【学术论文】三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状与展望

文 /郎诚1，茅克勤1，向芸芸2

（1.浙江省海洋科学院  杭州  301000；2.自然资源部第二海洋研究所  杭州310012）

摘 要：为提高我国海底掩埋目标的探查技术，以适应不断发展的探测需求，文章综述了现有三维合 成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状，并对关键技术的发展方向进行了展望。结果表明：尽管三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中具有较大的技术优势，但是由于技术难度大、复杂程度高，可提供成熟商用设备的单位仅有两家，中科探海研发的三维合成孔径声呐系统多项核心技术指标领先。运动误差估计和补偿技术，掩埋目标特征提取和识别分类算法，多通道大规模数据并行处理算法等关键技术将成为三维合成孔径声呐系统未来的发展方向。

关键字：掩埋目标；合成孔径声呐；三维SAS；海底探测设备；声学成像

三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状与展望

随着海洋科技和海洋经济的深入发展，对海洋的认知和开发已遍布海洋的各个区域，对探查装备的能力需求越来越高，要求探查装备的探测能力从近海延展到中远海，从水中悬浮、沉底目标扩展到海底以下地质层或掩埋物体。与此同时，随着海洋经济的快速发展，海底通信光缆、海底供电电缆、海岛之间的输水和输气等水下管道等铺设量也越来越大，而且这些基础工程都是关乎国计民生的重大事项。现在海底管道和线缆均采用掩埋的方式铺设，所以在后期的管缆路由探查和维护工作中，被掩埋的管缆目标的精确探测需求越来越迫切。目前，可用于掩埋目标探查的技术主要包括浅 地层剖面仪、二维合成孔径声呐和三维合成孔径声呐等［1-2］。浅地层剖面仪目前在传统的作业方式中应用最为广泛［3-7］，但其主要问题在于开角非常窄， 只能横穿掩埋目标作业。另外浅地层剖面仪对小的掩埋目标（比如直径20cm以内的管缆、光缆、普通的掩埋目标等）均无法探测。合成孔径声呐的概念最早由美国的Raython公司在20世纪60年代提出［8］，其基本思想是对小孔径基阵沿直线运动过程中记录的接收信号进行孔径合成处理，从而达到虚拟大孔径基阵的方位分辨力效果，在高分辨海底成像领域有着潜在的应用前景。

早期二维合成孔径声呐的研究主要集中于侧 扫式合成孔径声呐，只能形成目标的二维图像，无 法给出深度信息［9］。而在海底掩埋目标的位置探测 时，掩埋目标埋深这一判断管缆目标安全状态的关 键信息至关重要［10］。因此，二维合成孔径声呐在实 际应用中无法完全满足工程需求。三维合成孔径声呐技术在此背景下应运而生。

三维合成孔径声呐技术最早由Griffith［11］通过 干涉法在水池中试验成功，并逐步获得研究学者的关注［12-14］。但是干涉式合成孔径声呐的三维图像是通过多幅二维图像重建获得，并非目标的真实三维成像，因此无法完成对目标的高精度测深［15］。21世纪初，为克服干涉式合成孔径声呐的这一 缺点，日本学者Asada等［16］基于多波束测深声呐技 术，提出了多波束合成孔径声呐，并在试验中获得 了良好效果。国内，哈尔滨工程大学和中国科学院也对三维合成孔径声呐技术开展了早期研究［17-18］， 并奠定了一定的理论基础。由于在三维成像上所具有的显著优势，多波束合成孔径声呐使得海底掩埋目标探查技术装备的研究与开发重点聚焦于多波束合成孔径声呐。

3.2.1 产品概述

中科探海在2016年开始了下视三维合成孔径声呐的研制工作，并于2018年推出可商用的产品。与加拿大产品相比，该公司研制的三维合成孔径声呐系统，突出优点是同时集成了下视三维合成孔径声呐、下视多波束声呐、侧视声呐等三部声呐分机， 采用模块设计，可根据不同要求灵活组合，满足不同任务场景以及安装需求。

其中下视三维合成孔径声呐可获得水体、海底、海底以下掩埋层等全海深的三维声呐数据，下视多波束声呐可获得海底高精度地形数据，侧视声呐可获得海底高精度的地貌数据。

利用不同声呐的成像特性，可获得目标的多维度特征信息，可提供水下悬浮、沉底和掩埋目标的高清影像、目标位置、目标埋设深度以及水下高精度三维地层等多种信息，对目标的辨别、埋深的精确测定、路由走向、海底环境信息等均可获得高质量成果，极大地促进海底电缆和管线的成像和信息提取。 

该系统可满足用户水下环境探查、水下目标搜索、航道整治复勘、护堤结构复勘、桥墩监测、救捞、 应急、油气管线路由勘察、光缆电缆勘察（路由＋埋 深＋地层等功能）、三维精细地层结构、水下其他各类成像等多种使命任务的需求。

3.2.2 产品性能

中科探海三维合成孔径声呐系统的主要技术参数如表2所示。通过与加拿大Pangeo公司产品的技术参数对比可以看出其在分辨率、探掩埋深度、工作航速等指标上具有绝对优势。

B系列产品为大型框架式安装，适用于测量船船底安装或船侧挂载、水面大型无人船船底安装等，其接收阵列采用3行4列模块配置，共288个阵元。

本研究主要对三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状及现有成熟设备的应用情况进行综述。尽管三维合成孔径声呐系统在海底 掩埋探查中具有良好的成像性能，但由于该系统的开发难度大、复杂程度高，市面众多研究单位中，仅 有两家可提供成熟的商用产品。目前，三维合成孔径声呐系统已能基本满足当下的作业需求，然而海洋科技、海洋经济的深入发展对三维合成孔径声呐系统提出了新的技术需求： 

（１）运动误差估计和补偿技术：与无人平台合作进行高度自动化作业是三维合成孔径声呐系统未来的发展方向，而无人平台姿态变化对其成像精度和目标定位精度影响较大，因此必须发展基于GPS、超短基线、惯导等多数据源的运动误差估计和补偿技术。

（２）掩埋目标特征提取和识别分类技术：实现掩埋目标物目标特征提取和识别分类是一体化探测无人平台智能探测的基础。对水下目标的正确分类与识别建立在有效的特征提取技术上，特征提取是目标识别过程中的关键，它直接影响到目标识 别的效果。

（３）多通道、大规模数据并行处理算法：随着对探测深度和探测分辨率的要求越来越高，阵列也变得越发庞大，未来阵列的通道数量可达到数百路，这就对数据采集和处理提出了较高要求，尤其在处理实时成像时，对电子系统和成像算法的要求更高。

本文整理自《海洋开发与管理》期刊2021年第1期，版权归《海洋开发与管理》所有，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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