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科技资讯2017 NO.19SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION工 程 技 术88科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION1 研究背景地球表面近70%的面积被海洋所覆盖,因此海洋的战略地位和蕴含的潜在经济价值正越来越受到人们的重视。
相对于陆地而言,海底可能蕴藏着更加丰富的资源,为了合理地开发这些资源,就需要对海底的地形地貌有一个全面的了解,这是建设海洋工程、开发海洋资源、发展海洋科学研究、维护海洋权益等各种海洋活动的基础,但如何去了解海底地形地貌呢？众所周知,在陆地上可以利用卫星遥感,红外遥感等方法来获得地表的地形地貌,但在海洋中这些方法却行不通,因为电磁波在水中衰减太快,几乎传播不到海底就衰减完了,所以无法用电磁波来探测海底的地形地貌。
声波和电磁波虽然都是波,存在很多类似的地方,但海水对它们的吸收系数却很不一样,声波在海水中衰减较小,可以在海水中传播得较远,所以理论上可以用声波来探测海底的地形地貌。
基于声波这样一种优良的性质,人们利用声学原理,并结合信号处理技术和图像处理技术,研制出侧扫声纳来探测海底的地貌,形成能反映海底地貌的侧扫声图。
后来又有人提出多波束测深声纳,用来测量海底的深度,从而获得海底地形。
相对于传统的单波束测深声纳而言,多波束测深声纳不仅大大提高了测深效率,并且能得到直观的海底三维地形图。
侧扫声纳的优点:(1)横向分辨较高,能得到高分辨率的二维海底地貌图;(2)可以根据海底回波强度信息定性分析海底介质的组成;(3)价格便宜,安装简单。
缺点:不能得到直观的三维地形图,不能精确地测出海底深度。
在测深侧扫技术方面,国内从事测深侧扫声纳研制的单位更是少之又少,仅有声学所从20世纪80年代开始开展测深侧扫声纳相关理论研究,形成了一套包括模型、信号处理技术、声纳阵设计、误差分析与精度评估在内的较完整的高分辨率测深侧扫声纳的理论体系,用于指导声纳设计。
浅析测扫声呐在海底电缆检测中的应用发表时间：2017-12-25T10:36:06.693Z 来源：《电力设备》2017年第24期作者：邓姗姗陈航伟黄小卫[导读] 摘要：海底电缆周围复杂多变的环境条件，人类海样频繁的海洋活动，对海底电缆的安全稳定运行均有可能造成危害，为了确定海底电缆本体及周围环境的变化情况，有必要对海底电缆进行相关检测，以便及时发现海底电缆的风险点及薄弱点，及时采取有效措施，杜绝事故的发生。
（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局广州 510405）摘要：海底电缆周围复杂多变的环境条件，人类海样频繁的海洋活动，对海底电缆的安全稳定运行均有可能造成危害，为了确定海底电缆本体及周围环境的变化情况，有必要对海底电缆进行相关检测，以便及时发现海底电缆的风险点及薄弱点，及时采取有效措施，杜绝事故的发生。
对应用测扫声呐系统检测海底电缆所处路由的地形地貌情况、海底电缆保护情况及周围环境状况的方式进行了分析与探讨。
关键词：海底电缆；侧扫声呐；检测；地形地貌1 引言随着海洋资源调查和海洋开发进程的加快，以及近海风电技术的发展，海底电缆的应用越来越广泛。
海底电缆周围运行环境复杂多变，海浪和洋流的冲刷、环境腐蚀、海洋生物影响以及人类海洋施工、捕捞、渔业养殖、船舶抛锚等都可能危及到海底电缆的安全[1]。
一般情况下，海底电缆施工时会采用深埋、抛石坝、铸铁套管等保护方式，以防止外力破坏。
但是负责多变的海洋环境及人类在海缆路由区域的各种活动，会使海底电缆的保护方式发生各种各样的改变，一旦海底电缆发生故障，修复施工技术难度高，价格昂贵，持续周期厂，势必会造成重大的经济损失及政治影响。
因此有必要对海底电缆进行各种各样的检测，以确定其运行环境的安全，而侧扫声呐则是一种方面、简单、成本较低的检测方式。
2 测扫声呐检测系统工作原理利用测扫声呐检测系统对海底电缆路由区域进行地形地貌检测，可以获取海底电缆路由声学影像，对影像进行分析，辨识海底电缆裸露和悬空情况，确定裸露段、悬空段的长度、对应的水深、地形地貌等，能够获取海底电缆上方石坝的外观状态，是否存在塌散或变形，能够发现海底电缆路由残存海床的锚具、锚链、缆绳须进行位置坐标检测和着床姿态检测。
多波束和侧扫声纳系统在海底目标探测中的应用摘要：随着我国海洋资源的日益开发，海底目标的探测变得尤为重要。
本文介绍了多波束和侧扫声纳系统在海底目标探测中的应用，主要包括测量原理、系统组成和关键技术。
以南海某海域为例，采用多波束系统探测了海底目标的几何形态、面积、体积、深度等信息，并用侧扫声纳系统获取了目标的声学图像，对两种方式获取的数据进行了比较分析，探讨了多波束和侧扫声纳系统在海底目标探测中的优缺点。
结果表明：侧扫声纳系统更适合于海底目标探测，但侧扫声纳系统在浅海环境下的探测深度和分辨率远不及多波束系统；多波束声呐系统可以对海底目标进行三维立体成像，但存在一定的测量盲区。
关键词：多波束；侧扫声纳；数据处理；海底目标引言：多波束和侧扫声纳系统作为目前最常用的声呐设备，具有探测精度高、工作效率高、探测范围广、可多方位同时探测等优点，已广泛应用于海洋调查、海洋测绘、海洋环境监测等领域。
根据测量目的不同，多波束系统主要分为全波束声呐和侧扫声呐两类。
侧扫声呐系统工作时由侧扫声纳探头从海底发射声波，到达海底后通过换能器接收声波信号，并通过图像处理方法得到海底目标的三维成像信息。
全波束声呐系统则可以同时探测多个目标。
一、海底目标探测方法在水下目标探测中，通常使用换能器、多波束和侧扫声纳等设备，其中多波束声纳可同时探测多个目标，它通过发射和接收多个波束信号进行数据采集，并对目标进行三维成像。
侧扫声纳是利用海底的回波信号进行目标探测，它能实现对海底地形地貌的高分辨率和高精度探测。
在实际工程中，根据海底目标的特点，通常会采用多种方法综合应用于海底目标探测。
先用侧扫声纳对海底区域进行扫描测量，然后利用多波束声纳系统获取多个波束的三维数据。
数据处理后得到的数据文件包括原始数据文件、高精度航迹文件、坐标系文件和测深图像文件等。
在实际工程中，通常利用多波束系统获取某一区域的多个波束数据点，然后通过计算机软件处理得到海底地形地貌和海底目标的三维图像。
侧扫声呐技术及在海洋测绘中的应用探讨作者：孙丽平来源：《科技资讯》2017年第19期摘要：该文以侧扫声呐技术在海洋测深中的应用为研究对象，论文首先探讨了侧扫声呐测深的优点和国内发展现状，进而分析了国产侧扫声呐HRBSSS的工作原理和数据处理流程，在此基础上，结合某具体案例分析了该系统的测深精度。
关键词：侧扫声呐技术海洋测绘数据处理测深精度评估中图分类号：P714 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0088-021 研究背景地球表面近70%的面积被海洋所覆盖，因此海洋的战略地位和蕴含的潜在经济价值正越来越受到人们的重视。
相对于陆地而言，海底可能蕴藏着更加丰富的资源，为了合理地开发这些资源，就需要对海底的地形地貌有一个全面的了解，这是建设海洋工程、开发海洋资源、发展海洋科学研究、维护海洋权益等各种海洋活动的基础，但如何去了解海底地形地貌呢？众所周知，在陆地上可以利用卫星遥感，红外遥感等方法来获得地表的地形地貌，但在海洋中这些方法却行不通，因为电磁波在水中衰减太快，几乎传播不到海底就衰减完了，所以无法用电磁波来探测海底的地形地貌。
声波和电磁波虽然都是波，存在很多类似的地方，但海水对它们的吸收系数却很不一样，声波在海水中衰减较小，可以在海水中传播得较远，所以理论上可以用声波来探测海底的地形地貌。
基于声波这样一种优良的性质，人们利用声学原理，并结合信号处理技术和图像处理技术，研制出侧扫声纳来探测海底的地貌，形成能反映海底地貌的侧扫声图。
后来又有人提出多波束测深声纳，用来测量海底的深度，从而获得海底地形。
相对于传统的单波束测深声纳而言，多波束测深声纳不仅大大提高了测深效率，并且能得到直观的海底三维地形图。
侧扫声纳的优点：（1）横向分辨较高，能得到高分辨率的二维海底地貌图；（2）可以根据海底回波强度信息定性分析海底介质的组成；（3）价格便宜，安装简单。
缺点：不能得到直观的三维地形图，不能精确地测出海底深度。
多波束与侧扫声呐在水下探测中的应用李英超1 朱俊尧2发布时间：2023-06-18T03:45:26.497Z 来源：《科技新时代》2023年7期作者：李英超1 朱俊尧2 [导读] 近年来，我国很多水下探测人员为了提高探测结果的准确性，逐渐在工作中应用多波束与侧扫声呐。
基于此，本文主要概述了多波束测深系统和侧扫声呐系统，而且分析了多波束与侧扫声呐在水下探测中的应用案例，希望可以为有需要的人提供参考意见。
1.身份证号码：37108219811221xxxx；2.身份证号码：37028119880823xxxx摘要：近年来，我国很多水下探测人员为了提高探测结果的准确性，逐渐在工作中应用多波束与侧扫声呐。
基于此，本文主要概述了多波束测深系统和侧扫声呐系统，而且分析了多波束与侧扫声呐在水下探测中的应用案例，希望可以为有需要的人提供参考意见。
关键词：多波束；侧扫声呐；水下探测对于水资源开发利用而言，水下障碍物探测是重要的基础，其可以运用先进的探测技术，准确测量水下地形及障碍物，如此一来，除了可以保证水域船舶安全通行，也能科学指导水下救援工作的进行。
在现阶段的水下探测中，经常采用的探测方法有两种，一种是多波束，另一种是侧扫声呐。
从根本上来看，这些障碍物探测手段都是条带式扫海系统，其可以扫测整个水底地形。
然而在扫测过程中，不管是多波束还是侧扫声呐，都有着不同的工作原理以及方法，此文将某个水库救援-测试项目作为例子，科学分析多波束和侧扫声呐的应用要点和应用效果。
一、多波束测深系统和侧扫声呐系统的概述（一）多波束测深系统当前，在水下测深中普遍应用多波束探测系统。
就设备结构单元来讲，通常其包含多个单元，比如：测深设备以及定位设备等等。
其中，该系统的数据分辨率容易受到很多因素影响，最为主要的是探测设备多波束换能器。
对于系统而言，差分GNSS接收机属于定位装置，在障碍物定位测量过程中其起到控制测量的重要作用。
在多波束测深过程中，利用罗经运动传感器可以迅速测量航向数据，而且对船实时姿态准确测量。
侧扫声纳系统在海底障碍物扫测中的应用摘要：随着我国经济发展水平的不断提高，海域开发活动日趋频繁，极大推动了海洋经济发展。
当前，海道测量使用侧扫声纳位置精准不高，本文将结合采用GPS定位系统、单波束系统获得更为精准的侧扫数据，进一步探究与以上系统配合使用的侧扫声纳系统在海底障碍物扫测中的应用效果，结果显示这种方法大大提高了扫测精度，具有非常好的适用性。
关键词：侧扫声纳系统；障碍物扫测；GPS定位系统；单波束系统引言作为一种多用途水声设备，侧扫声纳由数据采集计算机、连接电缆及声纳“拖鱼”组成，其中，“拖鱼”中安装了声纳换能器。
按照固定时间间隔“拖鱼”会向水底发射携带一定音频能量的波束，可以依据反射回来的声波幅值形成海底地形灰度图。
鉴于侧扫声纳有着非常高的分辨率，被广泛应用在海底目标探测、海洋测绘、海洋地质勘察等活动中，本文将以平台为例，调查平台周围海底障碍物分布情况，通过多系统组合扫海测量，大大提高了障碍物扫测精度。
1.精准定位侧扫声纳系统拖鱼坐标原点以拖鱼为中心建立，拖鱼前进方向设为x轴，向下方向为y轴；在船体坐标系中，以船体为中心建立坐标原点，其中，船艏方向设为x轴，与船体垂直的方向为y轴，垂直向下方向设为z轴。
拖体坐标利用船舶导航定位系统确定，明确船舶艏向、GPS点、拖体三者间相对关系，这是测量时需要额外注意的事项。
一般可使用WGS48坐标系作为测量坐标系。
可以使用三参数法转换坐标，在测量范围不大的情况下，但如果有着较大的测量范围，则七参数更为适合。
海洋调查过程中，通常拖鱼采用拖曳式前进，这是在水深80m左右时适合采用的方式。
当拖缆较短且入水不深时，可保持在船尾150mm以内将拖鱼。
此时可以计算出拖鱼准确位置及拖缆长度S，详见下图1所示。
图1 拖曳式拖鱼位置在上述公式中，物体高度用H0表示；声影的长度用D表示；拖体距离海底的高度用B表示；物体与拖体之间存在的斜向间距用C表示。
在扫海测量中，使用侧扫声纳通常拖鱼位置在测穿正后方，并且大多数情况下海底较为平坦，但这仅是假设，并非科学认证的结果。
工程技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald28多波束测深系统以条带测量的方式，可以对海底进行100%的全覆盖测量，每个条带的覆盖宽度可以达到水深的数倍。
应用这种高新技术，不仅可以获得高精度的水深地形数据，还可以同时获得类似侧扫声纳测量的海底声像图，为人们提供了直观的海底形态；侧扫声纳的出现为海底探测提供了完整的海底声学图像，用于获得海底形态，并对海底物质的纹理特征进行定性的描述。
利用侧扫声纳和多波束测深系统能够探测海底地形、地貌、障碍物的特点，侧扫声纳和多波束测深系统在大陆架测量、港口疏浚、渔业捕捞、水利和生态监测、海底电缆探测、油气管道布设路径地形测绘以及轮船锚泊海区检测等方面均得到了广泛的应用，且取得了明显的效果，两者都是开发和利用海洋资源必需的仪器设备。
在水深测量精度、定位精度、声像图分辨率等方面两者又各有独特的优点，如果将两者综合起来加以应用，可有效增强不同观测数据的互补性，提高工程质量。
本文以EdgeTe ch 4200FS型侧扫声纳和Sim rad EM 1002型多波束测深系统为例来说明其在海洋目标探测中的综合应用。
1 侧扫声纳和多波束测深系统的特点多波束测深系统与侧扫声纳都是实现海底全覆盖扫测的水声设备，都能够获得几倍于水深的覆盖范围。
它们具有相似的工作原理，以一定的角度倾斜向海底发射声波脉冲，接收海底反向散射回波，从海底反向散射回波中提取所需要的海底几何信息。
由于接收波束形式的不同以及对所接收回波信号处理方式的不同，多波束测深仪通过接收波束形成技术能够实现空间精确定向，利用回波信号的某些特征参量进行回波时延检测以确定回波往返时间，从而确定斜距以获取精确的水深数据，绘制出海底地形图。
侧扫声纳只是实现了波束空间的粗略定向，依照回波信号在海底反向散射时间的自然顺序检测并记录回波信号的幅度能量，仅仅显示海底目标的相对回波强度信息，获得海底地貌声像图。
侧扫声纳在海域使用动态监测中的应用
杨仁辉
（中交广州航道局有限公司，广州，510220）
内容摘要：侧扫声纳为海域使用动态监测提供水域面皆界址，在实施过程中有两个方面的重点，一是判别水域界限边界，二是确定边界地理坐标位置。
根据动态监测的技术特点，细致安排测量方案，灵活改变测量方式，获得高清晰度和分辨率的水下图像。
往复测量数据比对，获得平均坐标值，并与RTK坐标数据比对，其坐标误差范围完全满足规范要求。
关键词：动态监测；侧扫声纳；旁挂式；中误差
1前言
近年国家加强了对工程建设中海域使用的监测力度，改变了以往只在工程竣工时进行面积界址界定的做法，实行了海域使用的动态监测做法。
根据《南海区填海项目海域使用与海洋环境动态监测技术大纲》的要求，对审批的工程项目填海海域使用区向海外扩100m的范围进行海域使用范围动态监测。
这样做的目的是为了更好地动态掌握工程项目建设期间填海的实际界址及面积，防止超填、越界围填等非法用海行为的发生，为海洋行政主管部门在该项目海域使用填海竣工验收时提供项目施工期间、施工后（竣工验收前）填海用海区状态的科学依据。
海域使用动态监测过程中陆域部分使用全站仪、RTK等设备进行测量，水域部分是使用测深仪进行水深测量，绘制水下地形图，使用侧扫声纳进行声纳扫测，获得水下地貌图，根据水深变化和水下地貌特征界定实际使用面积界址。
而水域部分是海域使用面积组成中最重要的部分，是界定海域使用合法性的关键，由此可见侧扫声纳的使用在海域使用动态监测中有着非常重要的作用。
2侧扫声纳的工作原理
侧扫声纳是由side scan sonar一词意译而来，是利用回声测深原理探测海底地貌和水下物体的设备，又称旁侧声呐或地貌仪。
声呐向水中发射声波，通过接收水下物体反射回波发现目标，并测量其参量。
目标距离可通过发射脉冲和回波到达时间差估计。
一般情况下，硬的、粗糙的、凸起的海底回波强；软的、平滑的、凹陷的海底回波弱，被遮挡的海底产生回波，距离越远回波越弱[1]。
利用接收机和计算机对脉冲信号进行处理，最终变成数学参量显示在屏幕上，每一次发射的回波数据显示在屏幕的一条横线上，每一点显示的位置和回波到达的时刻对应，每一点的亮度和回波幅度有关。
将每一发射周期的接收数据按线形纵向排列，就构成了二维海底地貌声像图[2]。
图2-1 侧扫声纳工作演示图
目前国内外使用的主流侧扫声纳采用的是双频双通道换能器，即两个频率同时工作同时采集处理，同时基本上都采用线性调制技术（Chirp）。
拖鱼上的两个换能器倾斜放置，水平开角很小（1°～2°），垂直波束很宽（40°左右）[3]，通常采用拖曳式方式对海底扫描。
波束频率一般采用100Khz至1600Khz，其垂直分辨率非常高，可清晰的识别和反映海底地物地貌。
现在侧扫声纳广泛的应用于目标定位、海底特征的确定、石油工业应用、疏浚、扫雷、环境应用、渔业等多领域中。
3海域使用动态监测技术特点
海域使用动态监测的首要目的就是要确定填海界限，包括陆域和水域两部分，水域部分界限的界定主要依靠就是侧扫声纳测得的海底地貌图。
所以侧扫声纳的工作包括两方面主要的技术内容，一是判别水域界限边界，二是确定边界地理坐标位置。
正确判别水域界限的边界就要保证声纳图像的清晰度和分辨率，
要确定边界地理坐标位置就要保证坐标位置的准确性。
而按照以往常规的侧扫声纳测量方法进行工作，很难同时满足这两个要求。
首先一般使用侧扫声纳测量时采用的是船后拖曳方式，目的是保证拖鱼的稳定姿态，使其不受测量船摆动的影响。
但因为采用式非刚性连接，这种方式无法保证定位的准确性，另外因为要尽量靠近目标体，拖曳方式容易造成拖底和碰撞，安全性较差。
其次如果采用船舷旁挂方式，拖鱼与测量船是联动的，所以受测量船姿态影响比较大，在天气条件不好的情况下成像的清晰度较差，同时易受测量船发动机、水花等噪声影响。
而动态监测区域由于受施工、水文地理条件影响，安全性和操作性都比较差，这就必须采取不同的工作方式来满足动态监测的目标要求。
4案例分析
广西壮族自治州防城港市某核电工程海域使用动态监测项目要求是确定进出水口内围堰、堤坝基床或回填物倾埋水下的外缘线坐标。
采用的侧扫声纳设备为美国克莱因公司的Klein3000型，重量轻，可靠性高。
图4-1 Klein3000侧扫声纳系统
4.1目标区域条件
目标区域位于防城港市红星村旧址附近，紧邻钦州港。
该区域为混合潮型，大、中潮为正规日潮,小潮为不正规半日潮。
自然水深很浅，近岸区域低潮时海底裸露，水下地形复杂伴有大量礁石。
监测时期出水口正在抛石，进水口抛石同时进行工字块码放。
安全和水文条件非常恶劣。
4.2采取措施
根据目标区域现场条件，为取得理想的效果，测量人员经过分析采取了几项应对措施：
1)采用高频信号，在保证安全的情况下尽量贴近目标施测，以便
取得较高的分辨率；
2)拖鱼采用旁挂方式，略高于船底。
施测时段安排在高平潮，船
速保持在4节以下。
这样既保证了安全，也可以控制船体的姿
态，可以取得较清晰的图像；
3)施测计划线都与目标物平行，尽量规避弯曲测线出现，内业处
理中剔除所有弯曲航迹测得的图像，避免图像的几何失真；
4)采用往复施测，对同一目标物进行两次测量比对。
同时事先对
低潮时裸露出的特征点使用RTK进行标定，与侧扫声纳测得的
坐标进行比对。
4.3实际效果
在采取以上措施进行实际勘测后，测量人员取得非常好的效果。
首先图像的清晰度和分辨率都非常的高，细腻的反应了目标的影像，人工抛填物和原始海底的分界十分清晰，抛填石和工字块都可以轻易分辨出来，方便了技术人员对特征点的勾画。
图4-2 出水口侧扫图像
图4-3 进水口侧扫图像
其次分析定位误差，其来源有几点：DGPS定位误差、拖曳点相对GPS位置测量误差、拖鱼在水下相对于测量船的位置误差，以及解析中产生的判读误差等。
由于采用旁挂方式，高平潮测量，控制船速等措施，各个误差源都相应减小，分别为：DGPS的标称精度为0.50m；拖曳点相对于GPS的测量误差优于0.05m；拖鱼采用旁挂方式，GPS 与换能器相对位置误差应为0；测量量程为75m，采用高频信号，其垂直航线的分辨率为0.07m，解析中可能造成两个像素的误差，因此解析误差约为0.14m。
因此估算测量中误差为：
δ=2
2
20.14
0.50+
+=0.52(m)
+
0.05
优于《海域使用面积测量规范》对于近海测量点位中误差1m的要求。
往复两次测量数据比对表明两次特征点坐标差基本都在1m范围内，只有一个点大于1m。
往复测量特征点坐标比对表4-1
RTK与侧扫坐标值（两次平均值）比差也基本在1m范围内，只有两个点大于1m，这里可以将RTK数据近似看作真值，所以可以发现侧扫与RTK测量平均坐标差值为0.62m，只是略高于估算的中误差，但完全达到规范要求。
5总结
在海域使用动态监测中侧扫声纳起着非常重要的作用。
使用较高频率信号，抵近目标平行布置测线等措施，可以获得清晰的海底地貌图像，直观的反应了填海界址。
虽然侧扫声纳是一种主要用于大洋底勘探，而不是用于测量距离或深度的声纳[4]。
但在近滨海内，水深适中，影响定位的因素不是很明显，在适当改变拖挂方式，合理安排施测时段，控制测量船船速姿态的情况下，仍然可以将误差控制在规范要求内。
当然本文没有涉及到软件处理中对图像进行的角度、斜距、几何变形等改正，但是随着科技进步，设备和软件的发展，在多种姿态传感器辅助下，提供更多的改正数据，可以使得侧扫声纳具备更加简单便捷的采集处理方式，更加准确的精度，更加广阔的应用环境。
参考文献：
[1]蒋立军，杜文萍，许枫.侧扫声纳回波信号的增益控制[J].海洋测
绘，2002，22（3）：6-8.
[2]许枫，魏建江.第七讲侧扫声纳[J].物理，2006，35（12）：
1034-1037.
[3][4]赵建虎.现代海洋测绘[M].武汉：武汉大学出版社，2007：201.。
