海洋论坛▏深水多波束测深系统现状及展望

张同伟等溪流之海洋人生 2021-10-08

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海洋科学研究、资源调查与开发、工程建设及军事等活动都需要准确地获取所关注区域内的海底地形地貌信息，并将其作为基础资料与支撑依据。因此，如何去了解海洋地形地貌信息，对海洋地形地貌信息进行有效的测绘，获取海洋地形地貌信息图谱，成了海洋研究中的重要问题。

不同于传统单波束测深技术，多波束测深系统是一种进行海洋水底资源开发的新手段。它不但可以获得采样点的位置和深度信息，而且能够根据不同物质对声波的回波强度，探测海底地质结构，实现海底底质分类。此外，多波束测深系统对海底实施的是一种全覆盖测量，所提取的信息不但反映了海底的地形地貌变化情况，还能给出水体特征。因此，深水多波束测深系统在深海海底地形测绘、海洋资源探测、天然气水合物探测、地球物理探测等领域具有极高的应用价值。

本文首先介绍了深水多波束测深的基本原理和系统组成，然后系统介绍了L3 ELAC Nautik、Teledyne(原ATLAS)和Kongsberg等公司的3款典型深水多波束测深系统，并分析了国内发展情况，最后展望了深水多波束测深系统的发展趋势。

一、多波束测深系统原理和组成

⒈基本原理

多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出海底地形的三维特征。

多波束测深系统的波束形成原理可以分为两种：束控法(在特定角度下，测量反射信号的往返时间)和相干法(在特定时间下，测量反射回波信号的角度)。在多波束测深系统中主要有两个待测变量，即斜距或声学换能器到海底每个点的距离和从换能器到水底各点的角度。所有的多波束测深系统利用束控法和相干法中的一种或两种来测定这些变量。

⒉系统组成

现代多波束测深系统主要包括：多波束声学系统(声呐信号处理系统、发射/接收换能器、显控系统)、软件系统(数据后处理软件、导航采集软件)、外围辅助传感器(罗经、姿态传感器、声速计、验潮仪、GPS/水下导航系统等)。

目前国外深水多波束测深技术比较成熟，已经实现深水多波束测深系统的产品化、产业化、系列化。国际上主要的深水多波束测深系统生产厂商主要有：L3 ELAC Nautik、Teledyne(ATLAS)和Kongsberg等几家公司。表 1给出了典型深水多波束测深系统的对比。

表 1 典型深水多波束测深系统对比

二、几款典型深水多波束测深系统

⒈L3 ELAC Nautik公司的SeaBeam 3012

SeaBeam 3012是ELAC公司的最新一代深水多波束测深系统，其工作频率为12 kHz，工作水深50～11000m，波束数301个，最小波束宽度1°×1°，具有等角和等距两种波束间隔，最大覆盖宽度5.5倍水深，最大工作速度可达12节。SeaBeam 3012采用先进的波束扫描专利技术，可以完全进行艏摇、纵横摇运动补偿。它是世界上唯一能在所有水深下进行实时全姿态运动补偿的全海洋深度多波束测深系统。新的波束扫描技术包括宽覆盖、浅水近场聚焦、多脉冲、线性调频等特性，使其性能远超过其他常规扇区扫描技术。

SeaBeam 3012系统能够实时采集测深信息、后向散射数据、水体数据、侧扫声呐图像等，并以良好的视觉形式将测量结果呈现在操作员面前。在深海海底地形测绘、海底构造研究、海洋资源探测、天然气水合物探测、地球物理探测等领域具有极高的应用价值。

SeaBeam 3012多波束测深主系统由水下的发射、接收换能器阵，水面的接收发射单元，数据采集及数据后处理计算机组成。辅助配套设备有表面声速仪、光纤罗经运动传感器、不间断电源、声学同步器、图形显示器和后处理计算机等。

⒉Teledyne公司的HydroSweep DS

Teledyne HydroSweep DS属于第三代全海深多波束测深系统，其工作频率为14~16 kHz，工作水深10～11000m，波束数320个，最小波束宽度0.5°×1°，具有等角和等距两种波束间隔，最大覆盖宽度5.5倍水深，最大工作速度可达10节。它可以持续不间断获得较高要求的海底数据，其特点在于水柱、后向散射和沉积物分析。在接收端，每次发射被分解成320个接收波束。

为了克服传统阵列孔径的限制，HydroSweep DS采用了一种获得过专利的接收波束形成技术，即高阶波束形成。至于水深数据，它可以实现扫描的角度高达140°(5.5倍水深)，分解成960个窄波束。声学足迹设为等距或等角度模式，以适应特定的调查需要。它具备多频发射功能，可同时发射和接收多种频率，而传统的测深仪通常只能进行单频循环。多频大幅度提升了调查效率，特别是当在船舶航迹方向提高到0.5°波束精度时，为了确保实现100%海底无缝覆盖，该船只的速度将被限制为4海里/h或更低。但是，运用多频发射，为了获得较高的波束分辨率，可以保持船只高速航行，或在不需要达到很高精度的情况下，甚至可以提高船速。空间分辨率为各种广泛应用提供了最大的操作和科研价值。图1给出了HydroSweep DS的系统组成框图。

图 1 Teledyne(ATLAS) HydroSweep DS系统组成框图

⒊Kongsberg公司的EM122

EM 122是Kongsberg公司新一代深海多波束测深系统，其工作频率为12 kHz，工作水深20～11000m，波束数288个，最小波束宽度0.5°×1°，具有等角、等距和加密3种波束间隔，最大覆盖宽度6倍水深，最大工作速度可达16节。系统采用高效降噪前放、频率编码分组波束、纵横摇和艏摇主动波束转向等技术，保证获得最大的海底覆盖宽度。在提高测量精度和分辨率上，系统采用相位和振幅检测结合技术及声源级多向分别自动控制技术。系统具有覆盖扇面和波束指向角可随水上变化而自动变化、等距波束、集成海底声学图像和声速剖面内插等功能，能在一个航次之内获得最大的测量效益。

⒋国内发展现状

中国科学院声学研究所联合国内几家单位共同研制了国内第一套深水多波束测深系统，在西太平洋获得了6000m海域海底地形地貌图，并在国家“863”计划重大项目“海底观测网试验系统”进行了实际试验性应用，完成了相应调查工作。该系统拥有波束数289个，波束宽度1°×2°，最大覆盖宽度6倍水深，具备发射三维姿态稳定、接收横摇稳定和边缘波束发射线性调频功能，可满足20～11000m全海深海底地形地貌探测的需求。

三、深水多波束测深系统的发展趋势

通过对国内外典型深水多波束测深系统的比较分析，以及参考其他一些系统，可以得出深水多波束测深系统的发展趋势为更高的测深分辨率、更高的测深精度、更大的覆盖范围、更强的水体探测和更便捷的探测成图。

⒈更高的测深分辨率

多波束测深分辨率是指多波束测深系统在海底空间三维方向上所能分辨的相邻两个目标点的最小间隔，它决定了水下小目标及复杂地形的精细探测能力。影响多波束测深分辨率的因素主要有脉冲宽度、ping采样率、波束宽度、航速等。如HydroSweep DS可以配备波束宽度为0.5°×1°的发射/接收换能器阵，每次发射可以获得320个反馈波束(硬波束)，又通过高阶波束形成技术分解成960个水深点;其2倍多频发射使得接收波束的数量加倍达到640个，水深点加倍到1920个，大大提高了测深分辨率。

⒉更高的测深精度

深海多波束测深系统最重要的用途是深海海底地形测绘，测深精度无疑是衡量其性能的核心指标。国际水道测量组织第44号特别出版物第一条对测深的准确性有专门的规定，对测量的水深数据分别进行声速折射补偿、运动姿态补偿和潮位补偿。声速可以通过表面声速计实时获取表面声速，并结合可抛弃式全海深声速计定期获得全海深声速剖面，提供声速折射补偿准确性;运动传感器可以提供发射阵和接收阵的三维偏移参数，其中发射波束将进行纵摇、横摇和艏摇校正，接收波束进行横摇校正;针对深远海缺乏潮位站支持的情况，利用GPS载波相位测量技术确定潮位的瞬时变化，对测深数据进行潮位补偿。

⒊更大的覆盖范围

多波束测深覆盖范围直接决定了多波束测深系统的测绘效率。它一般用几倍水深覆盖(5～6)或条带扇面角度(140°)来表示，但是在深海情况下，受双程传播衰减的影响，外侧(小掠射角)信号的信噪比很低、波形展宽严重，因此覆盖范围又受最大覆盖宽度(30 km)的制约。通过对发射阵和接收阵的阵型进行优化设计，并使用宽带信号可以提高外侧信号的信噪比;使用宽带信号也能抑制波形展宽的问题;采用新的目标方位估计方法(如多子阵检测方法)则可以提高外侧信号的方位估计精度。

⒋更强的水体探测

当来自海底地层之下的气体或流体以喷溢或渗漏的形式进入海底附近，形成与周围海水物理性质相异的羽状、柱状、鞭状等各种形状的局部异常海水。羽状流可以作为海底热液、冷泉和天然气水合物探测的重要标志。只有当深水多波束测深系统具备强大的水体探测能力时，才能探测水体里的异常特征体，实现大面积的无缝海底羽状流探测，并对海底以上一定水深范围的海水进行全覆盖三维立体探测。

⒌更便捷的探测成图

船载多波束测深系统一般全程工作，每个航次/航段都要生成大量的探测数据，达上百GB，甚至更多。虽然商业化的多波束测深系统都配备相应的成图软件，但是仍需要大量的人为干预，不同经验数据处理人员的处理结果可能不完全相同。面对如此庞大的数据量，应建立统一的多波束测深数据成图标准，尽量减少人为因素影响，提高成图软件的智能化、可靠性和便捷化。

四、结语

随着深海开发技术的不断完善，人们越来越深入地探索着海洋底部无穷无尽的资源，所采用的研究手段也越来越多，如载人潜水器、ROV、AUV、水下滑翔机、深拖系统、电视抓斗及其他探测设备。这些探测装备开展水下探测的前提条件是详细了解探测区域的海底地形图。多波束测深系统称为海洋地形探测的主要技术手段，在海洋资源调查和科学研究领域发挥着越来越重要的作用。

虽然世界上有多家公司和科研院所可以提供成熟的系列化深水多波束测深系统，但是随着科学与技术的不断进步，人类对深水多波束测深技术也提出了越来越高的要求。

【作者简介】文/张同伟秦升杰唐嘉陵王向鑫，来自国家深海基地管理中心和青岛海洋科学与技术国家实验室；第一作者张同伟，1983年出生，男，博士，国家深海基地管理中心，副研究员，主要从事载人深潜、水下导航与定位和深海地形地貌测绘研究；本文来自《测绘通报》（2018年5期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。