侧扫声呐技术及其在海洋测绘中的应用探讨

侧扫声呐技术及其在海洋测绘中的应用探讨作者：徐乐王艺聪

来源：《中小企业管理与科技·中旬刊》2017年第12期

【摘要】随着科学技术的不断发展，海洋测绘领域掀起了新的技术应用热潮，高分辨率测深侧扫声纳技术便是其中一种，其不仅成本低、易操作，且安装方便。因此，被广泛应用于海洋测绘事业。为了对侧扫声呐技术及其在海洋测绘中的应用进行研究，论文通过概述侧扫声呐与海洋测绘的概念与特点，分析了侧扫声呐的工作原理、主要误差源以及侧扫声呐的数据处理与参数校准。

【Abstract】With the continuous development of science and technology， the field of marine surveying and mapping has set off a new wave of technological applications. One of them is high resolution bathymetric side-scan sonar technology， it is not only low cost， easy to operate， but also easy to install. Therefore， it is widely used in marine surveying and mapping. In order to study the side-scan sonar technology and its application in oceanographic mapping. By summarizing the concept and characteristics of side-scan sonar and ocean surveying and mapping， the working principle， main error sources， data processing and parameter calibration of side-scan sonar are analyzed in this paper.

【关键词】侧扫声呐技术；海洋测绘；参数校准

【Keywords】side-scan sonar technology； marine surveying and mapping； parameter calibration

【中图分类号】TB2 【文献标志码】B 【文章编号】1673-1069（2017）12-0150-02

1 引言

随着科学技术发展与工业化建设的不断加快，很多具有自主知识产权的海洋测绘设备应运而生，且现阶段的海洋测绘设备已经基本实现了自动化。侧扫声呐技术作为一种新型海洋测绘技术，也是现代化海洋测绘技术的典型代表。基于此，论文对侧扫声呐技术及在海洋测绘中的应用进行探讨。

2 概念阐述

2.1 侧扫声呐的概念与优点

侧扫声呐又称海底地貌仪，其本质即借助回声测深原理，对海底的地貌以及水下物体设备进行探测，其工作频率一般处在几十千赫与几百千赫之间，而其测绘仪器的有效作用范围在300米至600米之间。侧扫声呐在进行近程探测的过程中，仪器具有较高的分辨率。而用于深

海地质探测的侧扫声呐仪器的工作频率，达到了几千赫，其探测距离能够达到20公里左右。侧扫声呐的换能器阵位于拖拽体或者船壳之内，在走航的过程中朝两侧的下方发生声脉冲，一般情况下声脉冲为扇形的波束。侧扫声呐能够利用声波，对海面、海底、水体的介质性质以及声学结构进行探测，其主要组成部分包括数据的显示与记录单元、数据的传输单元、水下声波发射器、拖拽电缆以及接收换能器。

侧扫声呐的优点主要体现在以下三方面：①可以利用海底回波强度信息，对海底介质的组成情况进行定性的分析；②具有较高的横向分辨率，可以获得分辨率较高的、二维的海底地貌图；③安装便捷、难度低，且成本低廉。但是，侧扫声呐也存在明显的缺点，即无法获得直观的、三维的地形图，海底深度测量的精度也比较低。

2.2 海洋测绘概念与特点

海洋测绘指的是将海底或者海洋水体作为研究对象，开展的一系列测量以及海图编制的工作。海洋测绘既是测绘这一学科的重要组成部分，同时也是一门综合性学科，涉及很多相关学科知识。海洋测绘的基本方法包括两种，其一路线测量也称剖面测量，主要应用于测量海区的地质构造以及地球物理场的特征；其二面积测量，即根据设计的成图比例尺，布置一定距离的测线网进行测量。海洋测绘的主要测绘对象是海洋，而海洋与陆地最大的不同，即海洋的底部之上覆盖着一层富含各种无机物与生物的水体，这一水体使得海洋测绘相比于陆地测绘，具有如下特点：①海洋测绘只能通常在飞行或者海面航行中进行，而水下开展测绘的难度较大；②海洋测绘的主要测量内容包括海底地貌、沉船以及礁石等。虽然海底地貌相对简单，但相比于陆地测绘，海洋测绘的难度更大。

3 侧扫声呐的工作原理以及主要误差源

论文以侧扫声呐HRBSSS为例，对侧扫声呐的工作原理以及主要误差源进行研究。侧扫声呐HRBSSS是一种高分辨测深系统，不仅分辨率较高，且功耗低、体积小，主要应用于水下机器人、拖拽体等载体上，用来探测水下目标以及海洋开发、海洋工程建设、海洋矿产资源的开发等行业。

3.1 侧扫声呐的工作原理

侧扫声呐HRBSSS系统的工作原理详见图1。该系统的声呐阵置于载体的两侧，载体的每一侧均由发射线阵与接收线阵构成。工作过程中，首先由载体两侧的发射阵发射声波信号，信号经由海底散射之后，由接收阵负责接收回波信号。之后，根据采样点的时刻，通过相应计算得出信号传播时延，再根据通道接收数据的空间关系，对波达方向进行估计，在此基础上，通过对回波入射角、申诉以及时延进行计算，得出测深点与载体之间的深度、水平距离。最后，根据载体的实际定位与相关数据，计算得出测深点的经纬度。

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图1 侧扫声呐HRBSSS系统工作原理图

3.2 侧扫声呐的主要误差源

侧扫声呐HRBSSS系统的主要误差源分为以下几种：其一，换能器阵幅相误差；其二，姿态传感器输出存在延迟，以及姿态传感器与换能器阵二者之间的相对角度与相对高度存在误差；其三，换能器阵与深度传感器之间存在相对高度的偏差；表面声速与声速的剖面误差；其四，定位数据存在偏差、信号处理方法导致的误差；最后，换能器阵与定位系统之间相对位置存在偏差。其中，声速误差、幅相误差、定位误差以及姿态内误差，是测深结果准确性的主要影响因素，一般情况下，需要对上述误差进行主要校准。

4 侧扫声呐的数据处理以及偏差的校准

由于侧扫声呐HRBSSS系统存在一定的测深误差，故在测绘工作完成之后，需要对系统偏差进行校准。初始阶段的测量与标定工作主要包括以下几方面：第一，准确标定出换能器存在的幅相误差，同时对定位系统、深度传感器以及姿态传感器相对于换能器阵的位置数据进行分析，包括换能器阵的安装角度。第二，通过相应的处理程度以及示波器，对声呐频率参数是否与最先预想的相同，进行判断。第三，静态采集定位数据信息，找准定位精度。在此基础上，需要在一块试验海区内，进行近期海面表面声速以及声速剖面的测量，同时完成多组校准参数需要的测线，主要包括具有明显坡度区域的两条重合反向测线，这一测线主要用于pitch 偏差的校准工作；平坦区域与轨迹平行的S形测线，这一测线主要用于roll偏差的校准；平坦区域十字测线，这一测线主要用于幅相误差的校准工作；具有突出的、孤立的、标志物区域平行反向测线，这一测线主要用于heading偏差的校准工作。由于多种客观存在的参数误差的相互作用，故侧扫声呐HRBSSS系统在进行偏差校准时，需要采用循环校准策略，校准工作需要持续到各项参数的校准量均收敛到某一个值为止，这时便认为得到了合理的校准结果。在校准工作完成后，需要利用校准量对各项参数进行修正，进而获得较为理想、准确的测深结果。通过实际应用研究发现，侧扫声呐HRBSSS系统具有较高的可应用性，不仅测绘覆盖面广，测绘精度相对准确，并且操作简单、方便，值得广泛应用。

5 结语

海洋测绘是一项关系着社会经济发展的重要工作。随着经济全球化发展进程的不断加快，国际竞争愈发激烈，这种情况下，行业测绘事业成了国家经济发展的重要推进内容。侧扫声呐技术作为一种新型的测绘技术，不仅操作简便、成本低廉，且具有较强的时代性，是我国科学技术与社会进步的一种具体体现，将其应用于海洋测绘事业中，有利于进一步促进海洋事业的发展。论文从侧扫声呐以及海洋测绘的概念与特点入手，以HRBSSS系统为例，对侧扫声呐的工作原理以及主要误差源进行综合分析，在此基础上，深入研究了侧扫声呐的数据处理以及偏差的校准工作，以期进一步提高侧扫声呐技术在海洋测绘事业中的应用水平，进而推动我国海洋测绘领域的全面发展。