海洋作为一座巨大的资源宝库为人类提供了丰富的矿产、石油、天然气等资源,同时也为人类提供了多种多样的生物资源"随着陆地资源的过度开发使得原本就难以再生的自然资源几乎耗费殆尽,这也使得人类社会的发展越来越多依赖对海洋资源开发"因此,围绕维护海洋权益和反对霸权的斗争也空前激烈,为了建立国际海洋新秩序,联合国制定的“联合国海洋法公约”也于1994年生效。总之,目前摆在世界各国面前最迫切的任务就是如何更加合理、高效的开发和利用海洋资源。
有效的进行海洋矿产资源调查(例如锰结核、富钻结核等)的前提是获得可靠的水下场景信息,主要包括海底的地形、地貌、海底沉积物类型等。虽然现代科学技术的发展使人们早己通过空间遥感技术获得了丰富的陆地表面地形地貌信息,然而对约占地球表面积70%以上的海底地形地貌的了解却远未达到人们期望的程度,究其主要原因就是浩瀚的水体阻隔了人们的视线。那么如何穿透水体获取水下的各种信息,也就成为海洋资源调查与开发的关键因素。在现有科技条件下，上述信息最直观有效的反映手段就是水声图像,因此水下声学成像系统也就成为海洋资源调查与开发过程中的主要设备，其中用于三维地形测量的多波束测深仪和用于二维地貌信息测量的侧扫声纳是当前世界上最有效、使用最为广泛的两种海洋勘查仪器。这些仪器同样在航道疏浚,水下障碍物探测定位,海底电缆、光缆以及石油管道的铺设和维护、水下施工等众多的海洋工程作业场合,以及水下考古、失事飞机和船舶的搜救打捞、内陆航道监测、堤坝检测等诸多领域都发挥着重要的作用。
然而任何一种水下声学成像系统都是一部复杂的声纳设备,是水声学、现代电子技术、计算机技术以及现代信号信息处理理论和技术等高新技术融合发展的产物,因此技术复杂，开发难度大。目前掌握成熟的水声成像技术并提供相应设备的国家也只有少数几个海洋技术大国,而其核心技术及高端设备（例如公开资料看到的最先进多波束侧扫声纳Klein5900）也在相当长的一段时间内被列为对我国的禁运设备。
综上所述,在我国开展具有高分辨力的水下地形地貌探测(二维/三维成像)功能，同时又具有大面积勘查测绘能力的水下声学成像技术和设备的研究在海洋资源调查与开发、海洋工程以及水下施工等诸多领域具有非常广阔的应用前景和十分重要的战略意义,也必将极大的促进我国相关领域的发展并且带动我国水下声学探测技术和设备的研制跨上一个新的台阶,从而满足军事领域、民用领域对相关海洋仪器设备研发的需求。
1. 水声成像系统概述
1.1 水声图像的获取
与光学成像系统类似,水下声学成像系统是通过处理海底或水中物体的反向散射回波进行成像的。在成像过程中,水中场景或目标被一个声脉冲“照亮”,反向散射信号被一维或二维声学换能器阵列接收,经过处理形成原始的声纳图像。而所形成的图像根据其显示的方式不同又可分为二维声图像、三维声图像以及二维/三维镶嵌的声图像。其中二维声图像类似于传统的光学图像,主要反映被测场景中海底或目标回波的强度信息,进而确定目标或海底的类型；三维图像主要反映被测场景中海底或目标表面的三维形状,从而获得水下地形和目标形状信息；二维/三维镶嵌的声图像是包含信息量最为丰富的图像,其主要是通过将被测场景的二维强度图像按照对应的物理位置镶嵌到三维图像中而获得的,这种图像为后续的分类识别提供最为完备的数据信息。当然，针对于不同应用领域的浅地层剖面仪或者低频的合成孔径声纳还能提供海底浅层的沉积和掩埋目标的信息。图1.1给出了典型的二维声纳图像和三维声纳图像,图1.2为二维/三维镶嵌的声纳图像.图1.1(a)中的图像为Klein5000系列侧扫声纳所形成水下目标的二维图像,图1.1(b)中的图像为Echoscope系列实时3D成像系统生成的水下三维图像.图1.2为EM302系列多波束系统生成的二维/三维镶嵌的水下地形地貌图像。
图1.1 典型的二维声纳图像和三维声纳图像
图1.2 二维/三维镶嵌的声纳图像
水下声学成像系统由于其工作机理、获取图像方式以及应用场合的不同,国内外研究人员也对其进行了不同的分类。一般基于成像系统的探测范围把水下声学成像系统分为两大类：第一类就是用于大面积、大深度扫海测量的水声成像系统,这类系统中主要包括多波束测深系统、侧扫声纳系统和合成孔径声纳系统等；第二类是用于对近距离、小范围区域进行成像的水声成像系统,这类系统中主要包括前视声纳系统、声透镜系统等。另外,绝大部分水声成像系统都涉及到了波束的概念。因此按照波束与载体运动方向的关系可将成像分为同向成像和径向成像两类。同向成像即波束方向与载体运动方向相同,因此大部分的前视声纳和声透镜都可视为同向成像；径向成像即波束方向与载体运动方向垂直,因此所有的测扫声纳系统和多波束测深系统都可归为此类。下面针对主要的水声成像系统的发展和工作原理进行简单的介绍。
1.2 多波束测深系统
多波束测深系统是目前水下地形测量的最主要海洋仪器之一,其基本概念起始于1956年夏季在美国的WoodsHole海洋学院召开的一次学术研讨会,在这次会上首次大胆地提出了多波束测深的构想,立即在科学家中产生了反响,并引起了军方的注意。
多波束测深系统的工作原理是对每个交叉波束内的反向散射回波信号进行到达时间TOA及到达角度DOA估计,在声速c已知的条件下利用公式计算得到深度值。以传统的Mill’S交叉阵为例,其测深工作原理图如图1.3所示
图1.3 多波束测深原理
从概念提出起至今其技术发展大致经历了以下五个主要阶段：
第一阶段从上世纪六十年代初至七十年代末,主要是多波束海底地形测量的基本理论取得进展,但技术上还十分粗糙,性能比较差；
第二阶段从上世纪八十年开始,多波束测深技术进展较快,发展了V型Mill’s交叉阵技术,数字相移波束形成技术,对边缘波束具有声线补偿功能从而增加了测量覆盖宽度,这些技术经过十几年的发展日趋完善，至八十年代末!九十年代初,已经有多家跨国公司,运用这些技术推出不同型号,适应不同水深的系列产品,较典型的产品有Atlas公司的MD-2、Seabeam公司的Seabeam2000等；
第三阶段从九十年代初期开始,发展了分裂波束相位检测方法和高精度的TOA、DOA联合估计技术,提高了边缘波束海底反向散射信号到达时间与到达方位估计的精度,同时还采用DSP并行处理技术提高了数字波束形成的实时运算能力,支持运算量庞大的参数估计算法,实现了新的技术跨越,从而使测量覆盖宽度大幅度增加,达到水深的7倍以上,测深波束超过一百至几百个,具有很高的测绘效率,比如Seabeam2100系列、Simrad EM3000系列等,就是应用这些技术推出的产品；
第四阶段从九十年中后期开始到2010年前后,新材料声学基阵、高性能处理计算机以及新的信号处理方法被采用，该阶段涌现出优秀产品包括RESON的Seabat系列、R2Sonic系列产品以及Kongsberg公司的相关产品；
第五阶段主要是近五年，国内外在多波束测深以领域的技术和产品都有了极大地提升，在技术方面多频技术、宽带技术得到应用，多波束测深仪的海底成像、水体成像技术趋于成熟，在产品方面在国外各主流厂商相继推出其高性能的多波束测深仪主打产品的同时，国内相关领域的研究除传统的哈尔滨工程大学、中科院声学所等科研单位外，还涌现出多家企业参与先关产品的研发并推出了高性能多波束测深仪产品，例如中海达的iBeam系列、海卓同创的MS400、MS200系列产品。图1.4给出几款典型的进口浅水多波束测深系统。
图1.4 典型的浅水多波束测深系统
1.3 侧扫声纳系统
侧扫声纳（也称旁扫声呐）的发展几乎与多波束测深仪的发展同步,其主要目的是绘制海底的地貌图像。侧扫声纳使用一个窄而长的换能器,形成在测量船航向方向上很窄而在垂直方向上很宽的发射波束,利用接收阵接收海底的散射信号,处理后得到相关的测量参数。通常侧扫声纳的换能器安装在一个拖鱼(towfish)上,拖鱼由测量船拖行在水下近海底处,每次声波的收发(ping)都能测得一条垂直与船行方向的带状图像(swath),将这些带状图像拼接起来就形成一幅侧扫声纳图像。图1.5给出了侧扫声纳的工作原理。
图1.5 侧扫声纳工作原理
传统的侧扫声纳由于其技术相对成熟，国外有非常多的商用产品可供选择，根据搭载方式可选拖曳式、AUV/ROV搭载或者船载固定式等。高端侧扫声纳的技术则相对复杂并且主要集中在Klein和Edgetech两家主要公司，其发展趋势主要是提高图像的分辨率和测绘效率，从而发展出Klein主导的多波束侧扫声纳体系和Edgetech主导的多脉冲侧扫声纳体系，同时测深侧扫也是侧扫声纳的一个重要发展方向。图1.6给出Edgetech4200系列多脉冲侧扫声纳的照片和成像结果，图1.7给出Klein5900系列多波束侧扫声纳的照片和成像结果。
图1.6 Edgetech4200系列多脉冲侧扫声纳及成像结果
图1.7 Klein5900系列多波束侧扫声纳及成像结果
末完待续，精彩下文敬请期待
