宽覆盖相干声呐和多波束测深系统的比较

    相干声呐是一种利用相干塬理获取水深及侧扫数据的新型扫海设备，其发展历史可追溯到1983年。当时英国的Bath大学正在研究用于海底测量的相干声呐。这项研究显示出了该项技术的先进性和实用性。1985年,研究小组成立了一个公司,开发商用产品。公司以Bathy大学为基地,取名Bathymetrics.他们1987年成功地开发出世界上第一套商用产品,并将仪器售给了荷兰皇家海军。然而,由于商业应用需求的迅速发展,研究小组在1991年成立了一个新的公司-Submetrix,并组织强大的技术力量开始了相干声呐的专业化、商业化研究开发和生产。随着计算机技术的不断发展，相干声呐的软、硬件功能得到了不断完善，它已成为新一代高效率水底地貌探测设备的主要代表和发展方向。

! a* H6 s: \- D: V1 Q    由于相干声呐测量水深的塬理和多波束完全不同,因而其覆盖宽度、数据密度、分辩率、精度、便携性及成本价格等均比多波束有优势。主要体现在:
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& V  d: x3 s" Q* Z+ ?2 U- I    1.采集的数据密度大,分辨率高

    相干声呐是按一定的时间间隔测量一系列回波的反射角度,根据角度算出该点的水深,即角度是时间的函数：θ=f(t),t=t1,t2,t3,...tn。相干声呐采集数据的密度取决于声能透射带的大小及采样间隔的长短。由于其换能器的开角为300度,发射的是连续的、在垂直方向无指向性的声波,采样时间间隔可以很小,最小可达5微秒,即相当于海底水平方向上的采样间距为7.5cm。每次发射在其频带内可以采集多达6000个数据(一侧),这样密集的数据使系统的分辩率优于以往任何一种测深设备,足以反映海底的细节。
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    多波束是利用波束形成,根据一系列已知角度测量声波的来回时间差,算出每个角度对应的斜距,从而计算出该点的水深,即时间是角度的函数：t=f(θ),θ=θ1,θ2,θ3,...θn。

    波束的数据密度取决于波束个数及其“脚印”的大小。由于受换能器开角及波束个数的限制,一般而言,多波束每次发射只能测量60-120个数据点，且其数据的密度从换能器下方到边缘是越来越小。

+ @/ A9 J- G9 `: _3 d    2.能获得真实的侧扫图像,真正做到条带测深和侧扫声呐二合一
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/ v/ S% Y7 w* K$ l6 R6 m    由于相干声呐的振幅记录是由无指向性的声板按时间系列连续接收反射信号,这些信号是真正的侧扫信号,其换能器和一般的侧扫声呐的换能器是一样的,因此,系统既有条带测深功能,又有高分辨率侧扫功能。1999年7月,在上海长江口进行的一次演示中,相干声呐以6节的速度对长江口导堤的水下丁堤护底排进行了探测,侧扫图像清晰地反映了大小为40x40cm的连所块的形态及其分布状况。

. s/ E9 }3 I2 Y7 q! s7 M& D    而多波束由于其波束的指向性,多波束记录的每个信号只是反映了该波束水底反射信号的平均强度值，因而无法获得真正的侧扫数据。
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    3.覆盖宽度大
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8 c" ~* ~' }( x- P  l6 T. {2 j    由于相干声呐的发射和接收声板是无指向性的,其接收开角很大（300度）。其声能的覆盖宽度和水深没有关系,只要声波到达区域的反射信号强度足够用于相位测量，则该区属于有效覆盖范围。一般而言,在工作水深小于200m时，其覆盖宽度可达水深的10-15倍，在浅水水域,它可以探测到海岸线。因此，在港口、航道、近海、河道、湖泊等浅水水域的测量中，最能发挥相干声呐的优势。
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8 k2 G1 F6 c. {/ E    多波束由于其换能器的开角是固定不变的,其覆盖宽度和水深成一个固定的比例关系,水深越大,覆盖宽度越大;反之,则越小。多波束虽标称其覆盖宽度可达水深的6-7倍,而实际上其有效覆盖宽度只能达到水深的2-4倍。因此，在浅水水域，多波束难于发挥其优势。只有在工作水深大于200m时，多波束才能发挥其优势。

    4.精度优于多波束
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    相干声呐的深度测量精度由换能器姿态及航向测量系统的精度决定。由于目前姿态测量的精度已很高（TSS精度已优于O.O5°），相干声呐换能器自身角度测量精度也好于0.05°，也即综合精度为0.1°。因此,相干声呐的测量精度优于IHO规定的水深的1%。
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    其精度和距离的关系由下式确定：

4 P* N0 f% W$ h$ l$ p    δD=S*Sin(δθ)
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    其中，δD为深度误差，S为指定点离换能器下方的水平距离，δθ为角度测量的精度。由此公式可以方便地计算出不同精度要求时的最大测量距离。1999年7月22日在长江口的演示表明，相干声呐的测量精度远远超过我国国家标准海道测量规范的要求。

4 I& E! J& v  b7 q    对于多波束而言,其深度误差由其波束宽度和姿态测量精度决定。由于声波在水中的传播受水介质理化特性的影响，在船正下方左右各45°开角的范围内，测深精度较高，超出此范围，精度将受到不同程度的影响。此外，每个波束在海底的“脚印”(footprint)有一定的宽度,在“脚印”之内,由于每个波束只采集一个该波束水底反射回波信号,无论是取平均值或最大值，均不能准确反映波束内的真实情况，因而测深点在“脚印”内部的定位会产生一定的误差。这种误差随着水深的增加而增大,越靠近边缘“脚印”越大，误差也越大。
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, a; {8 x' V( W5 \    5.覆盖宽度对测量船的横摇不敏感

4 q# w& Y" j* G5 j9 G    由于相干声呐换能器的无指向性,测量船的横摇对覆盖宽度不会产生大的影响。而多波束由于其固定的、有指向性的波束,当测量船发生横摇时,其波束对海底的透射会发生位移,即“脚印”发生位移。如有12度的横摇,若多波束标称覆盖宽度为水深的7倍,而在这种情况下,其覆盖宽度实际上只能达到水深的3.7倍。由于横摇对多波束覆盖宽度的影响,导致该系统需要附加的设备来消除这种影响,这就降低了系统的可靠性并会产生误差。

    6.无旁瓣效应影响
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& y5 y7 B) O  c4 E) z0 U- L3 B1 G    由于相干声呐换能器的无指向性,海底的位置是靠测量相位而确定的,换能器声板的主瓣很宽,其因而不会产生旁瓣效应。

( e" _8 Z' b% l$ ~. l    多波束的主瓣很窄,在区分海底目标时,很难抑制旁瓣效应的影向。这些来自旁瓣的反射信号会导致错误的产生。尤其在海底地形较复杂探或有海底管道时,这种影向更大。

    7.可以对塬始数据进行检查和再处理
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/ h1 W8 f; v7 C0 V+ `5 P  V: v    相干声呐记录的是未作任何处理的塬始相位及振幅,可以对这些数据进行检查和再处理,便于在发现图中的异常后对其进行解释。

    多波束以X,Y,Z的方式记录测量数据,无法对声呐信号进行再处理。

+ i% d' a- B4 m    8.系统硬件结构简单,换能器坚固可靠,便于安装

    相干声呐有两个换能器,成V字型布置,每个换能器有5个声板。因此,一共有10个阵元和10个信号通道,且电子器件均在水上的主机中,换能器不含任何电子元器件,因而坚实可靠、简单轻便、使用寿命长、制造成本低,可灵活地安装在任何船只上。

8 Z- c8 N2 Y) X* n    由于多波束的换能器需要多达150个声板和信号通道,并含有大量电子部件,制作工艺十分复杂,导致结构复杂、可靠性下降、体积大、笨重,需要固定安装在船底，换能器一旦出现问题，其维修工作十分艰巨。
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& b4 e/ s& Z' c8 I! Z$ m    9.系统成本低
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& }% \2 E( D# u) B- ~1 ^    由于相干声呐的换能器结构简单,制作成本降低,从而整个系统的成本大大降低，其价格比多波束有竞争优势。

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