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海洋占地球总面积约71%，是人类生存与实现可持续发展的重要空间。而海洋科学研究、海洋资源开发、海洋工程建设及海防安全等活动，通常需要准确获取所关注区域内的海底地形地貌信息，以此来作为底层数据支撑。 声学方法是现代海底地形测量的基本方法，早在19世纪人类就已经认识到通过测定海底反射声波的传播时间可得到水深值，但直到20世纪20年代，在电子传感器技术高速发展的基础上，声学测量才取代了传统的铅垂测深法。随着水声学技术、传感器技术、计算机技术等快速发展，近半世纪来，各种声学海底地形探测设备发展迅速，从早期的单波束测深系统发展到集成度更高的多波束测深系统，为我们揭示了小到数米大到几千米的海底地貌形态。其中最具代表性的产品就是多波束测深系统，已经被广泛应用于海洋工程测量、海底资源与环境调查以及海底目标勘测等国防和国民经济建设领域。其中，浅水多波束地形测量主要集中在大陆架浅水区、海岸带地区以及内河河道、湖泊等地区，主要应用于海底管线调查、油田井场调查、滩涂演变分析、航道和锚地工程建设及水利工程建设等项目中。
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一、多波束条带测深系统简介 最初对多波束测深技术的研究可追溯至上世纪60年代美国海军的军事科研项目，世界上首台多波束测深声呐是在回声探测仪的基础上发展起来的，诞生于上世纪70年代。多波束测深技术将以前的点、线探测扩展到面探测，并进一步扩展到三维立体探测，也称之为微地貌测量，从而大大提升了海底地形探测的效率、质量和精细度。 上世纪80年代，国际上条带多波束技术已趋近成熟，该时期分离波束相位差的高精度估计方法和位偏离处理的边缘波束处理等技术的问世，突破了传统技术的瓶颈，促进了多波束大面积扫测水底的可能，见图1。 图1多波束条带测深系统原理示意图 经过近半个世纪的发展，多波束测深技术取得极大进展，其研发和应用都已达到很高的水准。目前世界较先进的主流多波束测深声呐产品主要包括挪威Kongsberg公司的EM系列、德国L3 ELAC公司的SeaBeam系列、丹麦Reson公司的Seabat系列、美国R2Sonic公司的Sonic系列以及德国ATLAS公司的Fansweep系列和Hydrosweep系列等。 然而，多波束系统出厂时只能算是“半成品”，其换能器、定位、定姿装置、操控单元只有和载具完成安装后，才能算是一个完整的系统。波束（Beam）是通过多震源以不同位置和时间序列发射声波（Sounding），利用相位叠加原理形成的，为了精确控制波束指向性，多波束系统需要实时测量换能器附近的水体声速；同时为了使波束稳定地指向海底，减弱船体的晃动对波束的影响，形成均匀整齐的脚印（Footpoint）,实现“稳定测量”，需要实时监测并记录船体的横摇（roll）、纵摇(pitch)、船体起伏(heave)，以及航向（heading），并调整不同位置震源的发射时间；由于入射角越大，在声速界面处声波的折射越明显，所以在作业过程中需要经常量测水体声速来修正其水深数据。 多波束的系统配置为多波束换能器，工控机，定位系统（GPS），定向系统（罗经），姿态传感器（三轴MRU），表面声速计（SVS），声速剖面仪（SVP），并需要实时验潮，多波束系统组成见图2。多波束作业模式同为走航式测量，不同的是在有效解决了声速和运动改正的问题后，可更高效率、全覆盖的进行水底地形精细格网化测量。 图2 多波束条带测深系统主要组成 由此可见多波束条带测深系统所记录的物理量是非常多的，包括：换能器安装姿态校准数据、系统延时、定位导航信息、声源处水体声速、水深剖面声速、信号往返时间、回波信号相位，以及船体的三向运动等，把所有这些值全部输入工控机，才能获得正确的水深数据。 6 l# u* i2 b5 k6 [, F& \" |
二、多波束测深系统的发展趋势 自上世纪80年代，第一套商用多波束测深系统诞生至今，四十年的时间里，多波束测深系统在应用范围、数据采集精度、密度、智能化程度等方面都取得了长足的进步。根据应用场景需求不同，多波束系统从大的应用场景上划分为：浅水多波束（测量范围0～500米）及中、深水多波束（测量范围500～11000米）两大应用方向。 其中浅水多波束测深系统主要服务于近浅海水下测量调查活动，为水下或水上设施设计、规划、建设、运维提供全生命周期测量支持；而深水多波束主要服务于深远海的海底地形测绘、资源调查、深海打捞、科学研究等活动。 由于人类绝大多数经济活动都集中在近海及江河流域，因此水下地形测量需求巨大。经过了40年的发展，算法针对细分的应用场景进行了深度开发，各分系统集成度越来越高，数据处理也更加智能化。从主流浅水多波束产品发展历史来看，可以大致分为三个代际： ⒈一代机：经典硬件架构，细分场景对应细分产品 ⊙应用场景：扫海测绘，航道测量，水下管线调查，海洋工程调查 ⊙典型产品：seabat8000系列 ⊙年代：1980～2000年左右 图3 Seabat8101产品图 图4 Seabat8125产品图 上世纪80年代，在电子技术、水声技术、计算机技术、信号处理技术快速发展的背景下，多波束测深技术开始商业化应用。水下测量调查由传统单波束基础测深模型（“点”成“线”）实现向多波束基础测深模型（“线”成“面”）跨越，形成了第一代比较成熟的多波束产品，它们一般具备以下特点： ⑴根据Mills交叉原理，形成发射换能器和接收换能器垂直排布的经典“T”型阵结构； ⑵换能器工作频率固定，阵型即有弧面阵也有平面阵，在适配高精度测量场景的产品中，一般选用平面阵，主频率400kHz左右，波束角120°，波束开角1°×0.5°，最大波束数量240个；在适配大扫宽测量场景的产品中，一般选择弧面阵，主频率200kHz左右，波束角150°，波束开角1.5°×1.5°，最大波束数量101个； ⑶具备比较完备的波束形成算法，声表面声速改正算法； ⑷第一代浅水多波束产品基本能够满足浅水多波束的扫海测量和工程测量的需求，以“实用”为主，解决了高效率、大覆盖的工程测量问题，但应用场景比较单一，一套设备无法兼顾浅水测量过程中大范围扫海和精细化工程测量的需求。在姿态稳定、数据密度、数据精度、数据质量控制等方面也有待提升，这也为第二代多波束产品的升级提出了迭代方向。 ⒉二代机：更成熟，系统更完整的产品 ⊙应用场景：扫海测绘，航道测量，水下管线调查，海洋工程调查 ⊙典型产品：seabat7000系列 ⊙年代：2005～2014年左右 图5 Seabat7125产品图 第一代浅水多波束的硬件架构基本稳定，在进入21世纪后，面向浅水测量用户更多元的应用需求，第二代浅水多波束产品在第一代产品的基础上，对功能进行了全面升级：主要包括性能更优异的换能器平台，更强大的数据处理能力，更专业的采集导航软件，更智能化的数据质量控制算法等。期间突出研究探测稳定性、探测精度和分辨率的提升技术，而多波束测深声呐技术的研究重点已经由传统常规技术向稳定性好、精度高的方向升级，更加注重追求测量结果的有效性和真实性。这个代级的产品通常具备以下特点： ⑴更大的波束覆盖：在平面阵模式下实现了更大的波束角，一般能够实现140°以上的开角，能够实现6倍左右水深覆盖，在保证测量精度的同时，极大提升了测量效率； ⑵实时横摇稳定功能：可以最大限度的利用条带宽度，减少船只晃动带来的条带波动，见图6； 图6 实时横摇稳定功能减少条带波动实例 ⑶较高的波束个数和更高的Ping率：一般最大波束数量能够达到512个，最高ping率能够达到50Hz，数据密度和测量精细度进一步提升； ⑷波束聚焦技术：能够对条带覆盖下的水下目标区域进行更精细化的测量； ⑸完善的配套采集软件和后处理软件，如Reson公司发布的专用采集软件PDS2000， Caris公司发布的多波束后处理软件。 第二代浅水多波束测深系统更加完备，测量精度和效率大幅提升，能够更好地满足测深需求，极大拓宽了浅水多波束测深系统的使用范围。2006年，哈尔滨工程大学成功研制出了我国第一套便携式高分辨浅水多波束测深声呐，其测深范围1～200米，测深波束256个，波束宽度为1.5°×1.5°，为国产商用浅水多波束拉开了序幕，但是由于硬件换能器工艺和软件算法等限制，目前大部分国产商用多波束系统仍处于二代机水平。 ⒊三代机：一机多能，测量精度更高，适用范围更大的产品 ⊙应用场景：扫海测绘，航道测量，水下管线调查，海洋工程调查，无人化作业 ⊙典型产品：EM2040MKII ⊙年代：2014年～2022年 图7 EM 2040MKII系统图 在第二代成熟浅水多波束测深系统的基础上，国际主流厂商又陆续推出了第三代产品，对于复杂测量场景，大水深测量场景，超浅水测量场景进行了针对性优化，并且在软件算法方智能化方面实现了更新，三代机一般包含以下特点： ⑴在线调频功能：高频宽带换能器技术的突破，宽带变频换能器称为主流配置，一般频率范围在200kHz～400kHz，声兼容性更高，支持实时频率变化，能够提升条带数据质量，提升复杂地形测量的作业时间； ⑵采集数据类型更丰富：包括水体探测（水柱数据）、底反射数据、侧扫数据； ⑶更完善的姿态补偿：在横摇补偿的基础上，实现纵摇实时补偿和艏向补偿，用以优化大水深低ping率测量时，测量船纵摇和艏向变化引起的条带起伏和扭转，提升100m～500m水深测量时的数据精度和测量效率； ⑷智能测量算法：自动量程和参数设置，初步智能化操控（操作更智能，如对底、特殊地形、特殊目标物管线、沉船进行追踪、细致化补点）等。 目前第三代浅水多波束测深系统已经成为了国内外水下测绘装备的主流，近年来，随着国产化产品的快速发展，国内多波束产品快速发展，一些国产品牌技术水平达到了三代机水平，并成功实现了商业化。如：星天海洋研制的GeoBeam2040宽带浅水多波束测深系统（200K～400KHz步进10KHz），具备横摇和纵摇稳定功能，波束开角1°×0.5°，兼具作用距离和精细探测能力。随着国产多波束产品市场占有率提升，用户群体增加，主打性价比和技术服务优势的国产装备将会有更大的作为。 ⒋发展趋势：浅水多波束技术发展展望 海底多种声学特性的一体化探测无疑是当前多波束测深声呐技术的研究热点以及长期的发展趋势，笔者认为，未来浅水多波束设备具备的功能特征应具备以下三个特点：一是集海底地形探测、地貌探测、水体数据采集、底质分类或浅地层剖面数据采集等更多功能于一体，同时进一步实现装备的小型化和集成化；二是通过研究和应用如AI等新技术和新算法（如克服多端传感器数据融合），进一步提高设备精度和分辨率的基础上实现完全智能化操作，一改传统工程师作业模式；三是作业模式改变，或可期待今后采用智能水下机器人进行规模化作业的场景。
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三、多波束的典型应用场景与案例 ⒈水底地形测量 在“江”、“海”、“河”、“湖”的水域及海区的航道、港口、锚地等特殊地带，为查明水下是否存在障碍物并确定船只安全航行深度而进行的扫海测量，如海底面是否存在浅滩、暗礁等特殊地貌有碍航行或影响施工，及是否存在沉船、沉雷、钻井遗留下来的钢管等人工地物等；由于人类海洋活动的增加，这些碍航物对船舶航行安全产生了较大影响，因此需要扫海测量；而航道整治也需要精细化地形测量来支撑，以此来展现需要整治区域出露海底部分的地形模型，为施工决策提供依据。 图8 EM系列多波束测深仪水底沉船扫测 图9 SeaBat T系列三峡水道地形扫测 另一方面，多波束测深系统的出现，为分析海底底质类型分布及水下地物的准确判定提供了可能。如分析裸露管线的走向，依据地貌纹理来判断海底砂质地貌的发育区域，依据目标尺度来判断沉船的吨位，依据形状与尺度来分析海底沉没集装箱的散布位置，依据经过渲染的地形图来分析风电基坑的范围及冲涮情况，等等。未来，作为底层基础数据，多波束测深数据在叠加底质、海流、潮位等数据后，也将为智慧港口系统的创建提供可能。 图10 EM3000 2011年于惠灵顿调查区域多波束反向散射图像及底质采样 图11 EM 2040系列地形测量 ⒉近海工程调查 多波束可对探测物的尺寸、位置和深度等空间信息进行感知，并通过处理将其三维可视化，为海洋工程的规划、设计、施工、监理和后运行期的监管提供支撑。如在油田井场调查中，利用多波束测深系统换能器调整倾角方式进行水下构建物的探测，在距离平台一定距离就可以较为轻松、准确地测出平台的位置以及平台周围和下方的地形，大大降低靠近平台测量所带来的风险；或利用多波束测深系统对已完成安装的风电机组进行运维检测，检查桩基一定范围内的冲淤状况，筛选排查风电机组水下部分的完全隐患，见图12。 图12 SeaBat T系列海上风电桩基扫测 应用浅水多波束测深系统全覆盖、无遗漏的特点，对铺设的海底路由管线进行现状探测，直观获取海底管道可能产生的裸露段位置和悬空高度，为进行冲淤分析及管线的安全运行提供决策依据，见图13。 图13 R2 Sonic水底管线测量 多波束水柱影像携带了波束从换能器到海底的完整信息，利用其可探测从海面至海底的声照射目标，如探测海洋内波、发现活动的热液喷口、准确确定海底突起目标高度，在航道疏浚、海事搜救和海岛礁测量等方面有较大应用价值，见图14。 图14 多波束水柱原始影像 【致谢】本文编写得到了业界多位专家的指导与大力支持，在此深表感谢！ 转自：溪流之海洋人生
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