【学术论文】侧扫声呐技术在海洋测绘中的应用 - 海洋测绘中,测深仪测量水深基于什么原理

摘要

作者：谢健辉（汕头市海域使用动态监管中心，广东 汕头 515041）

摘 要：随着我国海洋测绘事业的快速发展，行业内涌现出较多新的技术，侧扫声呐技术就是其中之一。这项技术具有成本低、安装方便等优点，在海洋测绘实践项目中取得较好的应用效果，有必要对技术内涵展开深入的探讨。该文先阐述侧扫声呐技术的理论原理与功能模块，接着探索这项技术在海洋测绘中的具体应用领域，以及在某个海洋测绘项目中的具体应用内容，最后从做好技术准备工作、构建科学合理的管理制度、做好技术反思与总结及提高技术人员专业能力等多个方面，探讨侧扫声呐技术在海洋测绘中的应用保障措施。

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关键词：侧扫声呐技术；海洋测绘；数据处理；误差分析；理论原理

RECRUITMENT

侧扫声呐技术在海洋测绘中的应用

在新时代的发展过程中，我国海上经济活动变得越来越频繁，给海洋测绘活动带来了较多机遇。在海洋测绘过程中，很多自动化与智能化设备都可以取得较好效果，能够应对不同测绘任务与场景。侧扫声呐技术是一项新型技术，同时也是海洋智慧测绘体系的代表之一。如果能够充分发挥侧扫声呐技术的价值，那么就能够提高海洋测绘活动的总体质量，给各类海上经济活动提供较好的支持。在这种情况下，就有必要结合侧扫声呐技术的核心要点，全方位分析这项技术在海洋测绘活动中的有效应用方式。 % u8 Y" r2 |& I. u. W

1   侧扫声呐技术的应用机理

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1.1 系统框架分析

侧扫声呐系统主要由数据显示与记录单元、数据传输单元、水下声波发射器、拖拽电缆和接收换能器等模块组成。其中数据显示与记录单元主要是收集侧扫声呐技术运作过程中所采集到的各类测绘数据，将其汇总与整理到系统中，并能够使用人机交互方式展示出来。数据传输单元则是实现测绘数据在信息化渠道平台中的高效传播，给后续数据的深度处理提供较好的支撑。水下声波发射器则是侧扫声呐技术的前端工作模块，主要实现了声波发射功能，并通过这种方式采集各类测绘信息。拖拽电缆则是必备的硬件设备，提供牵引、供电等多种作用。接收换能器又被称为水听器，可以将水中的声信号转化为电信号，这也是侧扫声呐技术的核心元素之一，实现了声波采集信息向着电力信息的转变。通过多个模块的综合作用，形成了完整的侧扫声呐技术体系，可以在多项海洋测绘活动中发挥较好作用。 7 h2 y W8 y$ G* d) k) r

1.2 技术理论原理

侧扫声呐设备又被称之为海底地貌仪，主要通过回声测深原理，对海底地貌和水下物体进行探测，工作频率基本上都在几十千赫到几百千赫之间，有效作用范围则在 300~600 m 之间。侧扫声呐设备在执行近程探测任务时，自身具有非常高的分辨率，能够取得较好的测绘效果。在执行深海地质探测时，工作频率显著提升，探测距离可以达到了 20 km。侧扫声呐技术的换能器主要位于拖拽体和船壳当中，在海面航行过程中朝着两侧下方发出声脉冲，总体呈现为扇形波束的状态。在这个过程中，使用声波对海面、海底和水体的介质属性进行判定，并探测了区域的声学结构，完成了相关数据的记录与处理。 " Y8 b ]: M3 ~1 \

1.3 功能模块分析

侧扫声呐系统是利用水底后向散射回波来探测海底礁石、沉船、管道、电缆及其他水下目标的测绘系统。在系统发出声脉冲以后，声波会通过球形波的方式传播，碰到海底以后反向波或者反向散射波沿原路线返回到换能器。总体来看，整个系统的核心功能模块就是工作站，工作站具有数据采集、处理、显示和储存等基础功能，同时也可以对海洋测绘图像进行深层次处理，形成高质量的测绘成果。工作站主要包括硬件和软件，其中硬件主要有高性能的计算机、接收机和高压电源供电模块等，软件则主要分为系统基础软件和测绘应用软件。通过硬件与软件的配合，工作站就可以在海洋测绘活动中发挥较好作用，使得侧扫声呐技术取得预期效果。 8 g9 S. N: I- w( @/ _/ g8 R

2 、侧扫声呐技术在海洋测绘中的应用领域

侧扫声呐技术具有成本低、使用便捷和分辨率高等多项优势，在多种海洋测绘任务中都可以取得较好的应用效果，对我国海洋测绘行业领域的高质量发展起到了一定的推动作用。这里也结合侧扫声呐技术的实践应用经验，结合多项海洋测绘活动针对这项技术展开综合分析，探索这项技术的常用应用领域。 5 Q1 H: O+ M+ f) a, H6 z

2.1 沉船扫测作业

沉船事故发生以后，留给测绘人员的时间非常短暂，要求测绘团队可以快速响应应急任务，并尽快投入到沉船扫测活动中。在扫测作业过程中，相关人员可以使用侧扫声呐技术快速确认沉船位置，并进行后续的精细化扫测。结合当前这类测绘任务的实践经验来看，很多团队都开始使用三维侧扫声呐技术，一次安装测量就可以取得较好的效果。这是因为三维侧扫声呐技术可以实现传统二维声呐图像与三维扫测成果的紧密联动，能够快速得到沉船在海底的准确位置和当前姿态，同时也可以获取区域水深等各类信息，给后续制定沉船应急抢险等工作带来了较好的数据支撑。侧扫声呐技术目前已经成为了沉船扫测作业的关键技术之一，即便在使用多波束等其他技术时，也需要侧扫声呐技术作为辅助定位，保证最终的测绘成果。 9 |0 C- Y0 b$ k

2.2 浅水区域作业

浅水区域的海底地形比较复杂，同时由于船只吃水问题，导致很多传统测绘技术无法发挥作用。但是侧扫声呐技术在浅水区域作业中可以取得较好的效果。这是因为侧扫声呐技术的覆盖面比较广泛，相较于多波束技术来说具有显著优势，可以通过超宽的水深覆盖面，显著提高测绘作业效率。结合海洋测绘实践经验来看，在水深 4 m 的浅水区域，侧扫声呐技术的覆盖面就已经超过了 50 m，这是很多其他技术无法实现的。与此同时，侧扫声呐技术对于载体的要求并不算太高，在浅水区域使用无人船等轻便工具也能够较好展开测绘作业，技术应用的灵活性比较高。目前侧扫声呐技术已经在我国很多浅滩、码头等区域的测绘作业中实现了较为广泛的应用，同时也取得了较好的效果。

2.3 水上构筑物扫测作业

在海洋测绘工作中，水上构筑物扫测作业也是非常常见的。侧扫声呐技术在水上构筑物扫测过程中可以取得较好效果。这是因为侧扫声呐技术能够在小范围测绘作业中获得比较精确与全面的测绘数据，并且形成相应的三维测绘成果。比如在使用三维侧扫声呐技术以后，将相关设备安装到小型船只上，可以得到水上构筑物的完整信息，并且将其导入到软件中，完成水上构筑物三维图像成果的展示。这也使得侧扫声呐技术可以在堤坝坝体扫测、码头水上构筑物扫测等多项测绘任务中发挥较好的作用。

3 、侧扫声呐技术在海洋测绘中的具体应用

为了充分明确侧扫声呐技术的应用方式，这里也引入了某沉船扫测项目展开的综合研究，探索侧扫声呐技术的应用细节内容，从多个角度阐述了侧扫声呐技术的应用流程，以及保证这项技术发挥预期作用的方式。 $ {2 J1 m* l1 @6 z' y `7 Y* t5 Z

3.1 技术方案

在接到某沉船扫测任务以后，测绘单位迅速响应，182 - -技术·应用科技创新与应用Technology Innovation and Application 2023 年 14 期并制定测绘技术方案。由于沉船扫测任务的时间非常紧张，同时测绘任务量也比较大，因此本次选用了侧扫声呐技术作为核心要点，并依托于此制定技术方案。在设备选用方面，使用了侧扫声呐 HRBSSS 系统。侧扫声呐HRBSSS 系统是一个高分辨率的测深系统，同时自身使用过程中的功耗非常低，体积也比较小，可以在水下机器人、拖拽体等多个载体上发挥预期作用。在沉船扫测作业中，使用侧扫声呐 HRBSSS 系统可以取得较好效果，能够在预计时间内圆满完成扫测任务。在确定了设备构件以后，测绘单位结合侧扫声呐 HRBSSS 系统的特点，设计了完备的沉船扫测技术方案。 * r7 g6 o0 I$ {9 w' p+ Y9 t3 R

3.2 性能测试

在侧扫声呐设备投入使用之前，需要对其进行性能测试，保证这类设备可以在后续测绘活动中发挥较好作用。结合行业实践经验来看，需要进行的性能测试主要分为 3 大块。第一，稳定性测试。在测试时，将侧扫声呐设备固定到测量船只上并设置好参数，在连续工作 8 h以后观察设备数据情况，明确设备在静态环境下的稳定性情况。第二，水深符合性测试。这项测试需要检查设备在不同水深情况下的探测能力，在测试过程中需要控制好声速、姿态和潮位等其他变量，保证最终测试结果精准性与可靠性。第三，障碍物探测能力测试。在测试的时，主要对待测试区域进行全覆盖扫描，观察扫描结果跟实际结果的一致性，是否能够扫描出所有的障碍物。上述性能测试活动主要在日常进行，保证侧扫声呐设备的性能水平满足相应标准要求。在本次沉船扫测作业中，一定要充分保证所使用的侧扫声呐设备已经经过上述性能测试活动，并且测试结果也符合相关标准，否则就要更换其他已经通过性能测试的设备。

3.3 测绘过程

在确定侧扫声呐设备满足相应性能标准要求以后，开始按照预期的技术方案完成测绘过程。在本次沉船扫测作业中，使用小型船只尽快达到测绘区域，接着进行侧扫声呐 HRBSSS 系统相关设备的布设。为了获得更加详尽的测绘数据信息，本次测绘作业还使用了一些水下机器人，搭载相应设备进行深层次的测绘工作。接着测绘人员就可以按照设计好的航线进行航行，同时还要控制探测船只的速度，并充分保证测绘点间距的合理性。在使用这些设备获取相应数据信息以后，可以对其进行基础处理，得到一些无畸变的图像，进行拼接以后就能够得到沉船主体及周围环境的图像。在测绘完成以后，还要进行测绘数据的精度处理与误差矫正，保证最终获得的测绘图像可以展现沉船的各项细节元素，以及周围环境的具体情况，给后续沉船应急救援方案的制定与执行提供较好的参考与指引。

3.4 数据处理

在获得侧扫声呐测绘数据以后，还要进行这些数据的深度处理。在这个过程中，测绘人员需要做好系统偏差校准工作，并结合相关标准要求完成系统各项参数的设置，保证系统本身的合理性。在具体进行数据处理时，测绘人员应该充分明确不同数据之间的关联，并借助于智能模块完成数据的深层次处理。在本次沉船扫测作业中，产生的数据主要分为测深、声呐、注释和姿态 4 个类型，需要测量人员充分保证这些数据的精准性与全面性，逐步形成沉船周围完整的三维图像信息。

3.5 误差分析

在本次沉船扫测作业过程中，误差来源是多元化的，主要可以分为以下几种。第一，换能器阵的幅相误差。第二，姿态传感器存在延迟，同时姿态传感器与换能器阵之间的相对角度与高度存在误差。第三，换能器阵与深度传感器之间存在相对高度误差，表面声速与声速剖面存在误差。第四，定位数据存在偏差，信号处理方法导致的误差。第五，换能器与定位系统的相对位置存在误差。在具体分析这些误差时，测绘人员需要关注声速误差、幅相误差、定位误差和姿态误差等多种误差，分析这类误差的具体水平。目前侧扫声呐设备的智能化水平已经比较显著，很多误差都可以进行自动处理。对于测绘人员来说，则应该实现人工误差分析与智能误差处理的结合，能够对各项参数信息进行准确修正，得到比较理想与科学的测绘结果。 * O$ q7 y' L& s0 _ Y1 L

4 、侧扫声呐技术在海洋测绘中的具体应用

侧扫声呐技术相对来说是比较专业的，在实践应用过程中也应该注意多个方面的细节内容，才能够保证这项技术可以发挥预期的成效。这里也结合侧扫声呐技术的实践应用经验，从多个角度探讨侧扫声呐技术在海洋测绘活动中贯彻应用的保障措施，充分保证海洋测绘工作的质量。 0 Y5 e8 f$ ?8 M. A7 Z) m

4.1 做好技术准备工作

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测绘单位在具体使用侧扫声呐技术时，应该先做好技术准备工作。

第一，制定科学合理的技术应用方案。侧扫声呐技术在不同海洋测绘任务中，需要设计差异化的技术应用方案。因此测绘单位应该对测绘任务进行综合分析，并做好待测区域的资料收集与分析等工作，保证最终设计的技术应用方案可以取得较好效果。在这个过程中，测绘单位最好能够制定多套方案，并进行方案对比，最终可以选择综合效果最好的方案。

第二，做好各项资源的准备工作。测绘单位在使用侧扫声呐技术时，还应该做好相关设备的准备工作，选择最合适的设备构件，同时还要做好这些设备的性能检测，保证设备可以在后续测绘中发挥较好效果。与此同时，测绘单位还要选择合适的人力资源，组建后续海洋测绘的人才队伍。

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第三，做好技术交底工作。在确定侧扫声呐技术方案以后，还要做好技术交底工作，保证每一个测绘人员都可以掌握后续海洋测绘活动的细节内容，对于测绘工作流程与技术要点不存在争议与问题，保证海洋测绘活动可以顺利开展。

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4.2 构建科学合理的管理制度

测绘单位在使用侧扫声呐技术时，也应该构建科学合理的管理制度，保证这项技术可以发挥较好的应用效果。这也要求测绘单位可以深层次明确侧扫声呐技术的细节内容，并结合海洋测绘活动的各个流程，制定相对完善的质量管控制度，要求测绘人员严格按照规章制度开展自身岗位工作，保证测绘工作的专业性与规范性。在具体使用侧扫声呐技术时，测绘单位也要做好动态跟踪管控工作，约束测绘人员在海洋测绘全过程中的具体行为，在发现不规范作业时及时制止，保证各环节测绘工作的质量。与此同时，测绘单位还要结合测绘岗位的工作内容与职责边界，制定完善的岗位责任制度，使得每一个测绘人员都可以明确自身参与工作过程中所担负的责任与义务，在测绘质量出现问题时也不会相互推卸责任。

4.3 做好技术反思与总结

测绘单位在每次使用侧扫声呐技术后，都要做好技术反思与总结。事实上，侧扫声呐技术目前正处于高速发展的阶段，在实践应用过程中也会不可避免地出现一些误差问题。通过高质量的技术反思与总结活动，不仅可以在以后使用这项技术时较好避免同类问题，同时也能够较好推动侧扫声呐技术的创新升级。因此对于各个测绘单位来说，一定要在技术反思与总结方面表现出较高的积极性，组织技术团队和基层测绘人员共同进行实践经验讨论，使得侧扫声呐技术可以在未来取得更好的应用效果。 4 f; E& }1 N) Z8 j

4.4 提高技术人员专业能力

侧扫声呐技术对于测绘人员的专业能力要求还是比较高的，因此测绘单位也要充分认识到这一点，通过各类可行的方式切实提高技术人员的专业能力。这也要求测绘单位可以在内部形成学习型组织氛围，调动技术人员的学习积极性，逐步形成终身学习的相关观念。与此同时，测绘单位也要积极安排侧扫声呐技术的专项培训教育活动。特别是在技术更新与设备更迭时，一定要进行深层次讲解，保证技术人员可以快速适应新内容，使得侧扫声呐技术可以发挥更好的作用。

5 、结束语

综合来看，侧扫声呐技术在海洋测绘活动中可以发挥较好作用，同时在未来时间里也具有较为广阔的应用前景。因此对于测绘单位来说，也应该加强自身对于侧扫声呐技术的掌握水平，在开展海洋测绘活动时立足于技术内涵设计完备的技术应用方案，并做好各项准备工作，制定完善的技术应用制度。在进行海洋测绘工作时，测绘单位也要做好全过程动态管控，保证侧扫声呐技术可以按照预先制定的方案贯彻实施。这样以后，侧扫声呐技术就可以发挥较好的作用，推动海洋测绘工作的高质量发展。【参考文献】[1] 于刚.侧扫声呐在水下软体排检测中的应用与改进[J].水科学与工程技术，2022（4）：82-85. 9 G8 B$ w4 R+ Y" U

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作品来源

本文整理自《科技创新与应用》期刊 2023 第14期，转载请备注论文作者，说明文章来源，并备注由“智慧海洋公众交流平台”微信公众号整理。

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