 一、引言  作为人类生存发展的重要空间，相对于陆地而言，海洋蕴藏着人类可持续发展的重要资源。随着社会经济的发展，海洋的价值也越来越被人类重视。充分提高海洋资源开发能力建设水平，通过海洋开发带动海洋经济，扩展国家战略资源储备和战略空间，也成为了我国的海洋强国战略目标。 在海洋开发活动中，调查海底地形有着举足轻重的意义。海洋地形测量是人类了解海洋的核心内容，只有掌握了相关海域的水深、地貌、水文信息等，海洋工程项目才能得以实施。传统海洋地物地貌扫测中较为常用的仪器多为多波束测深系统与侧扫声呐系统，其中多波束测深系统通过测量高精度海底水深进而反演海底地形地貌，但图像分辨率较差；相对而言传统侧扫声呐系统则具有扫测范围广、作业效率高，采集数据密度大，能获得高分辨率的海底影像等优势，但同时传统侧扫声呐由于安装方式等原因其也具有水下定位精度低，只能获得2D影像等不足。针对多波束与侧扫声呐的特点，海测仪器科研工作者结合两者长处研制出相干声呐系统，其在保证水深数据精度的同时，还能采集更多的水深数据从而得到清晰的地貌影像；同时由于采用V型换能器安装方式，相干声呐能够达到侧扫声呐的扫宽。而相干声呐的安装方式也导致仪器下方存在测量盲区的问题，在测量过程中随着船舶横摇该盲区影响会加剧。 近几年三维侧扫声呐被广泛推广应用，在克服相干声呐一些不足的同时，很好地将多波束测深系统与传统侧扫声呐系统的优点融为一体投入到了海洋测绘生产中。其即能获得高精度高分辨率大范围的三维海底影像，同时还能获取实时水深数据，极大地提高了海洋测绘生产效率，提升了成果数据质量。 本文以3DSS-iDX-450三维侧扫声呐系统为例，通过介绍其原理特点来分析三维侧扫声呐在海洋测绘中的应用效果和在未来生产中的应用展望。 二、系统简介 ⒈系统组成 3DSS-iDX-450三维侧扫声呐系统包含水下声呐头（内置了实时高精度声速探头及SBG Ellipse2-E高精度GNSS辅助姿态传感器）、SIU甲板单元（集成双天线RTK GNSS接收机）等。声呐头工作温度为0℃～40℃，耐压深度为5m以浅。除应用系统内置的RTK GNSS与SBG Ellipse2-E姿态传感器外，该设备还可外接GPS与提供TSS1数据格式的姿态传感器。系统整体结构设计紧凑、集成度高、低功耗、体积小、重量轻，安装方便。 ⒉工作原理 3DSS-iDX-450三维侧扫声呐系统采用多回波角信号检测电子波束专利技术及多到达角矩阵解算即时成像方法（CAATI）专利算法，它是对“相干声呐”技术的扩充。 相干声呐一般由2个换能器组成，通过发射一个宽角度波束，用2个换能器接收返回的波束信号，根据二个换能器接收信号的相位（时间）差从中央开始向边缘推算角度位置和水深，但该方式对于同时到达的回波无法分辨角度。如图1所示：  图1 相干声呐测量方式的原理 CAATI技术采用N个独立基元，不依赖于相位差来求解到达角，在每个采样时间每个基元均可接收从水面到海底（全水柱）的多个回波源的信号，直接利用相位和振幅实时解算每个回波源的距离、角度和回波强度，采样间隔可达1.3cm，从而得到全水柱范围的3D侧扫和测深数据，能实现即时成像的效果，如图2所示。  图2 CAATI技术成像原理 CAATI技术可很好地解决水下声波多途径影响，减少水深测量时的跳变和不确定度，从而可有效扩展测深条带宽度。在诸如浅水等多路径环境以及具有垂直几何形状或水柱目标的环境中，这种算法益处尤其显著。 ⒊系统功能 3DSS-iDX-450三维侧扫声呐系统换能器的发射角度与波束宽度均可调，其中发射角度调节范围以仪器发射角度0°为参考，调节范围在DOWN45°至UP45°之间；波束宽度调节范围在19°至125°之间。灵活的参数调节性能使其更能适应不同情况的测量环境，甚至可达到全空间点云扫测。在控制软件里可分别设置左右换能器参数，即左、右二个换能器可分别独立工作，见图3。  图3 换能器发射波束角度示意图 3DSS-iDX-450三维侧扫声呐系统的特点是一台声呐一次测量，同时获得四种成果（如图4，从上至下从左至右依次为水深数据、二维侧扫影像、三维实时扫测影像、目标影像）。  图4 三维侧扫声呐采集界面 二维侧扫模式中可获取高达20倍水深覆盖的侧扫影像，通常可以扩展到每侧180m以上。三维侧扫模式中，声呐通过CAATI算法，在每个采样时间点计算多达4个到达角，可以提供高达14倍水深覆盖的全水柱3D点云数据，除了提供干涉测量无法实现的3D点云数据外，CAATI算法还可以减少测深误差和不确定性，在指定的误差要求例如IHO特级标准下，可以达到更大的条带覆盖宽度。 水深采集模式中3DSS-iDX-450三维侧扫声呐系统独特的HYBRID是一种水深点等距和等角分布相结合的模式，其具有最宽标称16倍水深的超宽水深条带覆盖及最高1440点多波束条带水深数据，测深效率远远大于传统多波束测深仪。对于一般水深条带，它具有等距分布模式的所有优点，而对于包含从水面到水底的直立物体的环境，它又具有等角模分布的优点。在HYBRID模式中等距波束形成到ED扇区，在EA和ED扇区之间形成等角波束，这样设置能够确保整个水柱都被覆盖到，如图5所示。  图5 HYBRID模式显示界面 测量中实际覆盖宽度取决于几个因素，包括测区实际水深、3D侧扫或水深测量的不确定性、海底几何形状（例如坡度）以及海底类型和散射条件（例如沙粒、泥浆和沙砾）等。 三、海上探测性能测试  根据中心质量管理体系及相关规范的要求，在三维侧扫声呐投入生产前需对其进行海上性能测试，分别包括稳定性试验、水深测量符合性测试、障碍物探测能力测试。 ⒈稳定性试验 本次试验中将该设备使用专用安装架固定安装在测量船舷侧，量取安装参数，将测量船停泊在一处水深大于5m的安静码头水域，将检查板悬挂在换能器下方5m深度的位置，连续开机采集8小时以上，以中央波束为准测试该设备在静态环境下的仪器稳定性。所测结果显示，仪器数采时数据正常连续，数据后处理所得结果准确，经统计分析稳定性试验结果最大偏差0.03m，中误差0.02m，仪器稳定性满足规范要求。 ⒉水深符合性测试 为检测三维侧扫声呐的水深测量精度指标，在北方某港口主航道北侧选取一处区域500m×500m范围内进行测试，测试区域北部为水深6m左右的平坦区域，南部为水深22m左右的平坦范围内区域，中部为落差16m左右的航道边坡，以检测该设备在不同水深情况下的探测能力。根据测区水深设计计划测线，使用三维侧扫声呐垂直于主测线设计检查线，为保证测量精度检查线测量模式采用默认参数（波束宽度55°/发射角度Down10°）；主测线分别采用不同测量模式、不同船速等不同设置进行测量。在对采集数据先后进行数据滤波、声速改正、潮位改正、姿态改正及静动吃水改正等一系列必要处理后，最终输出水深数据。对水深结果分别进行内符合和外符合检查比对，其中内符合使用主测线和检查线数据进行比对，外符合使用主测线与该区域已测历史数据进行比对。 本次测量模式分别采用默认参数（波束宽度55°/发射角度Down10°）、自定义参数（波束宽度90°/发射角度Down10°）及保证双探头正下方全覆盖时的三组参数（波束宽度55°/发射角度Down45°、波束宽度90°/发射角度Down30°、波束宽度125°/发射角度Down10°）进行测量；测量船速分别按照4.5～5.5节（常规测量船速）、8～9节（快速）采集数据，测试三维侧扫声呐数据采集质量。 采用三维侧扫声呐内置SBG姿态仪，双天线GPS，船速4.5～5.5节时各采集参数比对结果如下： 表1 波束宽度55°/发射角度Down10°符合性比对统计
表2 波束宽度90°/发射角度Down10°符合性比对统计
表3 波束宽度55°/发射角度Down45°符合性比对统计
表4 波束宽度90°/发射角度Down30°符合性比对统计
表5 波束宽度125°/发射角度Down10°符合性比对统计
以上各个设置参数的符合性比对结果均满足规范要求。其中参数为波束宽度55°/发射角度Down10°时数据质量优于其他参数，推荐使用该采集参数。数据效果见图6：
图6 波束宽度55°/发射角度Down10°数据效果 采用三维侧扫声呐内置SBG姿态仪，双天线GPS，船速8～9节时数据质量均较差，条带数据边缘发散严重，建议使用中合理控制船速。 图7 船速8～9节时数据边缘发散严重 ⒊障碍物探测能力测试 为检查该设备的三维侧扫声呐功能对海底障碍物的探测能力，在测试区域图载沉船水域处进行了测试，使用该仪器对其附近水域进行了全覆盖扫测，测得较为清晰的海底沉船三维影像，见图8。经数据处理新测最浅点位置及水深与原图载信息一致。 图8 沉船现场影像 在测试区域北侧自然水深16m处附近抛设一约1立方m的塑料水箱作为海底目标，测得较为清晰的海底三维影像，见图9。 图9 1立方m水箱现场扫测影像 在该港口主航道对一处浮鼓（冬季标）附近进行了测量，可清晰显示鼓链影像（图10）。 图10 浮鼓鼓链扫测影像 通过对多个海底目标物测量的整个过程和数据分析看，三维侧扫声呐的海底障碍物探测能力符合规范要求，可满足外业测量生产所需。 四、生产应用 ⒈沉船扫测 在沉船应急抢险任务中需要测量人员快速响应、高效施测，传统扫测多采用侧扫声呐与多波束相结合的作业方式，即先采用侧扫声呐粗扫的方式确定沉船概位，再用多波束测定其准确位置及浅点水深，该方式在设备安装、数据处理环节存在作业效率低的问题。而三维侧扫声呐将两者特点集为一体，一次安装测量即可达到扫测目的。 在黄海水域某沉船应急扫测任务中，3DSS-iDX-450系统采集的二维声呐图像与三维扫测成果清晰可靠，见图11。且通过此套设备作业现场即刻能准确得到沉船在海底的位置、姿态、船型大小和该区域粗略水深，极大地提高了抢险作业效率。经数据比对，该沉船与目标沉船特征一致，信息吻合。 图11 二维与三维沉船声呐影像 ⒉浅水区域作业 某河流水域浅滩处水深在3～7m左右，应用3DSS-iDX-450系统对浅滩区域进行全覆盖扫测，相比于多波束作业方式，其超宽的水深覆盖宽度，极大地提高了作业效率。（如图12所示，4m多水深处，有效覆盖宽度可达到50m左右） 图12 浅滩处水深实时采集界面 ⒊水上构筑物扫测作业 在西部某库区坝体扫测任务中3DSS-iDX-450系统安装于小型船舶，扫测结果清晰直观的体现了坝前的水下三维地形，见图13。 图13 坝体水下三维地形 五、设备使用经验及建议 ⑴3DSS-iDX-450系统通过海上实际作业，实用性很强，优势突出。但在多次测量过程看，该设备作业性能与其标称参数还存在一定的出入，主要表现在水深转换方面，厂家标称水深采集宽度可达16倍水深覆盖，但在实际Caris软件后处理时发现最大有效水深宽度通常维持在10～12倍水深左右，故在水深采集模块最大覆盖宽度设置在10～12倍即可。 ⑵在CARIS的船配置文件中必须设置两个倾斜的换能器，第二个换能器的开始波束号必须设置为一个较大的数，例如5000。 在HIPS船文件中，对两个换能器的ROLL值必须按下列方式设置： Port：+70°roll(SVP 1)；Starboard:-70°roll(SVP 2)。 垂直船中轴的X方向的换能器偏移为： Port：-4cm(Transducer 1)；Starboard:+4cm(Transducer 2)。 ⑶厂家自带后处理软件存在bug，经多次测试只有在未安装3dss-dx-control-0.3.357的计算机上使用3dss-xtf-converter-1.0.146转换出的XTF数据才可正常导入Caris。否则转出的数据不可用。 六、应用展望 3DSS-iDX-450三维侧扫声呐系统集侧扫声呐与测深仪功能于一体，相较于传统侧扫声呐和多波束而言，该套设备具有轻便灵活、作业效率高、扫测成果直观清晰的特点，同时超宽的水深覆盖宽度、灵活的波束参数调节功能使其可适应多种测量环境。 在航路扫测中若单独应用多波束或者侧扫声呐扫测，测线间距相对会较小，导致扫测效率降低；多波束+侧扫声呐的扫测方式，则需投入较大的人力物力，提高作业成本。而三维侧扫声呐的特点使其能满足航路扫测要求，并能较大的提高作业效率，降低生产成本。 该设备简易轻便，在未来应用中可与无人船搭载组合，快速高效地完成各种甚至传统测量船都无法完成的任务，比如浅滩区域、流速流向复杂多变区域、大桥等水上构筑物需全3D扫描区域，此种测量方式可以最大限度地规避人员安全隐患，大大提海洋测绘的机动性和效率。 1 END 1 【作者简介】文/刘晓金 张媛，来自天津海事测绘中心。刘晓金，男，1988年出生，本科，工程师，主要从事海洋测绘研究；张媛，女，1984年出生，本科，经济师，主要从事水文技术和水深测量技术研究。文章来自《海洋信息》（2021年第3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，本文转载已取得作者授权。 |
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