地球海洋資源較陸地資源豐富，而如今人類對(duì)于海洋勘測(cè)和開發(fā)的部分微乎其微，在海洋開發(fā)活動(dòng)中，測(cè)繪人員對(duì)海底地貌測(cè)量更應(yīng)為人類對(duì)海洋開發(fā)打牢基礎(chǔ)。海洋測(cè)量已經(jīng)成為人們認(rèn)識(shí)海洋的核心內(nèi)容，只有掌握好有關(guān)區(qū)域的海洋水深、地形、水文資料等各項(xiàng)信息，才能為海洋測(cè)繪工程的開展取得良好的作用。側(cè)掃聲吶是目前海洋測(cè)量中的常用儀器，但該儀器存在矛盾問(wèn)題，導(dǎo)致作業(yè)成本與作業(yè)效率不可共存，所以在此基礎(chǔ)上需要將其優(yōu)化，以滿足測(cè)繪人員順利開展海洋項(xiàng)目的需求。

⒈側(cè)掃聲吶構(gòu)成

側(cè)掃聲吶是一項(xiàng)深海檢測(cè)設(shè)備，主要由聲音信息顯示和錄像模塊、傳輸和拖拽電纜、水下聲發(fā)射與吸收換能器等構(gòu)成。通過(guò)兩側(cè)方位所發(fā)出的聲音來(lái)探知水底、海面、附近水域的聲學(xué)特征及其介質(zhì)特征，同時(shí)通過(guò)對(duì)水底表面材料的光散射性質(zhì)特征進(jìn)行評(píng)估，能夠更精確地鑒定物體形態(tài)性質(zhì)以及沉積特征。在作業(yè)中，側(cè)掃聲吶向兩側(cè)方向發(fā)射較寬角度的聲波束，并根據(jù)海底地物所反饋的信息進(jìn)行成像。其聲波束平面為垂直導(dǎo)航目標(biāo)方向，在水平航道方位上通常有狹窄的束寬度以保持高分辨率，而在垂直航道方位的則有較寬闊的束寬度，以保持相應(yīng)的數(shù)碼掃描寬度。在記錄條紙上所表現(xiàn)出的目標(biāo)圖像中，回波信號(hào)數(shù)量較多的目標(biāo)圖像通常會(huì)呈現(xiàn)較深調(diào)，而聲波照射量不足的目標(biāo)影區(qū)圖像則會(huì)呈現(xiàn)較淺色調(diào)。因此，通過(guò)影區(qū)信息也就能夠預(yù)測(cè)目標(biāo)位置。此外，根據(jù)需要可選擇1kHz至1MHz不同頻率的發(fā)射波束以達(dá)到最佳效果。側(cè)掃聲吶是一種非常先進(jìn)的海洋探測(cè)裝置，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別物體形態(tài)特征或沉積屬性，它在深入了解海底環(huán)境、探索生命及資源分布等領(lǐng)域都具有重要意義。

側(cè)掃聲吶工作示意圖，圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

⒉側(cè)掃聲吶的工作過(guò)程

側(cè)掃聲吶能夠使用發(fā)射持續(xù)時(shí)間小于一微秒的聲脈沖，來(lái)偵察附近海洋中的物體。而對(duì)于深海地質(zhì)研究，遠(yuǎn)程側(cè)掃聲吶通常都會(huì)采用數(shù)千赫的運(yùn)行頻率，來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超過(guò)二十公里的偵察距離。當(dāng)為了迅速實(shí)現(xiàn)大面積測(cè)量時(shí)，該儀器往往還會(huì)使用微處理機(jī)來(lái)校準(zhǔn)聲速、斜距，以及拖行體遠(yuǎn)距海底標(biāo)高等參數(shù)，以便獲得無(wú)畸變的校正圖形。而這些圖像在拼接之后就可以獲得更為精確的水底地形圖。同時(shí)，還能夠確定出不同地質(zhì)。特別值得一提的是，通過(guò)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)所獲得的小視野放大圖像，還能夠幫助人類更加清晰地確定目標(biāo)物體的細(xì)節(jié)特征，從而實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量和分析。

⒈影響側(cè)掃聲吶系統(tǒng)精度的原因

內(nèi)因主要有四點(diǎn)，分別為頻率、旁瓣效應(yīng)、散射以及反向散射，四者均與波束聲吶有關(guān)。其中反向散射影響最為重要，影響反向散射的因素有很多：多波束碰觸的物質(zhì)的反射系數(shù)、吸收系數(shù)以及表面粗糙程度等以及聲吶波束對(duì)于目標(biāo)的入射角。在某個(gè)水平上，反向散射的光波能量將被降到噪聲能量范圍以下，在這個(gè)能量范圍被接收并記錄的距離很遠(yuǎn)處就會(huì)叫作反向散射，而如果高于這個(gè)能量范圍，反向散射能量也就被降到了背景噪聲，使得聲音海底的組成無(wú)法呈現(xiàn)在聲圖中。水底環(huán)境越粗糙，拖魚距海底高度越高，反向散射的極限值也就高。

⒉傳統(tǒng)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)所存在的不足

側(cè)掃聲吶是目前在水底三維圖像方面的重點(diǎn)技術(shù)之一，在傳統(tǒng)使用中主要存在著以下兩種不足。第一，在橫向圖像的分辨率方面，一般側(cè)掃聲吶的水平角長(zhǎng)度決定了圖像的分辨率尺寸大小，并隨著水平視角長(zhǎng)度的增加而線性地增大。

其次，在底層水深的精確測(cè)定方面也表現(xiàn)出了一些缺點(diǎn)。目前，世界上主要有以下二類聲吶裝置能夠?qū)崿F(xiàn)水底的三維圖像：水平等深線圖像和反向散射聲圖像。其中，多回波的海深探測(cè)聲吶技術(shù)適合于船上大面積測(cè)量；而測(cè)深側(cè)掃聲吶則適用于各類水下載體以達(dá)到更準(zhǔn)確的檢測(cè)效果。側(cè)掃聲成像技術(shù)則是一種較為獨(dú)特的聲學(xué)圖像技術(shù)，它利用聲吶線陣面向水平左右兩側(cè)的輻射扇形波束來(lái)完成。在海平面外的內(nèi)波束角長(zhǎng)度很狹長(zhǎng)，通常只有1°～2°；而在水平面內(nèi)的外波束角長(zhǎng)度卻很寬，通常達(dá)40°～60°。當(dāng)聲吶陣列在獲得海底的反向散射信號(hào)之后，可以根據(jù)時(shí)間先后來(lái)判斷是否出現(xiàn)了聲音目標(biāo)。在出現(xiàn)目標(biāo)前，聲音信號(hào)強(qiáng)度最高；而在目標(biāo)后面，由于還沒(méi)有接收到聲音信號(hào)，于是產(chǎn)生了影區(qū)。

⒊提升側(cè)掃聲吶系統(tǒng)精度的方法

內(nèi)因可更改技術(shù)難度較大，但外因更為可控，因此提升側(cè)掃聲吶系統(tǒng)精度可以從此入手。利用聲吶進(jìn)行海洋測(cè)繪測(cè)量，會(huì)受到海洋噪聲的影響，而側(cè)掃聲吶系統(tǒng)自身也會(huì)產(chǎn)生噪聲，尾流噪聲和其余使用中的儀器所產(chǎn)生的噪音都會(huì)對(duì)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的工作產(chǎn)生影響。因此，為保證海上作業(yè)時(shí)側(cè)掃聲吶工作成果的精度，需在投入作業(yè)前改變聲吶的工作環(huán)境，為海洋聲吶測(cè)繪工作提供一個(gè)良好的工作環(huán)境。面對(duì)此影響因素，項(xiàng)目給出的擬解決方法是，可以在海上作業(yè)前利用對(duì)海洋生物無(wú)害的聲吶進(jìn)行區(qū)域性驅(qū)趕，以避免聲吶在傳播過(guò)程中遭遇海洋生物的影響導(dǎo)致多波束提前發(fā)生反向散射。

側(cè)掃聲吶中的拖魚更是影響系統(tǒng)精度的重要一環(huán)。拖魚在進(jìn)行觀測(cè)時(shí)并不是完全垂直下沉在海洋中，而是與海平面形成一個(gè)角度下沉到了水中的一定深度。拖魚沉放水深時(shí)就會(huì)直接影響側(cè)掃聲吶掃描訊號(hào)的亮度以及掃描范圍，也就是說(shuō)，會(huì)對(duì)聲圖系統(tǒng)產(chǎn)生直接干擾。在較水深地段時(shí)，當(dāng)拖魚離水底高度較高時(shí)則由于回波訊號(hào)極弱，而造成掃描范圍不充分，從而不能獲取有用信息；然而當(dāng)拖魚離水底高度較近時(shí)，如在海平線上調(diào)查的船舶遭遇突發(fā)性險(xiǎn)情時(shí)，出現(xiàn)緊急減速等狀況都可能令拖魚工作受到影響。面對(duì)此種情況，為保證側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的精度，可以采取將拖魚放置距離海底較近的距離并在拖魚周圍增加保護(hù)措施，以保證在遇見(jiàn)突發(fā)狀況時(shí)可以將拖魚受到的傷害降至最低。

調(diào)查船在船速不變的條件下實(shí)施轉(zhuǎn)向操縱后，聲吶的有效拖拽能力會(huì)降低，并且這種操縱方式將使聲吶拖魚的高度降低，從而產(chǎn)生了觸底后傷害拖魚的風(fēng)險(xiǎn)。所以為保證拖魚不受損害，減小對(duì)聲圖采集的影響，可以在作業(yè)過(guò)程中將拖拽拖魚的拖繩收起小部分用以減弱轉(zhuǎn)向?qū)β晥D的影響。

在海洋探測(cè)中，側(cè)掃聲吶是一種常用的工具。但是，在水底環(huán)境平緩且海浪較小的狀態(tài)下，側(cè)掃聲吶就會(huì)產(chǎn)生鏡像干涉現(xiàn)象，從而使得聲圖表面產(chǎn)生了黑白相間的條紋。這種條紋將隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而不斷擴(kuò)大寬度，并對(duì)目標(biāo)檢測(cè)造成極大影響。為降低鏡像干擾對(duì)聲圖系統(tǒng)造成的干擾，人們可采用改變拖魚進(jìn)水深度、采用更低的量程、使測(cè)線與波浪方向相同、減小發(fā)射脈寬，以及采用更高的速率等手段，來(lái)改善聲音系統(tǒng)精度。這些措施可以有效降低鏡像干涉對(duì)聲圖的質(zhì)量影響，并有助于發(fā)現(xiàn)更多目標(biāo)信息。

⒈深水多波束探測(cè)系統(tǒng)

深水多回波的聲音探測(cè)系統(tǒng)通常由若干個(gè)子系統(tǒng)組合而成，但對(duì)于不同的多回波信號(hào)系統(tǒng)，雖然構(gòu)成單位的不同但也可分成如下三個(gè)部分：多回波的聲學(xué)控制系統(tǒng)（MBES）、多回波信號(hào)數(shù)字收集系統(tǒng)（MCS）和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和外圍的輔助傳感器。以上是以Seabat8125深水多波束探測(cè)系統(tǒng)為例。

多波束探測(cè)系統(tǒng)工作示意圖，圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

⒉深水多波束探測(cè)系統(tǒng)的操作

以Seabat8125系統(tǒng)為例。Seabat8125系統(tǒng)接收多種傳感器信息，因?yàn)樵趥鞲衅鲀?nèi)部具有高時(shí)間同步性的情況，還有它們的固定方式、距離和誤差范圍等，這些原因都可能對(duì)檢測(cè)準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。所以，在實(shí)施系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)必須先對(duì)上述誤差范圍加以校準(zhǔn)，然后再經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)測(cè)試選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)并錄入Caris后處理軟件。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，差分全球定位系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)地計(jì)算GPS天線的正平面位移；而GYRO則能實(shí)時(shí)地計(jì)算船艏的真北方向偏差。另外，81-P處理器還能夠通過(guò)根據(jù)聲速剖面計(jì)提供的水體聲速信息來(lái)獲取同步聲吶中心的水深變化信息；而主控電腦則能夠通過(guò)根據(jù)來(lái)推算出水底各個(gè)部位的X、Y、Z等位置信息。工作之前就必須充分考慮到目標(biāo)所在區(qū)域水深情況的各種因素，并根據(jù)探頭的位置來(lái)判斷測(cè)線間的差異。

在啟動(dòng)Seabat8125時(shí)，該系統(tǒng)就可以自動(dòng)收集各個(gè)地點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)。在主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，還能夠監(jiān)控船體和測(cè)線間的關(guān)系，測(cè)點(diǎn)深度變化情況和81-P彩色顯示器與主控計(jì)算機(jī)顯示屏的同步聲吶范圍內(nèi)各相應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置間的關(guān)系。外業(yè)工作結(jié)束后，使用Caris軟件處理和成圖。HIPS技術(shù)是一種水文信息處理模塊，能夠?qū)Υ罅恳淹瓿傻纳疃扔?jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與篩選，從而實(shí)現(xiàn)描述、計(jì)算和繪制的工作。建立好DTM圖后，它就可以隨機(jī)選擇兩個(gè)點(diǎn)并自動(dòng)獲取剖面圖了。

還可以確定下一個(gè)高程基準(zhǔn)面，并自動(dòng)計(jì)算出在高程基準(zhǔn)面上及以下的位置尺寸。其具體操作過(guò)程如下：①設(shè)定船配置文件；②數(shù)據(jù)清理；③坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；④生成DTM數(shù)字地形模型，輸出圖形成果。

⒊深水多波束探測(cè)系統(tǒng)適配軟件操作簡(jiǎn)化

深水多波束探測(cè)系統(tǒng)適配的數(shù)據(jù)處理軟件為采用水文信息處理模塊（HIPS）。在水文信息處理模塊前多進(jìn)行一步智能數(shù)據(jù)檢測(cè)，將錯(cuò)誤以及受干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除處理并由擬定的新程序進(jìn)行海上定位將測(cè)量錯(cuò)誤或遭受干擾未能生成聲圖的地域進(jìn)行定位，或在調(diào)查船作業(yè)行進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行提示音警示此區(qū)域測(cè)量有誤可以在此區(qū)域進(jìn)行重復(fù)測(cè)量以便得到可以使用的數(shù)據(jù)。根據(jù)海上作業(yè)所測(cè)出的數(shù)據(jù)臨近警示線的數(shù)據(jù)可以由智能系統(tǒng)代碼進(jìn)行標(biāo)紅處理，由負(fù)責(zé)人決定臨近點(diǎn)所測(cè)數(shù)據(jù)是否投入使用。

在海上作業(yè)過(guò)程中為保證人員安全，人員使用應(yīng)秉承簡(jiǎn)而精的原則，保證調(diào)查船作業(yè)時(shí)穿上盡可能減少無(wú)關(guān)人員的登船，使項(xiàng)目作業(yè)達(dá)到精簡(jiǎn)的目的。除去預(yù)設(shè)的航線這一步，在深水多波束探測(cè)系統(tǒng)中，本項(xiàng)目預(yù)設(shè)可以一鍵開啟測(cè)量并設(shè)想將測(cè)量數(shù)據(jù)精確程度進(jìn)行提高，使得聲圖可以呈現(xiàn)出一個(gè)完美狀態(tài)。將需要人工進(jìn)行點(diǎn)擊軟件操作統(tǒng)一進(jìn)行一鍵化，人員僅作為輔助在一旁進(jìn)行觀測(cè)，由系統(tǒng)發(fā)出警示信號(hào)，提示作業(yè)人員在遇到某些突發(fā)狀況時(shí)進(jìn)行預(yù)定操作。

將深水多波束探測(cè)系統(tǒng)所常用的操作流程編程設(shè)計(jì)為快捷鍵，簡(jiǎn)化工作人員的操作步驟，使其無(wú)需花費(fèi)時(shí)間和精力尋找操作菜單的所在位置，而是通過(guò)快捷鍵將所需的操作一步到位。

⒈斜距矯正

首先將側(cè)掃聲納的資料進(jìn)行自動(dòng)海底追蹤，使用Amplitude模式，調(diào)節(jié)Level以及Holdoff參數(shù)，從而使得海底追蹤線與實(shí)際海底吻合，但由于部分起伏較大，此時(shí)需要人工進(jìn)行干預(yù)（P&C模式）直至調(diào)節(jié)出合理海底。

⒉導(dǎo)航平滑

通常來(lái)說(shuō)，通過(guò)拖拽得到的聲吶數(shù)據(jù)，要想得到連續(xù)并且一致的圖像，需要導(dǎo)航數(shù)據(jù)的平滑。將航速低于1kn以及航速高于10kn的明顯點(diǎn)處理掉，平滑處理算法可以誘導(dǎo)錯(cuò)誤，為避免失真，最好選擇平滑的點(diǎn)數(shù)量為1。

⒊圖像鑲嵌

側(cè)掃聲吶的精度以及其覆蓋范圍兩者相互矛盾，電子鑲嵌則是解決上述矛盾所產(chǎn)生的可以提供大范圍的高精度圖像，而該系統(tǒng)需要使用一系列相鄰的測(cè)線，并將其記錄直至與下一個(gè)相匹配用來(lái)產(chǎn)出測(cè)量區(qū)域的高分辨率的大尺寸圖像。

⒋界址對(duì)比

作業(yè)采用RTK配合超短基線定位，定位達(dá)到厘米級(jí)精度。水體聲速誤差，每次測(cè)量前、測(cè)量中以及測(cè)量結(jié)束后進(jìn)行三次現(xiàn)場(chǎng)聲速剖面測(cè)量，通過(guò)聲速的校正較小該項(xiàng)系統(tǒng)誤差。速度校正、斜距校正采用Triton后處理系統(tǒng)軟件進(jìn)行。使用以上方法減少測(cè)量誤差，最后根據(jù)側(cè)掃聲吶圖像解譯結(jié)果，同時(shí)參考水深地形并對(duì)比人工RTK測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制堤壩界址線。

綜上所述，該項(xiàng)目研究主要依附于海洋測(cè)繪現(xiàn)如今的發(fā)展的不完全，海洋測(cè)繪常用設(shè)備使用聲吶較為突出，利用聲吶可以使測(cè)繪人員不用進(jìn)行水下的測(cè)量也可以得知水下的地貌情況從而獲取想要的信息。將側(cè)掃聲吶精度提升可以有利于我國(guó)海洋測(cè)繪技術(shù)的增長(zhǎng)。專業(yè)的海洋測(cè)繪能夠?yàn)檠睾３鞘幸?guī)劃、港口設(shè)計(jì)以及水產(chǎn)養(yǎng)殖、海底資源開發(fā)提供必要的數(shù)據(jù)和信息支撐。因此，本文分析了側(cè)掃聲吶現(xiàn)如今的發(fā)展優(yōu)勢(shì)及缺陷，并從多角度進(jìn)行討論，希望能得到一個(gè)操作簡(jiǎn)便且精度有大幅度提升的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)設(shè)備。