【论文推荐】测深侧扫声呐在近岸海洋工程中的应用——以海底管道调查为例

作为海底地形地貌调查的关键技术装备，多波束测深声呐和侧扫声呐在海图/航道测量、海底生境测绘、海底电缆/管道调查、航道疏浚、港口扫测、海洋牧场本底调查等诸多近岸海洋工程领域有着广泛应用。多波束测深声呐探测定位精度高，能实现全覆盖、高精度水深测量，侧扫声呐可以获取海底宽扫测范围内的高分辨率海底声呐图像，因此，协同利用多波束测深声呐与侧扫声呐长期以来是海底地形地貌调查的有效技术手段。传统多波束测深系统基于東控法基本原理，条带夏盖宽度与水深、波東开角有关，在近岸浅水测量环境中，水深浅、波東开角有限导致传统束控法多波束测深声呐的条带覆盖范围非常有限，为完成全夏盖测量通常需要加密布设调査测线，这不仅导致了勘测效率降低、成本提高，而且加密测线对调査船操控、导航设备性能提出了更高要求此外，传统束控法多波束测深声呐还存在边缘波束质量较差、反向散射图像分辨率较低等问题，不利于海底地形地貌局部特征的精细解释。侧扫声呐虽然可以获取海底高分辨率声呐图像，但常采用拖电式作业，仅能给出海底地貌、地物的概略位置，存在难以进行量化分析、与水深图配准融合难等问题。如何实现近岸浅水环境下海底地形地貌的高效测量始终是海洋调查技术领域的热点和难点问题之一。

相较于传统多波束测深声呐、侧扫声呐的分置作业模式，一体化的测深侧扫声呐既可以同时获取高精度水深数据与高分辨率声呐图像，又具有扫测覆盖宽、结构简单紧凑、对搭载平台要求低、作业效率高、作业成本低等优点，测深侧扫声呐技术成为了近年来近岸海洋工程调查领域新的热点。针对传统测深侧扫声呐存在的测深精度低、噪音干扰严重、固有探测盲区等问题，本文以美国EgdeTech公司的新一代测深侧扫声呐EgdeTech 6205 S2为例，介绍多相位回声测深侧扫(multi phase echo sounderMPES)技术的基本原理及测量精度，并以海底管道的调査实例证明了该技术在水深地形、海底地貌以及海底特征目标识别定位等方面的技术优势，这对近岸海洋工程调查手段选择具有参考意义。

（一）测深侧扫声呐基本技术原理

测深侧扫声呐基于相干声呐的基本技术原理，通常采用类似于侧扫声呐的板状换能器基阵结构，基阵安装于系统左右两侧，每侧由1条发射线阵和多条接收线阵组成。利用各通道接收波形的相位差对接收回波的每个时间样本进行回波方位估计，利用回波到达时间差计算海底距离，同时采集侧扫声呐图像数据。基本技术原理如图1所示，换能器阵中2个接收阵元RX_i固定间距为d，利用相位差在给定时间（t）下测量反射回波信号的角度（θ）和回波振幅（a_i），进而对海底进行点位深度测量和声呐成像。

测深侧扫声呐的侧扫几何结构形成了非常宽的扫测视野，并提供了更宽的水深条带夏盖宽度，从而提高了在浅水区域的调査效率。然而，传统的测深侧扫声呐极易受到水中复杂噪声、混响、多路径回波信号等因素的干扰，实现精确测深一直是一个难点。此外，该类型声呐的侧扫几何结构中央波束方位估计精度差，导致了声呐正下方天底部位数据误差较大、存在探测盲区等系列问题出现，近年来，为提高测深侧扫声呐探测精度，结合束控多波束测深声呐中的多通道接收基阵和相干多波束声呐中的基于相位信息的估计方法，测深侧扫技术得到了快速发展。

（二）多相位回声测深侧扫技术原理

多相位回声测深侧扫技术 (MPES)在测深侧扫声呐基本技术原理上发展而来，是美国EdgeTech公司生产的新一代测深侧扫声呐EdgeTech 6205S2系统的核心技术，该技术充分结合了束控多波束测深声呐、相干多波束测深声呐的优点，利用侧扫声呐的发射几何结构，增加了接收阵元的数量，多个接收阵元通过波束形成和波束控制技术提高了声呐灵敏度性能。侧扫板条几何结构保持了宽带测绘能力，而波束控制降低了数据噪声并消除了相干声呐固有的天底部位探测盲区问题。

具体来讲，MPES技术使用1对换能器阵列，1个面向左脑，1个面向右脑，以产生测深和侧扫数据。每个阵列有10个测深接收阵元，每侧最多可获得9个相位差测量值，这种多相位测量在解决海底探测问题时有几个优势:①接收阵元的数量提高，使得每个水深数据的平均值和标准偏差计算精度提高，以便从统计上滤除双重回波(或多路径回波)噪声数据，从而提高每个测深点的准确性;②增加的通道数通过波束形成和波束控制处理方法将能量聚焦在天底区域，从而在该区域创建更密集的数据集，实现了对整个海底条带的测绘;③波束形成对多路径回波进行有效抑制，降低了对声学混响的敏感性，增强了对外来声学噪声的抑制;④同步采集、共同配准的多波束、侧扫声呐数据有助于提高外业勘测和内业数据处理效率。

水深测量精度是测深侧扫声呐重点关注的问题，有关学者通过实验数据与参考数据对比，对MPES技术测深精度进行了评估。图2为10 m水深条件下水深总垂直不确定度(TVU)95%置信区间与水深的函数关系，图中黑点及其蓝色拟合线代表不同水深倍数条件下水深总垂直不确定度(TVU)95%的置信区间，红色水平直线代表国际水文测量组织(IHO)特级测量标准的总垂直不确定度。由图2可以看出，MPES技术在9.5倍水深范围内符合IHO特级标准，与传统多波束测深声呐相比，以MPES技术为基础的测深侧扫声呐能够在更宽的愛盖范围内满足水深调査标准规范要求，可有效减少调査区域内的扫测次数，减少数据采集时间和成本，提高调査效率。

据文献[23]修改

（一）系统介绍

基于MPES技术的EdgeTech 6205 S2测深侧扫声呐系统测深数据符合IHO SP-44特级标准，可生成共同配准的测深和双频侧扫数据，可同时采集反向散射强度数据，波束开角可达200°，测深模式可选等角或等距模式，集成表层声速传感器，可选配集成OEM惯性导航系统。根据具体作业场景，系统有520/850kHz(双频侧扫和520 KHz测深)、520/850KHz(双频侧扫和850 KHz测深)、520/1 600 kHz(双频侧扫和520 kHz测深)、850/1 600 KHz(双频侧扫和850 kHz测深)可选，详细技术参数如表1所示。不同于侧扫声呐常用的拖曳作业方式，Edge-Tech 6205 S2测深侧扫声呐采用船舷固定安装作业方式(图3)。拖曳式作业方式易受载体、拖曳运动姿态影响，导致声波发射-接收几何关系动态畸变，严重影响对海底特征、目标物位置的准确判断。而船舷固定安装作业方式，侧扫图像直接与测深点数据配准，不需要额外进行这两类数据的配准工作。在进行数据处理、解释工作时，共同配准的多波束测深和侧扫声呐图像可互相参考、验证特征或目标，以确保不会从数据集中删除真实特征数据，大大提高了后期数据处理和解释工作效率。

（二）数据采集处理

本次海上调查作业期间，导航定位采用加拿大Hemisphere公司的HV110差分GPS定位系统和美国CoastalOceanography公司的Hypack导航控制软件，罗经采用法国Ixea公司的OctansⅢ光纤罗经系统，声呐系统默认通过Discover软件进行采集控制、数据显示/存储，系统组成如图4所示。外业采集数据工作完成后，使用Caris Hips&Sips、Son-arWiz软件进行数据后处理，使用Surfer、GiobalMapper等软件进行成图，进而开展海底地形地貌、管道埋藏状态分析等工作。

调查作业开始前，为满足多波束和侧扫声呐全覆盖测量要求，根据设备性能指标和作业海域现状，在Hypack软件中进行测线布设，平行海管方向布设测深侧扫测线，垂直海管方向布设浅地层剖面测线，在单点系泊管汇重点关注区域，布设加密测线。多波束测深原始数据必须经过声速改正、潮位改正等关键处理步骤，才能最终生成准确可靠的水深测量成果，为此，合理设计选择站位进行了声速剖面测量、验潮工作(图5a)。

吉速剖面测量设备为加掌大AML公司生产的Minos·X声速剖面仪，外业调査期间共有效完成了4个站位的声速测量，数据处理结果显示，调査区表层声速约为1540 m/，与多波束测深设备表层声速值高度吻合，随深度增加，声速衰减速度先快后慢，调查区底层海水声速约为1 535.4 m/(图5b)。潮位观测使用了日本ALEC电子株式会社的Compact小型自容式验潮仪，验潮数据显示，调查区潮汐为不规则半日潮，平均潮差约2.0 m(图5c)。实测声速剖面数据和验潮数据为多波束测深声速折射改正、条带拼接提供了基础数据支撑。

为査明水动力环境对调査区海底沉积地貌改造的影响，在海底管道单点系泊附近海域采用挪威NORTEK公司的Signature ADCP进行了调査期间的潮流流速、流向观测。观测结果显示，涨潮流方向为W向或NW方向，落潮流方向为E向或SE向(图5d)。近底流速(距底1.2 m)的平均值为0.08 m/，最大值为0.17 m/s，最小值为0.01 m/s;中层流速(距底10.2 m)的平均值为0.10 m/s，最大值为0.24 m/s，最小值为0.01 m/s;上层流速(距底20.2 m)的平均值为0.20 m/s，最大值为0.46 m/s，最小值为0.07 m/s，上层流速显著大于底层流速(图5e)。