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张同伟等溪流之海洋人生 2021-10-08

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张同伟^1,2，唐嘉陵¹，李正光¹，齐海滨¹，秦升杰¹，王向鑫¹

1.国家深海基地管理中心；2.青岛海洋科学与技术国家实验室

【摘要】船载低频多波束测深声纳、侧扫声纳可以对深海海底地形地貌进行快速、高效、大面积探测，但其测量精度有限，难以满足深海科学考察、资源勘探开发对高精度海底地形地貌的需求。随着各类大深度水下移动载体（如深海拖体、水下机器人、遥控潜器和载人潜水器）的涌现，特别是各类耐高压测绘声纳的商业化，大深度近海底精细地形地貌探测成为了可能。本文首先分析了多波束测深声纳、侧扫声纳和测深侧扫声纳等三种测绘声纳的基本原理，然后分别介绍了各类测绘声纳的国内外典型商业化产品，并通过典型实例分析了其在大深度近海底精细测绘中的应用情况。

【关键词】地形地貌测绘；水下移动载体；多波束测深声纳；侧扫声纳；测深侧扫声纳

一、引言

海洋科学研究、资源调查等都需要准确地获取所关注区域内的海底地形地貌信息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，成为了海洋研究中的重要问题。

深海海底地形地貌探测主要包括全海深地形探测和近海底微地形探测。全海深地形探测是指利用船载深水多波束测深声纳进行大面积走航式测量，其主要特点是测量范围大、测量速度快、测量效率高，特别适合进行大面积的海底地形探测，但对于深海海底地形地貌的测量精度有限。近海底微地形探测是指利用各类水下移动载体^[1-2]（如声学拖体^[3]、水下机器人^[4]、遥控潜器^[5]和载人潜水器^[6]等）搭载多波束测深声纳^[7-8]、侧扫声纳^[9-12]、测深侧扫声纳^[13-14]等到海底附近进行精细探测^[15-16]。与全海深地形探测相比，它可以获得更加精细的海底微地形^[17]。

本文在简要分析多波束测深声纳、侧扫声纳和测深侧扫声纳等三种测绘声纳基本原理的基础上，重点介绍了各类测绘声纳的国内外典型商业化产品，并通过典型实例分析了其在大深度近海底精细测绘中的应用情况。

二、多波束测深声纳

⒈基本原理

多波束测深声纳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）。在多波束测深声纳中主要有两个待测变量，即斜距或者说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。所有的多波束测深声纳均利用束控法和相干法中的一种或者两种来测定这些变量。目前，采用束控法的多波束厂家主要有：Reson、Kongsberg、ATLAS、L3、R2Sonic；相干法的厂家主要有：Teledyne Benthos、Geoacoustics。

对于数千米甚至上万米的海底地形测绘，可以使用船载深水多波束测深声纳进行大面积走航式测量，获得相对精确的海底地形数据。深水多波束测深声纳的频率一般在十几～几十KHz间，其典型的波束宽度是1°×1°，对应的波束脚印大小为1.75%水深。例如，当水深为5000m时，波束脚印达87.5m。由此可见，船载深水多波束测深声纳无法获得高精度的海底地形数据。水下移动载体，特别是声学拖体、水下机器人、遥控潜器和载人潜水器等技术的快速发展，它们可以搭载更高频的多波束测深声纳深入大洋底部对海底地形进行精细测绘。相应的多波束测深声纳进行了专门的耐压设计，耐压深度可达6000m，甚至更深。

⒉典型产品及其应用

目前，适用于大深度水下移动载体的商业化多波束测深声纳主要包括Kongsberg EM2040、ResonSeaBat 7125/8/T20-S和R2Sonic 2022/4/6等，它们世界各地的不同水下移动载体上得到广泛应用。表1给出了相应的技术指标。

表1 适用于大深度水下移动载体的商业化多波束测深声纳技术对比

品牌型号	Kongsberg EM2040	Reson SeaBat7125	R2Sonic 2024
基本原理	束控法	束控法	束控法
频率范围 ( kHz)	200～400	200～400	170～450
波束角 (200 kHz)	0.4º×0.7º	2.0º×1.0º	0.5º×0.5º
测量水深	600m	500m	400m
最大发射率	50Hz	50Hz	60Hz
测深分辨率	1cm	0.6cm	1.25cm
工作水深	6000m	6000m	6000m

Kongsberg EM 2040多波束测深声纳是全球第一套把深水多波束优点应用到浅水多波束的系统。它包含一个标准的300kHz的发射和接收系统，具备在200kHz到400kHz之间调整工作频率的能力。这也就意味着可以选择较低的频率（200kHz）实现600m的探测距离，或者使用更高的频率（400kHz）实现更高精度的探测。发射和接收换能器阵外壳采用钛合金材质，可以保证高达6000m的耐压，特别适合安装在AUV、ROV等水下移动载体上，进行近海底高精度测绘。

水下移动载体搭载多波束测深声纳进行近海底精细地形探测，特别是要想实现不同测线间的有效拼图，需要同步实现高精度的水下定位。Kongsberg将其HiPAP超短基线和惯性测量单元、多普勒计程仪、深度计等有机结合起来，实现了高精度水下定位，满足EM2040多波束测深声纳对定位精度的要求。CANYON救援型ROV，它搭载了Kongsberg EM2040多波束及Kongsberg水声惯性导航系统。图1给出了EM2040在墨西哥湾海底对人工暗礁的探测结果。在此次测绘过程中，为确保ROV水下作业安全，其距底高度为50m，EM2040提供220m的条带宽度。虽然该探测结果是由几条测线拼接而成，但得益于Kongsberg水声惯性导航系统提供的高精度定位数据，拼图效果非常理想。

图1 CANYON救援型ROV搭载Kongsberg EM2040的探测结果示意图

ResonSeaBat 7125多波束测深声纳具有200kHz和400kHz两个工作频率，以满足不同探测距离和探测精度的需求。发射和接收换能器阵外壳采用钛合金材质，可以保证高达6000m的耐压，并针对深水AUV、ROV等水下移动载体上进行了特殊设计，适合近海底高精度测绘。美国伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）的Alvin HOV、Jason ROV、Sentry AUV，以及美国Bluefin Robotics公司的Bluefin-21 AUV均装备有ResonSeaBat 7125多波束测深声纳。其中Bluefin-21搭载ResonSeaBat 7125 400kHz多波束测深声纳、EdgeTech 2200-M 120/410kHz侧扫声纳和EdgeTech DW-216浅地层剖面仪。Bluefin-21采用超短基线、多普勒计程仪辅助的惯性导航方式，导航精度能够满足多波束、侧扫声纳和浅剖的需求。图2是Bluefin-21在某海域利用ResonSeaBat 7125获得的探测结果。

图2 Bluefin-21 AUV搭载ResonSeaBat 7125的

探测结果

三、侧扫声纳

⒈基本原理

侧扫声纳通过发射声波信号，并接收海底反射的回波信号形成声学图像，以反映海底状况，包括目标物的位置、现状、高度等。与其它海底探测技术相比，侧扫声纳具有形象直观、分辨率高和覆盖范围大等优点。

根据声学换能器阵安装位置的不同，侧扫声纳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，该类侧扫声纳工作频率一般较低（10kHz以下），扫幅较宽。拖体型声学换能器阵安装在拖体内，距离海底仅有几十米，航速较低，获取的侧扫声纳图像质量较高，甚至可分辨出十几厘米的管线和体积很小的油桶等。最近有些深拖型侧扫声纳系统也开始具备高航速的作业能力，10kn航速下依然能获得高清晰度的海底侧扫图像。

侧扫声纳技术有两个发展方向：一个是发展测深侧扫声纳技术，它可以在获得海底地貌的同时获得海底的深度；另一个是发展合成孔径声纳技术，它的横向分辨率理论上等于声纳阵物理长度的一半，不随距离的增加而增大。

⒉典型产品及其应用

目前，适用于大深度水下移动载体的商业化侧扫声纳主要包括Klein 3000、EdgeTech 2200-M和Kongsberg双频模拟侧扫声纳等。表2给出了相应的技术指标。

表2 适用于深海水下移动载体的商业化侧扫声纳

技术对比

品牌

型号

Klein

3000

EdgeTech

2200-M

Kongsberg

双频侧扫声纳

频率

100/500kHz

75/410kHz

120/410kHz

75/120kHz

300/600kHz

114/410kHz

水平波束角

0.7º(100kHz)

0.2º(500 kHz)

0.6º(120kHz)

0.3º(410kHz)

1.0º(114kHz)

0.3º(410kHz)

俯角

向下倾斜

5/10/15/20/25º

向下倾斜

20º

向下倾斜

10º1º

测深

范围

600m(100kHz)

150m(500kHz)

500m(120kHz)

150m(410kHz)

600m(114kHz)

150m(410kHz)

工作

水深

3000m

6000m

2000m

Klein 3000通过新型换能器设计以及新近为Klein多波束聚焦声纳开发的高分辨电路，实现了双频同时作业，代表了数字侧扫声纳成像的最新技术。它具有体积小、重量轻、设计简捷、易于操作和维护等特点，适合安装在AUV、ROV等水下移动载体上。当利用深拖以高达10 kn速度进行拖曳作业时，仍满足IHO及NOAA测量标准。图3给出了拖体型Klein 3000在某海域的探测结果。

图3 深拖型Klein 3000的探测结果

EdgeTech 2200-M是为了安装到AUV、ROV等水下移动载体上而专门设计的。它采用了EdgeTech公司独特的全谱技术（增强Chirp技术），可以是单独的侧扫声纳，也可以是侧扫声纳和浅地层剖面仪的组合系统，耐压深度达到6000m。EdgeTech 22⒉00-M在不同水下移动载体上得到应用，例如COSL EXPLORER AUV搭载EdgeTech 2200-M 75/410 kHz侧扫声纳。COSL EXPLORER AUV采用模块化设计、流线型鱼雷结构，最大工作深度达3000m，能够按照预定任务规划在深海进行测深调查、海底地形地貌调查、浅地层地质结构调查。图4是COSL EXPLORER AUV利用EdgeTech 2200-M在某海域获得的探测结果。

图4 COSL EXPLORER AUV搭载EdgeTech 2200-M的

探测结果

四、测深侧扫声纳

⒈基本原理

为了将侧扫技术和多波束测深技术结合起来，实现海底地貌和海底地形的同步测量，测深侧扫声纳应运而生。测深侧扫声纳技术经历了三个发展阶段，第一阶段的技术为声干涉技术，它的分辨率低；第二阶段的技术为差动相位技术，它的分辨率高，但只能同时测量一个目标，因此不能测量复杂的海底，不能在出现多途信号的情况下工作；第三阶段的技术即为高分辨率三维声成像技术，应用子空间拟合法，它的分辨率高，能同时测量多个目标，可以在复杂的海底和多途信号严重的情况下工作，并能同时获得信号的幅度和相位。

测深侧扫声纳具有体积小、重量轻和功耗低等优点，特别适合安装在水下拖体、水下机器人、遥控潜水器和载人潜水器上，对海底地形地貌进行近底精细测量。

⒉典型产品及其应用

目前，适用于大深度水下移动载体的商业化测深侧扫声纳主要包括中科院声学所HRBSSS、Teledyne Benthos C3D和Kongsberg GeoSwath Plus等。表3给出了相应的技术指标。中国科学院声学研究所研制的高分辨率测深侧扫声纳，能够同时获得高分辨率的海底地形和地貌，适合在大深度海底地形复杂的情况下工作。目前，该HRBSSS已经成功应用于蛟龙号载人潜水器、DTA-6000声学深拖、潜龙一/二号AUV等国内大深度水下运载平台。

表3 适用于大深度水下移动载体的商业化测深侧扫声纳技术对比

品牌型号	中科院声学所 HRBSSS	Teledyne Benthos C3D	Kongsberg GeoSwath Plus
频率	150kHz	200kHz	125～500kHz
覆盖宽度	2×300m(测深) 2×400m(侧扫)	10～12倍水深 (测深) 2×300m(侧扫)	100m(250kHz) 200m(125kHz)
航速	2.5kn	3～5kn	3kn
工作水深	7000m	6000m	4000m

蛟龙号载人深潜器是我国首台自主设计、自主集成研制的作业型深海载人潜水器，设计最大下潜深度为7000米级，也是目前世界上下潜能力最深的作业型载人潜水器。图5给出了某潜次（蛟龙号7000m级海试）高分辨率测深侧扫声纳获得的海底微地形地貌图，地形图的等深线间隔为2m，海底的诸多细节得到了合理展示，侧扫图和地形图相对照，可以获得更多的信息。

（a）微地形图

b）地貌图

图5 蛟龙号高分辨率测深侧扫声纳获得的海底微地形地貌图（7000m级海试）

五、结束语

低频全海深多波束测深声纳可以通过船载走航测量方式对深海海底地形地貌进行快速、高效、大面积的探测，但这种方式的测量精度不高，难以满足深海科学考察、资源勘探开发对高精度海底地形地貌的需求。为此，将声学拖体、水下机器人、遥控潜器和载人潜水器等大深度水下移动载体与多波束测深声纳、侧扫声纳、测深侧扫声纳等高耐压测绘声纳相结合，可以实现大深度近海底精细地形地貌探测。

海洋测绘中的侧扫图和地形图蕴含着不同的信息，两者的相互对照，往往可以获得更多的信息。为了实现对海底地形地貌特征的同步、共点测量，避免多个声学设备异步异地测量造成的数据融合困难，相应的声纳系统应该兼有海底地形和地貌探测功能。目前，国外绝大多数高频多波束测深声纳都具有一定侧扫声纳的功能，每次扫描形成的侧扫点数已达到数千或上万个。与多波束测深声纳不同，测深侧扫声纳是由侧扫声纳发展而来的，它很好的延续了传统侧扫声纳的侧扫功能，同时具备了相应的测深功能，能够实现海底地形、地貌的同步测量。

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【作者简介】第一作者张同伟，1983年出生，男，山东潍坊人，副研究员，博士，主要从事载人深潜和深海地形地貌测绘研究。本文为基金项目，国家自然科学基金（41641049）、青岛海洋科学与技术国家实验室开放基金项目(QNLM2016ORP0406)、山东省自然科学基金（ZR2015EM005）、山东省重点研发计划（2016GSF115006）、青岛市自主创新计划（15-9-1-90-JCH）、泰山学者工程专项（TSPD20161007）。文章来自《海洋测绘》（2018年第5期），版权归《海洋测绘》所有，转载请备注论文作者，说明文章来源，并请备注来自“溪流之海洋人生”微信公众平台。