多波束和侧扫声纳系统在海底目标探测中的应用

多波束和侧扫声纳系统在海底目标探测

中的应用

摘要：随着我国海洋资源的日益开发，海底目标的探测变得尤为重要。本文

介绍了多波束和侧扫声纳系统在海底目标探测中的应用，主要包括测量原理、系

统组成和关键技术。以南海某海域为例，采用多波束系统探测了海底目标的几何

形态、面积、体积、深度等信息，并用侧扫声纳系统获取了目标的声学图像，对

两种方式获取的数据进行了比较分析，探讨了多波束和侧扫声纳系统在海底目标

探测中的优缺点。结果表明：侧扫声纳系统更适合于海底目标探测，但侧扫声纳

系统在浅海环境下的探测深度和分辨率远不及多波束系统；多波束声呐系统可以

对海底目标进行三维立体成像，但存在一定的测量盲区。

关键词：多波束；侧扫声纳；数据处理；海底目标

引言：多波束和侧扫声纳系统作为目前最常用的声呐设备，具有探测精度高、工作效率高、探测范围广、可多方位同时探测等优点，已广泛应用于海洋调查、

海洋测绘、海洋环境监测等领域。根据测量目的不同，多波束系统主要分为全波

束声呐和侧扫声呐两类。侧扫声呐系统工作时由侧扫声纳探头从海底发射声波，

到达海底后通过换能器接收声波信号，并通过图像处理方法得到海底目标的三维

成像信息。全波束声呐系统则可以同时探测多个目标。

一、海底目标探测方法

在水下目标探测中，通常使用换能器、多波束和侧扫声纳等设备，其中多波

束声纳可同时探测多个目标，它通过发射和接收多个波束信号进行数据采集，并

对目标进行三维成像。侧扫声纳是利用海底的回波信号进行目标探测，它能实现

对海底地形地貌的高分辨率和高精度探测。

在实际工程中，根据海底目标的特点，通常会采用多种方法综合应用于海底

目标探测。先用侧扫声纳对海底区域进行扫描测量，然后利用多波束声纳系统获

取多个波束的三维数据。数据处理后得到的数据文件包括原始数据文件、高精度航迹文件、坐标系文件和测深图像文件等。

在实际工程中，通常利用多波束系统获取某一区域的多个波束数据点，然后通过计算机软件处理得到海底地形地貌和海底目标的三维图像。该方法具有一定的通用性，可适用于各种类型的海底目标探测。

二、测量原理

多波束声呐系统通过接收海底地形的反射信号来确定目标的位置和大小，利用换能器接收到的回波信号通过一定的算法获得海底地形表面起伏的强度，从而计算出目标的位置和形状等信息。多波束声呐系统通常采用三角形阵列来接收回波信号，由于海底地形起伏的影响，每一个波束都需要在一定范围内进行多次扫描，通过不断改变波束指向和方位角来获得不同方位的声呐图像。侧扫声纳系统是一种以侧扫式为主要特点的主动声纳，通过发射换能器向海底发射声波，当声波遇到海底反射后被海底地形反射回来，在接收端进行信号处理后可获得不同深度和不同方位的图像。

三、测量过程

3.1测线布置

多波束声纳系统与侧扫声纳系统相结合的海底地形探测方法，主要是基于海底地形起伏的测量，使用高精度测线，通过沿测线布置多波束阵列的方式来探测海底目标。测线布置主要包括测线长度、布置位置以及水深测量。其中，测线长度主要是根据测区范围以及设备特点而确定，测线布置位置则根据海底地形起伏而定。根据测区范围的大小，在距离海底3~5m的海底安装多波束阵列，为了获得较高的测量精度，需要将阵列沿岸线布置。测线布设位置是通过 GPS测量得到海底地形起伏的初始坐标，然后再将该坐标投影到水下地形上。测线间距根据多波束系统的功能需要而定，一般不小于10m。如果需要得到比较精确的目标位置和形状等信息，则需要在多个方向布置多个测线。对于侧扫声纳系统而言，由于其主要工作原理是利用声波来实现对海底地形的探测，因此测线间距可根据实际情况而定。

3.2测线数据处理

多波束声呐系统在测量过程中，由于多波束换能器的工作强度比较大，在测量过程中存在大量的噪声，噪声对测量结果的影响较大，在海底目标探测时需要对原始数据进行噪声处理。

首先对多波束系统采集到的原始数据进行预处理，然后将得到的数据进行平滑滤波。当处理后的数据包含较多噪声时，需要对这些噪声进行处理。常用的方法有统计滤波、中值滤波等。中值滤波是一种简单而有效的方法，能够在较大程度上滤除噪声对图像质量影响较大的区域。因此，通常采用中值滤波来获得高质量的海底图像。在实际生产中，中值滤波只是一种简单而有效的方法，其算法相对较为简单，容易实现。

除了对原始数据进行滤波外，还需对多波束声呐系统采集到的数据进行拼接处理。拼接处理是将同一时间、不同位置采集到的多条声呐数据进行处理，以得到同一目标在不同时间、不同位置的图像。拼接方法有线性拼接法和三角形拼接法等。

3.3数据处理结果

数据处理结果包括海底地形起伏和目标位置。其中，海底地形起伏通过反演得到海底表面的起伏情况，将其作为海底目标的位置信息；海底地形起伏通过反演获得的海底表面的起伏情况作为目标的形状信息。上述两种信息都是通过多波束系统、侧扫声纳系统获取，然后利用各自的数据处理软件进行处理后获得的。

其中，多波束声呐系统是利用换能器接收到的回波信号来确定海底地形起伏和目标位置，需要对采集到的回波信号进行一定的处理才能获得不同深度和不同方位的图像；侧扫声纳系统是利用发射换能器向海底发射声波，然后反射回波信号来确定海底地形起伏和目标位置，需要对采集到的回波信号进行一定的处理才能获得不同深度和不同方位的图像。经过上述处理后得到的图像通过后处理软件进行拼接、图像增强和滤波等操作得到最终结果。

3.4系统组成

多波束声呐系统由多个主波束组成，每个主波束中包含一个固定波束阵和若

干个移动波束阵，方向和角度可根据需要进行调整，通过多个主、移动波束阵可

实现多波束测量。多波束声呐系统主要由以下部分组成：

1.测量船：通常选用无人驾驶的拖曳式测量船，其主要功能是搭载多波束系

统并进行水上测量，同时可以为平台提供支持和保障。在测量过程中，由于平台

需要在海底作业，因此需要配备高性能的拖曳设备。

2.海底观测台站：在多个波束之间安装海底观测台站，为数据的获取提供连续、稳定的环境保障。

3.控制站：包括控制计算机、导航定位系统和通信系统等，负责控制整个多

波束系统的运行以及与外界的通信联络。

4.测深仪：测量水深用的高精度测深仪，其主要功能是将探测区域内的水深

数据转化为数字信息并进行存储、分析和显示。

5.数据采集和处理设备：包括多波束声呐、移动波束阵、海底观测台站、海

底地形数据采集设备和信号传输设备等。

6.数据处理软件：对采集到的原始数据进行处理，并根据多波束测量原理和

要求对多波束图像进行匹配、目标识别和参数提取等处理。

侧扫声纳系统由侧扫换能器和数据处理软件组成。侧扫声呐系统可以采用单

侧扫查和双侧扫查两种方式，单侧扫查是在船边侧扫声纳系统中安装1台侧扫换

能器，在船尾安装1台多波束声呐系统，由2套系统共同进行侧扫探测。本工程

采用的是双侧扫查方式。

对该海域的海底进行测量时，为了保证数据采集的连续性，同时选择了双船

同步作业的方式。由2艘船在同一时间内同时开展测量作业。同时为提高数据采

集效率和避免数据之间相互干扰，在两艘船之间分别安装了一个多波束声呐系统。

四、关键技术