多波束和声纳在大面积水域中探测水下目标物的组合方法

多波束和声纳在大面积水域中探测水下目标物的组合方法

摘要：侧扫声纳是目前水下探测的一种重要探测工具，有很高的探测效率和分辨率，但是定位精度差；而多波束则以高效率、高精度、高分辨率证明了它的优越性。通过工程实例说明了侧扫声纳和多波束在大面积水域中探测水下目标物的方法，并对两者的扫测结果进行了对比分析。充分利用多波束和声纳的扫测数据结果，可有效增强观测数据的互补性，如此既可以提高工程质量，又可以使扫测结果达到最优。

关键词：侧扫声纳；多波束；水下目标物；精度；分辨率

1 引言

多波束测深系统主要用于水下地形测量，应用这种高新技术，不仅可以获得高精度的水下地形数据，还可以为人们提供直观的水下三维图和类似侧扫声纳的声像图。

侧扫声纳的出现为水下目标物探测提供了完整的水下声学图像，用于获得水下地形形态[1]。侧扫声纳和多波束测深系统都是能够实现全覆盖扫测得探测设备，能够获得几倍于水深的探测范围。在水深测量精度、定位精度、声像图分辨率等方面两者又各有优点。所以在多次的工程实践中，我们发现利用声纳和多波束同时来完成探测工作，可有效增强不同观测数据的互补性，将扫测结果达到最优化，提高工程质量。本文就声纳和多波束探测时的实际效果进行对比分析。

在工作实践中，侧扫声纳采用由美国EdgeTech公司生产的EdgeTech 4200MP 型双频侧扫声纳，该系统将EdgeTech的全频谱和多脉冲技术集成与一体，是高科技数字双模式高分辨率侧扫声纳系统；多波束采用Sionc 2024型测深仪，工作频率为300kHZ，最大量程为500米。波束个数为256个，垂直航迹方向的波束大小为0.5°，沿着航迹方向的波束大小为1.0°。

2 侧扫声纳和多波束的工作原理

这两种设备均是采用向水底发射声波脉冲，并接收声波传至水底目标物后反射和散射的回波，从反射和散射的回波信息中提取我们所需要的几何信息。

（a）多波束设备连接图（b）侧扫声纳设备连接图

图1 多波束和侧扫声纳设备连接示意图

由于它们接收波束的形式不同以及对回波的处理方式的不同，多波束测深仪通过接收回波信号能够实现空间精确定向，利用声波在传播途中所消耗的时间来确定斜距，而每一束波束都有一个固有的波束角，从而确定斜距可以得到精确地

水深信息，绘制水下地形图[2]。侧扫声纳根据水底目标物反射的回波的强度、次数、时间间隔换算到仪器记录器中目标物影像的长短、黑度变化，从而得到水底扫侧声像图，这种声像图只能通过目标的阴影长度等参数来估计目标物的高度和大小，所以要求声像图判读者的经验比较高。

3 两种设备共同扫测

3.1 作业方法

采用的作业方式是：利用单波束对测区进行水深检测，同时使用侧扫声纳对测区进行全覆盖扫测（粗扫），经判读声像图发现可疑水下目标物后，可以粗略确定目标物的性质、大小、范围。然后采用多波束对可疑水下目标物进行加密扫测（精扫）。由于多波束系统中心波束密、脚印小、精度高，边缘波束较疏、脚印大、精度低，所以在多波束扫测时要求船速控制在5节左右，波束开角不应大于130°，扫测结果经过三维可视化处理后可以与声纳扫测判读结果进行对比分析。通过侧扫声纳和多波束在工程项目中组合利用，可以进一步验证水下目标物存在与否，并确定目标物的大小、高度等属性。

在大面积水域的扫测作业中，而又不需要得到全覆盖扫测的水深时，没有必要采用多波束对整个测区进行全覆盖扫测。只需针对声纳扫测发现的可疑水下目标物进行多波束全覆盖扫测即可，这种作业方法即可以提高扫测效率、节约成本、增强两者观测数据的互补性，又可以将扫测结果达到最优、保证扫测质量。

3.2 实例对比分析

在某港口规划锚地扫测中，采用了上述作业方法，在2#规划锚地扫测结果中，对在12米左右的水深所探测到的一系列目标并进行可视化处理后的结果，如图2所示。

（a）声纳扫测影像图（b）多波束扫测图像

图2同一位置水下目标探测实例对比

图2（a）是水下目标物的部分声纳影像图，根据声纳影像图中白色影子的长度和相关资料分析研究，最终确定该目标组为抛泥堆（锚地在原抛泥区旁）。图2（b）是多波束经过可视化处理后得到的三维立体影像图，通过此图可以确定该目标物的顶端标高和位置以及周边水深分布情况。

在该港口5#锚地扫测过程中，在水深25米左右探测到一根废弃的油管，如图3所示。

（a）声纳扫测影像图（b）多波束扫测图像图

图3 同一水下目标探测实例对比

图3中所示的目标物先经声纳扫测判读，同样后经多波束精扫，得到了该目标物的准确位置和目标物顶端标高等几何信息，为锚地建设使用提供了准确的水下信息。

通过以上两组实例对比分析后可以看出，侧扫声纳扫测就如同一台摄影机在水下拍照成像，且影像清晰、分辨率高。而多波束则不同，它要通过构建DTM 数字模型，然后根据DTM数字模型生成三维地貌图，从而能够直观的显示水下地形细微的变化和目标物的形态特征。

3.3 精度

在大面积水下勘测工作中，测量定位一般采用DGPS或者RTK的方式，DGPS 定位精度可以到达亚米级，RTK的定位精度可以达到厘米级。在进行的测量实践中，定位系统均采用Trimble 332型DGPS定位仪，本次使用的多波束系统已通过同步采集DGPS的ZDA（Time and Date）数据和1 PPS（pulsepersecond）数据，将多波束系统时间同步到DGPS内部时钟，确保了多波束测深系统的测深与定位时间同步，因此说多波束测得水下目标物的定位及测深精度很高。同时为了提高侧扫声纳的目标物定位精度，测量前反复量取Layback值，尽量缩小拖鱼和定位仪之间的距离偏差。

另外，在多波束测量船上安装了高精度的OCTANS光线罗经（集姿态和罗经与一体），它可以随时矫正船姿，并经过声速、潮汐和测深杆吃水的改正，可获的精确地水深数据；而侧扫声纳在水下受船速、航向、流速和流向的影响很大，且不能进行潮汐的改正，故无法获取高精度的水深数据。

从多次扫测结果表明：多波束的定位和测深精度均要高于侧扫声纳。

4 结束语

通过上述对比分析，可以看出多波束在测量过程中定位精度高、分辨率高、测深精度高、可视化程度强，但其工作效率和适用的范围不如侧扫声纳广泛；侧扫声纳在扫测工作中虽然定位精度不高、容易受外界因素影响，但是其距水底的高度容易控制、具有很高的分辨率、扫测宽度比较宽，且能够区分目标物的底质特征。有上可见，侧扫声纳和多波束具有很好的互补性，既可以提高工程质量和效率，又可以将扫测结果达到最优。

在小面积水域测量中，利用多波束进行全覆盖扫测，就可以得到精确的水深数据，测量成本也不会太高；而对于大面积水域域扫测时，建议采用本文的扫测方法可以很大程度的显现侧扫声纳的优势，并可以节约成本、提高工作效率和质