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一、引言
/ y! Z* W( y& o) _: }" Q6 m 地球海洋资源较陆地资源丰富，而如今人类对于海洋勘测和开发的部分微乎其微，在海洋开发活动中，测绘人员对海底地貌测量更应为人类对海洋开发打牢基础。海洋测量已经成为人们认识海洋的核心内容，只有掌握好有关区域的海洋水深、地形、水文资料等各项信息，才能为海洋测绘工程的开展取得良好的作用。侧扫声呐是目前海洋测量中的常用仪器，但该仪器存在矛盾问题，导致作业成本与作业效率不可共存，所以在此基础上需要将其优化，以满足测绘人员顺利开展海洋项目的需求。 i# a& d) Z9 ], ~* M/ V# i9 K
二、侧扫声呐 6 I: X7 z2 O* D( @5 I: [. f* o
⒈侧扫声呐构成 . Q5 j9 ]1 Z8 W2 e8 u. n& c
侧扫声呐是一项深海检测设备，主要由声音信息显示和录像模块、传输和拖拽电缆、水下声发射与吸收换能器等构成。通过两侧方位所发出的声音来探知水底、海面、附近水域的声学特征及其介质特征，同时通过对水底表面材料的光散射性质特征进行评估，能够更精确地鉴定物体形态性质以及沉积特征。在作业中，侧扫声呐向两侧方向发射较宽角度的声波束，并根据海底地物所反馈的信息进行成像。其声波束平面为垂直导航目标方向，在水平航道方位上通常有狭窄的束宽度以保持高分辨率，而在垂直航道方位的则有较宽阔的束宽度，以保持相应的数码扫描宽度。在记录条纸上所表现出的目标图像中，回波信号数量较多的目标图像通常会呈现较深调，而声波照射量不足的目标影区图像则会呈现较浅色调。因此，通过影区信息也就能够预测目标位置。此外，根据需要可选择1kHz至1MHz不同频率的发射波束以达到最佳效果。侧扫声呐是一种非常先进的海洋探测装置，能够准确地识别物体形态特征或沉积属性，它在深入了解海底环境、探索生命及资源分布等领域都具有重要意义。  / n+ B) Z% T" B* ^
侧扫声呐工作示意图，图片来自网络
& ~# ^, r% @& q9 C ⒉侧扫声呐的工作过程
' p; s: G, f4 s* Y0 E$ [( @ 侧扫声呐能够使用发射持续时间小于一微秒的声脉冲，来侦察附近海洋中的物体。而对于深海地质研究，远程侧扫声呐通常都会采用数千赫的运行频率，来实现远超过二十公里的侦察距离。当为了迅速实现大面积测量时，该仪器往往还会使用微处理机来校准声速、斜距，以及拖行体远距海底标高等参数，以便获得无畸变的校正图形。而这些图像在拼接之后就可以获得更为精确的水底地形图。同时，还能够确定出不同地质。特别值得一提的是，通过采用数字信号处理技术所获得的小视野放大图像，还能够帮助人类更加清晰地确定目标物体的细节特征，从而实现精确的测量和分析。 & ?; X5 H+ `5 [* N
三、提升侧扫声呐系统精度
% B" j4 }9 U' L) I2 Q ⒈影响侧扫声呐系统精度的原因
# z3 H+ w* {% K/ r( w& p 内因主要有四点，分别为频率、旁瓣效应、散射以及反向散射，四者均与波束声呐有关。其中反向散射影响最为重要，影响反向散射的因素有很多：多波束碰触的物质的反射系数、吸收系数以及表面粗糙程度等以及声呐波束对于目标的入射角。在某个水平上，反向散射的光波能量将被降到噪声能量范围以下，在这个能量范围被接收并记录的距离很远处就会叫作反向散射，而如果高于这个能量范围，反向散射能量也就被降到了背景噪声，使得声音海底的组成无法呈现在声图中。水底环境越粗糙，拖鱼距海底高度越高，反向散射的极限值也就高。
, ~3 |+ X2 q4 |! w! j+ j0 O0 J. N ⒉传统侧扫声呐系统所存在的不足
2 \3 c( S/ v/ r: K/ ]% C, |% K 侧扫声呐是目前在水底三维图像方面的重点技术之一，在传统使用中主要存在着以下两种不足。第一，在横向图像的分辨率方面，一般侧扫声呐的水平角长度决定了图像的分辨率尺寸大小，并随着水平视角长度的增加而线性地增大。
" m8 O/ F/ S8 ?; J- e 其次，在底层水深的精确测定方面也表现出了一些缺点。目前，世界上主要有以下二类声呐装置能够实现水底的三维图像：水平等深线图像和反向散射声图像。其中，多回波的海深探测声呐技术适合于船上大面积测量；而测深侧扫声呐则适用于各类水下载体以达到更准确的检测效果。侧扫声成像技术则是一种较为独特的声学图像技术，它利用声呐线阵面向水平左右两侧的辐射扇形波束来完成。在海平面外的内波束角长度很狭长，通常只有1°～2°；而在水平面内的外波束角长度却很宽，通常达40°～60°。当声呐阵列在获得海底的反向散射信号之后，可以根据时间先后来判断是否出现了声音目标。在出现目标前，声音信号强度最高；而在目标后面，由于还没有接收到声音信号，于是产生了影区。 8 d1 _ k e+ I
⒊提升侧扫声呐系统精度的方法 : y+ }8 t k! [ R; r5 f( w) s
内因可更改技术难度较大，但外因更为可控，因此提升侧扫声呐系统精度可以从此入手。利用声呐进行海洋测绘测量，会受到海洋噪声的影响，而侧扫声呐系统自身也会产生噪声，尾流噪声和其余使用中的仪器所产生的噪音都会对侧扫声呐系统的工作产生影响。因此，为保证海上作业时侧扫声呐工作成果的精度，需在投入作业前改变声呐的工作环境，为海洋声呐测绘工作提供一个良好的工作环境。面对此影响因素，项目给出的拟解决方法是，可以在海上作业前利用对海洋生物无害的声呐进行区域性驱赶，以避免声呐在传播过程中遭遇海洋生物的影响导致多波束提前发生反向散射。
9 {- c" M6 i. v# p 侧扫声呐中的拖鱼更是影响系统精度的重要一环。拖鱼在进行观测时并不是完全垂直下沉在海洋中，而是与海平面形成一个角度下沉到了水中的一定深度。拖鱼沉放水深时就会直接影响侧扫声呐扫描讯号的亮度以及扫描范围，也就是说，会对声图系统产生直接干扰。在较水深地段时，当拖鱼离水底高度较高时则由于回波讯号极弱，而造成扫描范围不充分，从而不能获取有用信息；然而当拖鱼离水底高度较近时，如在海平线上调查的船舶遭遇突发性险情时，出现紧急减速等状况都可能令拖鱼工作受到影响。面对此种情况，为保证侧扫声呐系统的精度，可以采取将拖鱼放置距离海底较近的距离并在拖鱼周围增加保护措施，以保证在遇见突发状况时可以将拖鱼受到的伤害降至最低。 9 M- z8 |% T2 d6 j2 A# z
调查船在船速不变的条件下实施转向操纵后，声呐的有效拖拽能力会降低，并且这种操纵方式将使声呐拖鱼的高度降低，从而产生了触底后伤害拖鱼的风险。所以为保证拖鱼不受损害，减小对声图采集的影响，可以在作业过程中将拖拽拖鱼的拖绳收起小部分用以减弱转向对声图的影响。 ! K/ L& g0 \: @6 L! p& X
在海洋探测中，侧扫声呐是一种常用的工具。但是，在水底环境平缓且海浪较小的状态下，侧扫声呐就会产生镜像干涉现象，从而使得声图表面产生了黑白相间的条纹。这种条纹将随着时间的增长而不断扩大宽度，并对目标检测造成极大影响。为降低镜像干扰对声图系统造成的干扰，人们可采用改变拖鱼进水深度、采用更低的量程、使测线与波浪方向相同、减小发射脉宽，以及采用更高的速率等手段，来改善声音系统精度。这些措施可以有效降低镜像干涉对声图的质量影响，并有助于发现更多目标信息。
: y* c/ \3 A s2 a% B 四、深水多波束探测系统 2 u6 M: f) V5 X9 L& K
操作简化 ; k1 F; r5 g, x, V& [
⒈深水多波束探测系统
. I5 j4 x3 z1 g' {7 m7 v* T 深水多回波的声音探测系统通常由若干个子系统组合而成，但对于不同的多回波信号系统，虽然构成单位的不同但也可分成如下三个部分：多回波的声学控制系统（MBES）、多回波信号数字收集系统（MCS）和数据处理系统和外围的辅助传感器。以上是以Seabat8125深水多波束探测系统为例。 
& }- `6 \' @. q 多波束探测系统工作示意图，图片来自网络 / M. m E+ X+ x# O2 L
⒉深水多波束探测系统的操作
! o5 B2 ?1 Y- y6 o4 h 以Seabat8125系统为例。Seabat8125系统接收多种传感器信息，因为在传感器内部具有高时间同步性的情况，还有它们的固定方式、距离和误差范围等，这些原因都可能对检测准确度产生影响。所以，在实施系统检测时必须先对上述误差范围加以校准，然后再经过校准测试选择适当的数据并录入Caris后处理软件。当系统正常工作时，差分全球定位系统能够动态地计算GPS天线的正平面位移；而GYRO则能实时地计算船艏的真北方向偏差。另外，81-P处理器还能够通过根据声速剖面计提供的水体声速信息来获取同步声呐中心的水深变化信息；而主控电脑则能够通过根据来推算出水底各个部位的X、Y、Z等位置信息。工作之前就必须充分考虑到目标所在区域水深情况的各种因素，并根据探头的位置来判断测线间的差异。
$ o2 j5 F( H' \ v1 N) Q2 Q 在启动Seabat8125时，该系统就可以自动收集各个地点的水深数据。在主控计算机系统中，还能够监控船体和测线间的关系，测点深度变化情况和81-P彩色显示器与主控计算机显示屏的同步声呐范围内各相应测点位置间的关系。外业工作结束后，使用Caris软件处理和成图。HIPS技术是一种水文信息处理模块，能够对大量已完成的深度计算数据进行处理与筛选，从而实现描述、计算和绘制的工作。建立好DTM图后，它就可以随机选择两个点并自动获取剖面图了。
1 k# E+ v9 z( y+ ]' q 还可以确定下一个高程基准面，并自动计算出在高程基准面上及以下的位置尺寸。其具体操作过程如下：①设定船配置文件；②数据清理；③坐标转换；④生成DTM数字地形模型，输出图形成果。
0 T7 m! {0 m' k; L# o ⒊深水多波束探测系统适配软件操作简化 - d4 v! Y: v% u" r$ F" a/ N. C
深水多波束探测系统适配的数据处理软件为采用水文信息处理模块（HIPS）。在水文信息处理模块前多进行一步智能数据检测，将错误以及受干扰的数据进行删除处理并由拟定的新程序进行海上定位将测量错误或遭受干扰未能生成声图的地域进行定位，或在调查船作业行进过程中进行提示音警示此区域测量有误可以在此区域进行重复测量以便得到可以使用的数据。根据海上作业所测出的数据临近警示线的数据可以由智能系统代码进行标红处理，由负责人决定临近点所测数据是否投入使用。
, a8 R/ Z( V( E. v9 b3 z$ Q 在海上作业过程中为保证人员安全，人员使用应秉承简而精的原则，保证调查船作业时穿上尽可能减少无关人员的登船，使项目作业达到精简的目的。除去预设的航线这一步，在深水多波束探测系统中，本项目预设可以一键开启测量并设想将测量数据精确程度进行提高，使得声图可以呈现出一个完美状态。将需要人工进行点击软件操作统一进行一键化，人员仅作为辅助在一旁进行观测，由系统发出警示信号，提示作业人员在遇到某些突发状况时进行预定操作。
1 U, i% {, r" ]! q9 g0 h) A% f 将深水多波束探测系统所常用的操作流程编程设计为快捷键，简化工作人员的操作步骤，使其无需花费时间和精力寻找操作菜单的所在位置，而是通过快捷键将所需的操作一步到位。
. p" z3 R+ |0 R9 D 五、海上作业过程中数据订正 8 Q( Z0 j: o4 U- O. K7 `
以及相关处理流程 % K. W- O: w& v) N8 h
⒈斜距矫正
- K& l7 T9 o" J* g5 f# S* [ 首先将侧扫声纳的资料进行自动海底追踪，使用Amplitude模式，调节Level以及Holdoff参数，从而使得海底追踪线与实际海底吻合，但由于部分起伏较大，此时需要人工进行干预（P&C模式）直至调节出合理海底。
9 M! Z) T# O1 ^9 Y5 n, W ⒉导航平滑
) a' x! U2 `8 U8 \9 u2 X4 G# c 通常来说，通过拖拽得到的声呐数据，要想得到连续并且一致的图像，需要导航数据的平滑。将航速低于1kn以及航速高于10kn的明显点处理掉，平滑处理算法可以诱导错误，为避免失真，最好选择平滑的点数量为1。
O: \# v0 M: A1 _# l ⒊图像镶嵌
B/ {4 U; f! N% @9 b* x 侧扫声呐的精度以及其覆盖范围两者相互矛盾，电子镶嵌则是解决上述矛盾所产生的可以提供大范围的高精度图像，而该系统需要使用一系列相邻的测线，并将其记录直至与下一个相匹配用来产出测量区域的高分辨率的大尺寸图像。 0 B E% C; L1 [4 i# ^& X; f
⒋界址对比 ' s5 r- [, _1 ~
作业采用RTK配合超短基线定位，定位达到厘米级精度。水体声速误差，每次测量前、测量中以及测量结束后进行三次现场声速剖面测量，通过声速的校正较小该项系统误差。速度校正、斜距校正采用Triton后处理系统软件进行。使用以上方法减少测量误差，最后根据侧扫声呐图像解译结果，同时参考水深地形并对比人工RTK测量数据，绘制堤坝界址线。
6 z! `2 N- a6 V) T- q% _. i, Z 六、结语
$ r |: w# k9 P, `1 g 综上所述，该项目研究主要依附于海洋测绘现如今的发展的不完全，海洋测绘常用设备使用声呐较为突出，利用声呐可以使测绘人员不用进行水下的测量也可以得知水下的地貌情况从而获取想要的信息。将侧扫声呐精度提升可以有利于我国海洋测绘技术的增长。专业的海洋测绘能够为沿海城市规划、港口设计以及水产养殖、海底资源开发提供必要的数据和信息支撑。因此，本文分析了侧扫声呐现如今的发展优势及缺陷，并从多角度进行讨论，希望能得到一个操作简便且精度有大幅度提升的侧扫声呐系统设备。
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【作者简介】文/王莹 常乐 李璎昊，来自沈阳城市建设学院。第一作者王莹，女，黑龙江海伦人，研究方向为测绘工程。本文为基金项目，沈阳城市建设学院2023年大学生创新创业训练计划项目“海洋测绘声呐设备操作简化”（项目编号：202313208011）。文章来自《产业创新研究》（2023年第18期），参考文献略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流，本文编发已取得授权。   % R x, i! c7 V$ k
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