声学所牵头研制了全海深多波束测深系统，其中有些产品已经商业化。在运载平台方面，国内已经研制了ROV、AUV、无人艇和无人机等多种产品，有些产品可和国际产品媲美，“蛟龙号”更是其中的佼佼者。此外，在海底原位观测仪器、海底观测网、深海工作站研究等方面也取得优异成果。但需要指出，目前的海底探测技术还远未形成体系，在我国海洋调查中还大量使用国外设备，国产设备更少有走出国门销往国外，因此，急需发展我国海洋探测技术装备的民族产业。
❹海底探测技术的发展趋势。海洋探测技术正从单一性能仪器向综合性能仪器发展，比如：已经开始研制集多波束、浅层剖面和侧扫声纳功能于一体的新型装备，随着传感器技术向“小、精、坚”方向的发展，可预见有更多“瑞士军刀”式的多功能海洋仪器设备涌现，既可节省设备购置成本，更能降低调查成本。海洋探测正由传统船载走航式向“自主航行”式以及海底原位长期观测方向发展，无人船、无人机、AUV、Glider等自主航行器已经开始出现在现代海洋调查中，把传统的船载设备无缝移植到这些自主航行器中，在近岸岛礁、复杂浅滩、陆坡峡谷和深海极端环境中进行精密探测，建立“空、天、陆、海”一体的海洋立体观测技术体系，对海洋进行长期实时观测必将是未来发展的趋势。
❺海洋探测行业大有作为。党的十六大报告提出“实施海洋开发”、十七大报告提出“发展海洋产业”、十八大报告进一步提出“建设海洋强国”的宏伟战略目标，建设海洋强国必须“关心海洋、认识海洋、经略海洋”，使蓝色的海洋变成“透明的海洋”。毫无疑问，海洋探测技术是建设海洋强国的重要保障，包括多波束、浅层剖面和侧扫声纳在内的海洋探测设备，正在近海海洋工程探测、陆架管线路由勘查、海洋考古、海洋资源调查、海洋维权和海洋国防等方面发挥重要作用。在“建设海洋强国”、“中国梦”、“海上丝绸之路”等国家宏伟目标的指引下，中国的海洋测绘行业已从近海走向“深蓝”，中国科考船开始活跃在全球大洋和南北极，已由早期的“被支援”、到“自主调查”、再向“支援他国”的阶段发展。