科技前沿▏阳凡林等：船载地形地貌探测技术

Original 阳凡林等溪流之海洋人生 2021-09-20

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【编者序】

本文来自《高分辨率海底地形地貌——探测处理理论与技术》（吴自银等著）一书的第1.1节“船载地形地貌探测技术”。在此，特别感谢作者及《科学出版社》对于平台的支持与信任！本章节由阳凡林、王胜平、朱心科、吴自银四位学者共同撰写，编发时进行了整理与内容删节，版权归作者与出版社共同拥有。

船载探测是海底地形地貌探测最直接的方式，水深测量是船载地形地貌探测最核心的工作，早期从测深杆、锤、绳等原始的方式，发展到目前的声光电等多种探测手段。因为光波、电磁波在水中衰减很快，而声波在水中能远距离地传播，当前，船载声学探测仍是海底地形地貌探测的主要方式之一。GNSS（全球导航卫星系统）定位导航是水上准确、高效的定位导航方式，利用“GNSS＋探测仪”这种手段进行水深测量使用广泛，其基本原理是测量载体在GNSS导航仪的辅助下，获取测区内测点的瞬时平面坐标，同时利用探测设备获得相应位置处的水深值、反向散射强度或者海底影像。

一、船载探测技术的演进与发展

早期测深是靠测深杆和测深锤完成的，效率低下。1913年，美国科学家R.A. Fessenden发明了回声测深仪，其探测距离可达3.7km；1918年，法国物理学家P. Langevin利用压电效应原理发明了夹心式发射换能器，它由晶体和钢组成，实现了对水下远距离目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学并发明了声呐。进入20世纪60年代，多波束测深系统兴起，并随着数字化计算机技术的飞速发展，逐渐出现了高精度、高效率、自动化、数字化的现代多波束测深系统，测深模式实现了从点到线、从线到面的飞跃。与地形地貌相关的海底探测仪器主要有：单波束测深仪、多波束测深系统、相干测深侧扫声呐、三维激光扫描系统、双频识别声呐、合成孔径声呐、三维全景声呐等。

⒈ 由竹竿测量到绳索测量

人类最早是用竹竿测量水深的，后来发展为用一端带有重物的绳索测量水深。15世纪中叶，尼古拉·库萨发明了一种简单的水压式测深仪，根据水压的多少反算海水的深度。继布鲁可型测深器（1851年前后）之后，先后出现了一种锡格斯比型测深器和有名的开尔文测深器，锡格斯比型测深器适用用深海测深；开尔文测深器是英国开尔文勋爵于1874年发明的一种使用钢琴弦作为测深绳的测深器。1891年，英国电信公司推出了卢卡斯型测深器。这种绳索式测深器的缺陷是工作效率低，受海浪和海流的影响大，特别是在深海区，其弊端显得尤为突出；其另外一个缺陷是仅能在一点或一条测线上进行，不能进行大面积测量。

⒉ 单波束回声测深仪

20世纪20年代科学家发明了单波束回声测深仪，是海洋测深技术的一次飞跃，其优点是速度快，记录连续。有了它才有了今天真正意义上的海图，对人类认识海底世界起到了划时代的作用。单波束测深属于“线”状测量，当测量船在水上航行时，船上的测深仪可测得一条连续的剖面线（即地形断面）。根据频段个数，单波束测深仪分为单频测深仪和双频测深仪。单频测深仪仅发射一个频段的信号，仪器轻便，而双频测深仪可发射高频、低频信号，利用其特点可测量出水面至水底表面与硬地层面的距离差，从而获得水底淤泥层的厚度，即可用于浮泥层测量。

传统的单波束测深仪有两个要缺点：其一，仅采样测线上的点，对海底信息的反映比较粗糙；其二，波束宽度较大，在复杂地形测量时深度误差较大。尽管多台回声测深仪相对单台测量效率和测点密度有了提高，但设备笨重、横向扫幅小，对海上自然条件要求高。但单波束测深仪因为具备价格便宜、工作方便等优势，当前依然在河道与浅海测量中被广泛应用。

⒊ 多波束测深系统

20世纪70年代出现的多波束测深系统，属于一场革命性的变革，深刻地改变了海洋调查方式及最终的成果质量。多波束测深属于“面”状测量，它能一次给出与航迹线相垂直的平面内成百上千个测深点的水深值，故它能准确、高效地测量出沿航迹线一定宽度（3～12倍水深）内水下目标的大小、形状和高低变化。与单波束相比，其系统组成和水深数据处理过程更为复杂。除多波束测深仪本身外，还需外部辅助设备包括姿态仪、电罗经、表层声速仪、声速剖面仪和GNSS定位仪等来提供瞬时的位置、姿态、航向、声速等信息。

多波束的研制工作起源于20世纪60年代美国海军研究署资助的军事研究项目。1962年，美国国家海洋调查局（NOAA）在Surveyor号上进行了新问世的窄波束回声测深仪（NBES）海上实验。1976年，数字化计算机处理及控制硬件应用于多波束系统，从而产生了第一台多波束扫描测深系统，简称SeaBeam。该系统有16个波束，横向测量幅度约为水深的0.8倍，当水深在200m左右的大陆架边缘时，海底的实际扫海扇面宽度约为150m，当水深为5000m左右时，海底实际覆盖宽度约为4000m。

20世纪80～90年代后，先后出现了各种各样的浅、中、深水多波束系统，图1是德国产的双频多波束测深系统Elac BottomChart 1180/1050D，属于中浅水多波束系统。尽管经过了短短三十年的发展，但多波束测深技术研究和应用水平已达到了较高的水平，特别是近十年来，随着电子、计算机、新材料和新工艺的广泛使用，多波束测深技术已取得了突破性的进展，主要表现在精度、分辨率更高，集成化与模块化技术更好，设备体积越来越小。

图1 双频多波束测深系统Elac BottomChart 1180/1050D

⒋ 侧扫声呐

侧扫声呐也称为旁侧声呐、旁扫声呐，侧扫声呐技术的出现可追溯到第二次世界大战后期，但直到20世纪50年代末才用于民用，60年代初发明了商用设备，60年代末侧扫声呐的概念开始为全世界所接受。

侧扫声呐系统是基于回声探测原理进行水下目标探测的，通过系统的换能器基阵以一定的倾斜角度、发射频率，向海底发射具有指向性的宽垂直波束角和窄水平波束角的脉冲超声波，声波传播至海底或海底目标后发生反射和散射，又经过换能器的接收基阵接收，再经过水上仪器的处理用显示装置显示、记录器储存。

侧扫声呐的工作频率基本上决定了最大作用距离，在相同的工作频率情况下，最大作用距离越远，其一次扫测覆盖的范围就越大，扫测的效率就越高。脉冲宽度直接影响了分辨率，一般来说，宽度越小，其距离分辩率就越高。水平波束开角直接影响水平分辨率，垂直波束开角影响侧扫声呐的覆盖宽度，开角越大，覆盖范围就越大，在声呐正下方的盲区就越小。

⒌ 相干型测深侧扫声呐

1960年英国海洋科学研究所研制出第一台侧扫声呐并用于海底地质调查，20世纪60年代中期侧扫声呐技术得到改进，提高了分辨率和图像质量等探测性能，开始使用拖曳体装载换能器阵，20世纪70年代研制出适应不同用途的侧扫声呐。但这种类型的侧扫声呐并不能进行水深测量。英国Submetrix公司在20世纪90年代推出一种对海底地貌高密度、高精度测量的ISI100型相干声呐系统，是利用多基元换能器接收回波的振幅、时间和相位差来对海底各点准确定位，并快速采集和处理大量数据的系统。相干声呐集水深探测技术和成像技术于一体，不仅可以测量水深，还可以同时给出海底三维立体图、等深图、侧扫声图。该类设备具有以下三个特点：

⑴采集的数据密度大，相干声呐每个发射脉冲每侧可集2000～6000个回声波带（即回波角）的水深，相当于海底每7.55mm一个水深点；

⑵覆盖宽度大，有效水深覆盖带可达10～15倍水深；

⑶具有条带测深和侧扫声呐二合一的特点，能采集更多的海底地形地貌信息，与传统的侧扫声呐相比能提供每个像元的精确坐标，利于后期的资料深度挖掘利用。

图2 GeoSwath Plus 测深侧扫声呐系统

相干声呐适用于港口航道水深扫测，是替代测深仪、侧扫声呐的新型设备，目前主要型号包括klein 3500，Geoswath plus等型号（图2）。但当工作水深大于200m时，相干声呐的探测效果不如传统多波束好，尤其在比较浑浊的河口与航道区探测的资料效果一般。

⒍ 双频识别声呐

高分辨率双频识别声呐运用声频“镜头”能在黑暗中、混水中生成高质量图像。这种环境下，光学摄像系统完全无法使用。而高分辨率双频识别声呐则不然，在水下高分辨率双频识别声呐主动发射两种频率的声波，声波遇到物体时反射回来被系统接收，经声学成像系统的信号处理，在显示屏上显示物体的影像。

声学成像系统是由三个声透镜和阵列式换能器组成。声透镜是会聚或发散声波的声学元件，类似于光透镜，但与光透镜不同的是会聚声波的声透镜是凹透镜而不是凸透镜，这是由于在声透镜中的声速比水中的声速大的缘故。声透镜折射率大、聚焦短，最大限度地减小了像差和传播损失。阵列式换能器具有空间分辨能力，可以根据回波信号的强度和时延进行图像重组。高分辨率双频识别声呐主要有ARIS和美国华盛顿大学研制的DIDSON等型号。图3是DIDSON探测的水下铺排。

图3 双频识别声呐DIDSON所探测的水下铺排

⒎ 水下三维全景扫描声呐

三维成像声呐类似于三维激光扫描仪，声呐头发射固定频率的声波，波束在水中传播到达物体表面后反射，声呐头接收声音信号将其转化为电信号，再传输至声呐控制单元，声呐控制单元利用声呐的操作软件把声呐头扫描到的信息以图像的形式显示出来。声呐探头通过发射声脉冲，每发射一次，即可形成一个扫描扇区，可得到多个测点的空间数据，通过云台在竖直方向和水平方向的转动，可实现水平方向360°、竖直方向130°大范围扫描。扫描最大深度300m，在30m范围内扫描尺寸误差小于4cm，角度误差1°。目前主要的三维扫描声呐有BV5000-1350和BV-2250（图4）。

图4 三维扫描声呐BV5000-1350所探测的深海钻井平台及法兰盘

⒏ 合成孔径声呐（SAS）

合成孔径线阵声呐是利用接收基阵在拖曳过程中对海洋中目标反射信号的时间采样，经延时补偿，构成目标的空间图像。合成孔径声呐成像的关键技术有拖曳基阵的姿态控制，实时时延修正，逆散射图像重建技术，海洋介质时空变化引起的声信号起伏的处理技术。它以小孔径的基阵获得大孔径基阵才具有的分辨率，这是声探测和声成像技术的重大突破，与其他声学探测设备相比具有“恒等分辨率”的典型优点，不会随着距离增加而降低分辨率。代表产品有美国的DARPA、CEROS合成孔径声呐，欧盟的合成孔径测绘与成像（SAMI）声呐，法国的IMBAT3000合成孔径声呐。在863项目支持下，中科院声学所于2000年成功研制我国首套具有自主知识产权的合成孔径声呐。目前，合成孔径声呐可以实现10～30cm的水下图像分辨率（图5）。

图5 合成孔径声呐探测的海底小型人工目标物

⒐ 移动三维激光扫描系统

将三维激光扫描设备(LS)、卫星定位模块( GNSS)、惯性导航装置(IMU)、里程计、360°全景相机、总成控制模块和高性能板卡计算机高度集成，并封装在刚性平台之中组合形成三维激光扫描系统。利用三维激光扫描可实现远距离非接触式测量，实现滩涂测量（图6）。船载移动三维激光扫描滩涂测量角度平面位置10～15cm，高程15～20cm。针对船载移动测量的激光扫描型号主要有MDL250，RIEGL VZ400，Leica HDS8800，FARO Focus3D和中海达iScan等。

图6 船载三维激光（左）与扫描成果图（右）

二、船载定位技术

早期载体的定位手段主要有光学定位和陆基无线电定位，存在精度差、操作繁琐等问题，难以满足现代工程实际需求，大部分方法几乎停用。自20世纪末以来，随着GNSS技术的突飞猛进，海洋定位技术取得了突破性的进展。目前广泛使用的GNSS高精度定位技术有差分定位、精密单点定位（PPP）。

海上光学定位与陆上定位的原理和方法相同，以交会法为主，即通常所用的前方交会法、后方交会法等，在20世纪60至70年代广泛应用。

无线电定位包括陆基无线电和空基无线电两种。陆基无线电由20世纪初发展起来，系统的主要部分在于地面导航台，该方法具有作用距离远和全天候连续定位等特点，作用距离可由几十公里到上千公里，其基本原理主要是测量距离定位和测量距离差定位，通过在陆上设立若干个无线电发（反）射台（称为岸台），测量无线电波传播的距离或距离差来确定运动的船台相对于岸台的位置。

卫星导航定位技术是空基无线电定位最具代表性的技术之一，兴起于20世纪70年代，是目前海上定位使用最广泛、最有效的技术手段。GPS单点定位由于受到的影响因素众多，如卫星星历误差、电离层折射误差和多路径效应等，其定位精度在5～20m，不适合高精度定位导航需求，因此GPS差分技术应运而生，并在实际工程中广泛应用。

我国沿海早期GPS差分形式有信标差分和GPS RTK技术。信标差分是指我国的沿海无线电指向标-差分全球定位系统(RBN-DGPS)，是中国海事局于1995～2000年组织建立的覆盖我国沿海海域并由20个航海无线电指向标构成的助航系统，其原理本质上是利用无线电信标播发伪距差分（RTD）改正信息从而实现实时动态差分定位，其定位精度在1m左右，见图7。

GPS RTK称为载波相位实时动态差分定位技术，定位精度在厘米级，但这种技术的作用距离有限，一般为15km左右，故常用于近岸水下地形测量作业中。

图7 中国沿海RBN-DGPS示意图

卫星导航技术发展的广度和深度均在增加，目前全球除GPS外，还有中国的北斗、俄罗斯的GLONASS、欧盟的伽利略等卫星导航系统，由最初的GPS，发展成为目前群星璀璨的GNSS，差分技术也由单基站差分发展到网络RTK技术，单点定位技术也出现了精密单点定位技术。网络RTK技术是利用多个基准站构成一个基准站网，然后借助广域差分GNSS和具有多个基准站的局域差分GNSS中的基本原理和方法来消除或减弱各种GNSS测量误差对流动站的影响，从而达到增加流动站与基准站间的距离和提高定位精度的目的。与常规RTK相比，该方法具有覆盖面广、定位精度高、可靠性强、可实时提供厘米级定位等优点；而精密单点定位技术则利用精密卫星轨道和卫星钟差数据，对单台GNSS接收机所采集的相位观测值进行定位解算，其实时定位精度可达到分米甚至厘米级。由于其不受基准站距离的限制，在海洋测绘中有巨大的应用潜力。

三、无人船载测量平台

除传统的测量船外，当前，基于无人船的自主测量平台也是一种重要的海底地形地貌探测手段，尤其在浅水区、岛礁区、危化品区等常规测量船难以进入的区域，需要借助无人船的模式进行测量，无人船平台可以搭载浅水多波束、侧扫声呐、单波束、ADCP等常规的测量仪器，可以通过母船与无人船联合作业的模式进行协同作业，大幅提升在浅水区的作业效率（图8）。近几年来国内外在自动化采集领域有了长足的发展，相继出现了以高精度全球卫星定位技术、超声波自动避障技术、实时远程数据链路技术、复合材料技术等融合制造的智能无人船，并搭载有不同种类的有效探测载荷实现数据自动化获取。

图8 测量无人船系统拓扑图（由珠海云洲公司提供）

无人船平台包含无人遥控、GPS自动导航、自主航行、自动避障等功能，可在视距外作业。工作时，只需把作业水域的地图在基站上下载好，在地图上，或者通过坐标输入规划好测线，然后将任务发送给无人船，无人船即可开始工作。测量过程中，可通过远程桌面等方式调整多波束等测深仪参数。测量数据及无人船摄像头的拍摄画面均可通过系统自带的宽带专网实时回传，15公里内可传输带宽达2M/s。

随着我国智能制造国家政策的加速落地，目前正在从事无人艇研发与应用的单位越来越多。国内无人艇研发的单位主要有珠海云洲、海兰信、上海大学、哈工程、安徽科威智能-中海达、北京四方、中电科、中船重工、华南理工、海洋一所、武汉楚航、武汉劳雷绿湾、海南灵鲸等。可用于海洋测绘领域的无人艇研发单位主要有珠海云洲、上海大学、安徽科威智能-中海达、海洋一所、武汉楚航等。国际上，美国、英国、德国等国家也有少量应用的水底地貌测绘无人船（USVs）。

【作者简介】第一作者阳凡林，男，教授，博士生导师，1974年7月出生，湖北荆州人，山东科技大学海洋测绘学科带头人，山东省杰出青年科学基金获得者。主要从事海洋测绘、大地测量方面的教学与研究工作。以第一作者或通讯作者发表被SCI/EI检索的论文30多篇，获得授权国家发明专利10项。获得国家科技进步二等奖1项、省部级（或行业）科技奖励4项。中国卫星导航定位协会教育与发展专业委员会副主任委员、中国测绘地理信息学会海洋测绘专业委员会委员等。《高分辨率海底地形地貌》（吴自银等著）一书由吴自银、阳凡林、罗孝文、李守军、王胜平、丁维凤、曹振轶、许雪峰、赵荻能、朱心科、应剑云、霍冠英、金绍华、尚继宏、章伟艳、高金耀、李怀明、杨克红、李小虎、梁裕扬、马维林、周洁琼、熊明宽23位学者共同撰写，全套书共两册:探测处理理论与技术，可视计算与科学应用。本文发表征得了作者的同意，并且对部分内容进行了修改与整理，其他平台如要转载务请标注出处，并征得作者与出版单位认可。