什么是海洋测量工具 -海洋测量特点有哪些

" _/ b( ?5 @8 n! y) f& s

需要明确几点，首先，所有设备都是系统运作，也就是说需要若干辅助设备才能实现其功能；其次，设备没有好坏之分，只有适用环境、任务目标的差别，即没有绝对好的设备，只有适用的设备；再次，所有的探测数据都有多解性，小到对信号的甄别，大到对目标数据的提取，都需要技术人员在熟悉仪器原理和区域环境的基础上付出大量的工作才能获得准确可靠的成果，不存在所谓的“完全自动化”。

1. 测深仪（或称单波束）

系统配置：测深仪换能器、工控机，定位系统（GPS），需要实时验潮

作业方式：船体安装，走航测量，岸上验潮或RTK潮位修正

* ~# m( Q) ~$ Y7 ?: `

著名厂商：加拿大KNUDSEN公司 美帝ODOM公司 天朝海鹰公司

关键词：时深转换 声速改正 波束角 运动改正

# n9 Q, i3 P1 b8 @7 @

单波束可以说是所有声学探测设备的鼻祖了，其原理非常简单，就是前文中所提到的时深转换。但是原理简单并不代表着仪器操作简单，为了获得高质量数据和清晰的反射图像，现场控制依然有很高的要求，拿换能器吃水来说，太深的话不仅会受二次反射波影响，还可能威胁到行船安全，太浅的话水体噪声又太大，信噪比降低也会使数据质量下降。

对于单波束而言，声速改正是比较简单的，因为其声轴是竖直方向的，不牵涉声波的折射偏移，只需要对沿深度方向的水体声速进行分层定值或平均再做计算就可以获得精确水深；由于单波束是记录最短的信号往返时间进行水深计算，所以目前的单波束都在努力减小波束角，使到达海底的信号覆盖区域尽量缩小，以获得更为精确的水深数据，但是在海床形态非常复杂的区域，即使减小波束角，单波束测得的水深仍然会存在较大误差（图1）；对于运动改正问题，目前在单波束测深系统中运用比较少，其原因在于单波束是记录最短的信号往返时间进行水深计算的，因此在船体的横摇（roll）、纵摇(pitch)小于波束角时仪器测得的水深是不受这两种运动影响的，只有船体起伏(heave)会对水深值产生影响（图2），但是一般在能够接受的海况条件下测量艇作业时受浪的作用起伏多是低频的，这种船体起伏对数据的影响可以在后期处理过程中通过分段平均的方式减弱，从而达到测量精度要求，因此，只要选择合适的测量艇，并将单波束固定安装在其重心位置处，就可以满一般测量的需要了。需要注意的是，当船体晃动严重时，波束发射会变成斜向，由此产生的误差会是相当可观的，且水深越大这种误差越大。

TIPS：虽然单波束目前市场逐步缩小，但其在一些特殊条件下仍有不可替代的作用。比如海洋工程领域，试用双频测深仪进行浮泥厚度探测就是一种经济、高效的手段，由前文可知，高频信号分辨能力强，但穿透性弱，相反低频信号分辨能力弱而穿透性强，通过记录两种特定频率信号的反射图像就可以很容易地识别浮泥层顶、底界面，例如，在黄河三角洲海域，试用24kHz和100kHz频率组合的双频测深仪反射图像，剔除不可理数值后取平均值即可获得悬浮淤泥厚度。

) H j2 M* L4 ^1 \/ s$ \

2. 侧扫声纳系统

系统配置：声纳拖体、工控机，定位系统（GPS），姿态传感器（可选配），

作业方式：拖曳式走航测量，

# n0 d# J5 B1 ~" e

著名厂商：美国Klein公司（已被L3收购） 美国EdgeTech公司

7 x* W" J8 A0 n9 S

关键词：半定量设备 探测面积大 动员时间短 目标识别快

) B7 n( \$ k+ N& m8 K

自二战以来，声纳就是各国海军发展的重点，尤其是冷战期间的反潜，反水下渗透破坏，侧扫声纳的识别精度、勤务性、作业航速大幅度提高，以Klein 8000型侧扫声纳为例，可在航速20节的条件下获得高清晰度的海底图像，当然，这玩意儿目前依旧对华禁运。侧扫声纳利用拖体两侧的换能器发射、并接收信号，然后根据信号强弱反演海床形态（图3），因此也被商家冠以“地貌仪”的噱头进行推广。

& C+ ^4 r2 q* r( H i

但是必须清楚，侧扫声纳只能获得海底的高低起伏，也就是说它记录的是地形变化引起的反射信号相对强度的差异，而无法获得海床上点的精确水深！因此它属于“半定量探测设备”。由于侧扫声纳探测面积大，动员时间短，且对于具有特殊外形的目标物识别能力强，因此在海洋工程探测，抢险搜救，考古探宝等领域广泛使用，尤其是搭载磁力仪之后，对于金属物的探测显示出了其他仪器、作业方式无法比拟的优势。目前的侧扫声纳系统多采用双频换能器，在满足大覆盖宽度的前提下提高分辨率。但是在一些特殊条件下，侧扫声纳的图像也会具有欺骗性，例如当海床上的沙纹小于侧扫声纳的最小分辨尺寸时，声纳图像上会显示一片强反射，在没有其他资料的条件下，作业人员很容易将这种区域识别为极硬底质甚至是礁石露头。这种现象是仪器原理决定的，如果拿不准，可以通过变换测线方向，比对同一区域图像的方式进行甄别，如果是极硬底质，多次测得的图像会表现出相似性和规律性，如果是由于超出仪器分辨能力产生的假波图像，则一次一个样，毫无规律。TIPS：侧扫声纳也有浅水型和深水型之分，因此不能将水深作为侧扫声纳的适用范围区分标准！重量轻、体积小，换能器频率相对较高是浅水型侧扫声纳的主要特点，通常一个成年男子就可以搬动声纳拖体，如Klein3900型，拖体长度为1.22m，干重仅有29kg,工控机就是一台笔记本电脑，整体轻便，部署作业简便，因此这类侧扫声纳对作业平台的要求也相对低一些（图4）。3.条带测深系统上世纪7、80年代，国外厂商开发出了“条带测深系统”，此类系统可以实现对航迹线两侧一定宽度海底水深值的高密度采集，从而大大提高了水深地形测量的效率。对于此类系统，解算水深时最关键的物理量莫过于斜距和波束发射角。斜距相对而言比较容易获得，就是最基本的时深转换，而波束发射角的获得方式在基于不同原理开发出来的产品中就存在一定差异了，下面就来说说目前比较流行的两种条带测深系统。3.1多波束条带测深系统（简称多波束，或束控多波束）系统配置：多波束换能器、表层声速计，工控机，定位系统（GPS），定向系统（罗经），姿态传感器（三轴MRU），声速剖面仪（SVP），需要实时验潮作业方式：船体安装，走航测量，岸上验潮或RTK潮位修正著名厂商：丹麦Reson公司 挪威Konsberg公司

7 G" m9 B+ ?0 M& d' x' i$ D

关键词：束控 时深转换 全覆盖 声速改正 波束角 运动改正

& O0 x4 b: C8 |6 Q% r7 P7 @! ]

将若干个单波束成排放置，就可以得到完全覆盖其下方的水深值，但这样显然不够经济，覆盖宽度有限，且需要的换能器也太多。如果我们将一系列不同发射角的波束集中起来，使其向海底发射，然后记录往返时间，这样不但能探测更宽的区域，还能缩小换能器的体积，在这一思路的指导下，第一代模拟多波束条带测深系统诞生了（图5），当然多波束也是目前最为复杂，作业控制要求最高的系统。

8 [. c' n; ]. `( @! Z1 V

多波束系统出厂时只能算是“半成品”，其换能器、定位、定姿装置、操控单元只有和载具完成安装后，才能算是一个完整的系统。波束（Beam）是通过多震源以不同位置和时间序列发射声波（Sounding），利用相位叠加原理形成的，为了精确控制波束指向性，多波束系统需要实时测量换能器附近的水体声速；同时为了使波束稳定低指向海底，减弱船体的晃动对波束的影响，形成均匀整齐的脚印（Footpoint）,实现“船动我不动”,需要实时监测并记录船体的横摇（roll）、纵摇(pitch)、船体起伏(heave)，以及航向，并调整不同位置震源的发射时间；由前文可知，入射角越大，在声速界面处声波的折射越明显，所以在作业过程中需要经常量测水体声速来修正水深数据……

- {; I9 ], a8 [& h. a# l6 S9 o

由此可见多波束条带测深系统所记录的物理量是非常多的，包括：换能器安装姿态校准数据、系统延时、定位导航信息、声源处水体声速、水深剖面声速、信号往返时间、回波信号相位，以及船体的三向运动等，把所有这些值全部输入工控机，才能获得正确的水深数据（图6）。

7 _2 T" V; N+ E* ^5 Q

TIPS：早期的多波束为了获得较大的覆盖面积，通常换能器的体积都很大，即使如此，在水深较小时仪器的覆盖面积也会受到影响，因此多数情况下都是在深水、中深水环境使用的，但随着传感器原理和技术的进步，逐渐出现了一些“浅水多波束”，虽然名字接近，但其原理和硬件构架更接近深水设备，比如，将发射器和接收器分置，换能器不仅要记录信号往返时间，还要记录返回声信号的振幅、相位，以获得更宽范围的精确水深，代表产品有Reson公司的7125，Konsberg公司的2040A，R2sonic公司的2024等，这类产品在继承了前代产品优势的基础上，都实现了波束分布的动态调节，以及在不损失数据密度前提下的指向性、覆盖宽度调节，使用更为灵活。

3.2相干声纳条带测深系统

系统配置：换能器、表层声速计，高度计（单波束），工控机，定位系统（GPS），定向系统（罗经），姿态传感器（三轴MRU），声速剖面仪（SVP），需要实时验潮

/ _* l% \0 p- n* u5 }& k3 J4 ?/ J

作业方式：船体安装，或拖曳式，岸上验潮或RTK潮位修正

著名厂商：英国GeoSwath（已被坑死波哥收购） 美国Klein公司（目前5000及以上级别的侧扫声呐都有相干功能，3500更让人感觉是笨骚死C3D的翻版……）

关键词：轻量化浅水 相干计算 宽覆盖 声速改正 运动改正

6 {$ ]0 l# q" E1 R7 J; ]

在多波束发展过程中，有人设想，能否结合侧扫声纳和多波束条带测深系统二者的优点，制造一种小型轻便，既能测量确切水深，又在浅水中有较大覆盖宽度的仪器，通过实验，相干声纳系统应运而生（图7）。

) Y" v7 w3 |0 G. q! _8 G- v

+ U5 E8 v& X) Z1 ~5 d6 x

由于这种设备是基于侧扫声纳原型的，声轴无法垂直指向海底，在其正下方信号强度很弱，因此需要在水下单元安装一个单波束测深仪来补充数据空白。

/ i4 N" Q! V) @5 ^1 n i9 l5 u

相干声纳条带测深系统在浅水环境下能够实现极大的覆盖宽度，但其硬件架构设计是存在先天不足的，因为它是通过很少的换能器（相对于束控多波束系统而言）发射接近球面的开角极大的绳波信号，然后利用多个接收器记录回波信号的相位差来计算回波指向角，实现多点水深测量的，也就是说相干声纳获得的水深值都是经过多重相干计算的，虽然可以获得极大的覆盖宽度的水深地形数据，但非实测值，因此在海床起伏剧烈的水域，相干声纳测深系统的数据质量很容易出问题，比如换能器正下方海床异常突起等，因此，在实际测量过程中可采用“非等距”的方式布设测线，即每两条测线间距较小，保证测艇上线施测时两舷换能器声轴方向正好可以覆盖另一条测线正下方的海底，以提高数据质量。

TIPS：对于很多人而言，区分拖体式相干声纳条带测深系统和侧扫声纳系统是很难的，因此闹出过不少笑话，其实只要清楚二者原理上的差异，可以很容易地区分它们。简言之，从外观上来说，侧扫声纳的换能器是拖体两侧水平安装的，就好像“H”的两道竖线，而相干声纳的换能器则是呈“V”形分布的，而且旁边会安装声速计或CTD以记录或计算换能器处的水体声速。这类产品比较典型的当数Benthos公司的C3D系统和Klein公司的3500系统，此类系统通过对算法的改进，降低了信号多解性，在目标物识别方面明显优于同类产品，但原理上没有实质性改进。

: W- g9 K, a1 t

4.浅地层剖面仪（简称浅剖）

系统配置：换能器、工控机，定位系统（ＧＰＳ）

作业方式：拖曳式走航测量或采用船体安装

8 t9 G9 e4 _% d! Y d2 m6 k

著名厂商：瑞典Konsberg公司 美国Benthos公司

' m0 o1 S+ h J! W5 n6 \3 s2 k

关键词：低频　穿透　参量阵技术 ＣＨＩＲＰ技术　钻孔修正

! t; l0 t# P0 |" x# L: V

当我们需要获知海床以下浅部地层、灾害地质因素、埋设物等的分布情况时，需要使用一种工作频率相对较低，对海底地层有一定穿透能力的设备来实现，这就是浅地层剖面系统（图8）。这种系统的工作原理也是非常简单的，只是信号频率更低，能量更强，信号在各个声速界面上形成反射，水听器接收回波信号后即可形成声学地层图像。按信号频率从高到低排列，震源类型主要包括：压电陶瓷（晶体振动）、Boomer（金属撞击）、电火花（等离子体）等，当然这不是绝对的，比如参量阵技术，就是通过两个相对高频的信号通过相位叠加最终形成若干个不同频率的信号，其中就包含了频率极低的信号。

5 p1 _5 Q3 v8 `3 \4 t8 j) o w

在波束控制方面，目前有两个方向：在海洋地质调查领域，科学家往往关注地层的产状，以及浅部的特殊地质现象，因此需要在波束角尽可能小的情况下，实现波束稳定，使其始终垂直指向海床，压制绕射，减小地层产状变化对声学图像的影响（图8）；

9 L5 t9 o6 u* P1 l% `* |1 [2 g

% F6 }! l# q2 e2 x* l' v6 ?9 r

在海洋工程调查领域，浅剖为了获得具有特征的目标物回波信号，通常不会一味地减小波束角，换句话说，它发射的信号更接近于扇面波或球面波，例如老外吹牛逼的“管线仪”，横跨海底管道时形成的类似于抛物线的声学图像（图 9）。

! Z! |1 u; [9 X& v6 p

7 d9 r( t0 o* C- H$ \