束控多波束与相干多波束的比较研究

朱钦卿

(苏州华邦岩土工程有限公司，江苏苏州 215021)

1 概述

20世纪70年代出现的多波束测深系统是在回声测深仪的基础上发展起来的，它利用波束形成技术产生特定方向的声波，这种多波束测深系统一般被称之为束控多波束，又由于其较早出现，也被称为传统多波束。20世纪80年代，利用相干法原理测量成为多波束测深系统的一个新发展方向，使用该原理研制的多波束被称为相干多波束测深系统［1］。由于相干多波束和束控多波束采用了不同的原理，所以两者在许多方面的性能上有着不小的区别。本文分别以SwathPlus和Sonic2022作为两种多波束测深系统的代表进行讨论。

2 原理

所有多波束测深系统都需要通过测定两个变量来实现对垂直于航迹向的水底各点的垂直深度与横向距离的计算:声学换能器中心点到水底每个测深点的距离(斜距)和从换能器到水底各点的声路角(即声线改正后反射波的入射角)。图1为多波束测量的几何关系图。

图1 多波束测量几何关系

在一级近似条件下有(忽略了声线弯曲、换能器吃水改正、潮位改正以及发射接收中心点位置偏差):

式中，H为换能器到海底的距离;D为测点到换能器到海底投影的距离。

对于斜距，我们通过声速(v)和声波在水中的旅行时间(t)相乘可以得到;对于声路角，有两种方法可以获得:一种是按照事先确定的角度接收反射波;另一种是在特定时间下，测量反射回波信号的角度［2］。

2.1 束控多波束

大多数束控多波束的发射换能器和接收换能器是独立的，按照Mills阵的方式进行安装。根据波的干涉原理，数个波存在振幅的加强和减弱的部分，相应的会产生一个主波瓣和数个旁波瓣。Sonic2022是通过对声源阵中不同基元接收到的信号进行适当的相位或时间延迟的方法产生256个特定方向的主波瓣，这种方法被称为相位束控法［3］。图2为相位法波束形成图。

图2 相位法波束形成

图3 换能器与海底回射点几何关系

多波束换能器的接收阵对波束进行定向接收。当入射角较小时，回波振幅较大，反射波尖脉冲特征比较明显，可以使用振幅检测拾取反射波。当入射角较大时，回波振幅越来越小，反射波尖脉冲特征，尖脉冲特征越来越模糊。当入射角足够大是，反射拾取无法实现，此时振幅检测就失败了。为了克服此问题，一些束控多波束边缘区域采用了利用相位检测技术。

2.2 相干多波束

相干多波束的发射阵和接收阵是一体的。换能器发射了一个沿航向角度很窄，垂直航向方向角度很宽的扇形连续波后，海底的回波信号被换能器的接收阵按照一定的相位差(即时间差)接收。根据相干原理，换能器阵中两个固定间距的接收换能单元之间的相位差和波束的到达角存在固定的关系，从而计算出到达角的大小，通过横摇补偿，结合记录的波束传播时间即可进行深度与横向位置的计算。

以SwathPlus多波束测深系统为例，换能器上存在4个接收单元，回波到达各接收单元的时间不同，回波的相位差就被测量记录下来。这就是利用相位差来测量回波角，进而对海底进行点位和深度测量的相干测量原理。图3为换能器与海底回射点几何关系图。

设同一回射点到不同接收单元的相位差为Φ，波长为 λ，则有:X/λ =φ/2π。

因为:X=h·sinθ，所以:φ =2πh·sinθ/λ。

从而测量的回波角:

由上式可知:对于给定的接收单元间距P，可由测量的Φ计算出θ。

所以:H=r·sinθ，D=r·cosθ。

式中，v为声波速度;t为声波传播时间。

3 性能差异分析

3.1 数据密度差异

束控多波束系统和相干多波束系统由于在波束的形成上分别采用了束控法和相干法两种不同的方法，使得其测深数据多少分别由不同的物理量决定。

束控多波束的每一次海底扫描所获得的测深数据量受控于波束接收电子单元的数量，一般来说，一次海底扫描可以获得的测深点数目在100～260之间(Sonic2022为256个);相干多波束在波束形成上使用的是相干法，所以相干多波束每一次海底扫描所获得的数据量取决于接受相同Ping海底前后两个回波信号间隔时间。以SwathPlus为例，每次海底扫描单边可获得256～49 152个数据，相比束控法高出1倍至2个数量级。

3.2 测深点水平分辨率差异

在多波束中，通常可以采用每Ping测深点密度来衡量。对于传统多波束而言，一个海底声脚印只能获取一个测深点数值。束控多波束的声脚印随着垂直开角的增大以正切函数递增。以水深30 m为例，1°波束在垂直下方的“脚印”约为0.5 m，同样的波束在60°开角时，“脚印”则超过2 m。若不考虑船体的横摇，此时边缘数据分辨率已很难满足实际处理需要了［4］。

从相干多波束原理可以了解到，决定测深点间距的是水深H和采样时间间隔t。

设第n+1次采样与第一次采样时间间隔为nt，水深为H，声速为v，则有:

换能器第1次采样时间为t1=2×H/v;

换能器第n+1次采样时间为t(n+1)=2×H/v+nt;

换能器到n+1个测深点的斜距间隔为:

根据上式可以计算不同水深的测深点距离间隔，因此相干多波束的测深点密度从中央到边缘是逐渐变大的，水平测深分辨率越来越好。以水深30 m为例，若采用16 μs作为采样时间间隔，那么可以保证换能器正下方左右1 m范围内有1个测深点。而在开角60°处，1 m范围内有72个测深点。

以水深30 m为一个重要参考线，在不考虑各种干扰的情况下，若水深小于30 m，使用束控多波束的最差分辨率相比较相干多波束的最差分辨率而言更能满足实际数据处理需要。若水深大于30 m，则相干多波束较好。

3.3 覆盖宽度差异

多波束测深系统的覆盖性能是由覆盖宽度/水深(宽深比)来衡量的。由于相干多波束和束控多波束采用了不同的波束形成原理，所以它们的覆盖宽度是由不同的物理量决定的。

由于采用双换能器会在换能器中央下方产生比较严重的串音现象，所以束控多波束通常是采用单发射－单接收阵的。其最大的宽深比是由换能器开角决定的。考虑到发射波的角度增加，其声脚印会越来越大，导致测深点过于稀疏，以至于边缘测深点无法做后处理。所以通常开角最大为140°。Sonic2022虽然号称开角可以达到160°，但是在实际生产中，开角设置超过140°的情况很少。在开角140°的情况下，覆盖倍数大约是5.5倍。

相干多波束的标准是双换能器配置，覆盖角度超过180°。以SwathPlus为例，它的覆盖角度达到300°，在航道内测量时，甚至可以探测到河岸部分。在理论上来说，其宽深比完全由水深和设备的斜距量程决定。以SwathPlus M(234 kHz)为例，其斜距量程为400 m，若水深为40 m，则宽深比可以达到19倍还多。在水质非常理想的情况下，实际的宽深比可以达到20倍。中国的大部分地区由于水质比较浑浊，所以覆盖宽度基本在10倍～12倍。

众所周知，多波束的测量精度从中央到边缘是逐渐变差的。在不考虑各种外围设备误差带来的测深精度误差情况下，相干多波束的精度和单边覆盖宽度有如下关系:

其中δH为深度精度，D为换能器到符合该深度精度测深点的水平距离，θ为姿态补偿仪的精度与相干多波束角度精度之和。

以SwathPlus为例，θ为0.1°，表1是不同测深等级下单边的测深覆盖值。

不同测深精度与最大单边覆盖对应表 表1

由于传统多波束自身的测深精度较高，且开角不大，所以在规定的工作水深之内，边缘测深精度大多可以满足IHO S44特等精度0.3 m要求。

从以上分析可以看出，即使考虑到深度精度要求，相干多波束的宽度覆盖性能上仍优于束控多波束。

3.4 中央测深点准确度差异

相干多波束在换能器下方中央地区的反射波束，由于声程差与相位分辨率相差不大，所以会影响到测深点数量以及质量。另外，换能器正下方的海床底质，水质浑浊程度和底部地貌都会对中央数据质量产生不小的影响。加之换能器正下方中央地区测深数据较少，在数据处理成图过程中可能产生中央地形的突起或凹陷。目前的做法通常是在换能器V型架中央安放一个单波束测深仪探头，通过准确的单波束测深数据作为参考，按照1 m2出现2个深度异常点才可认定存在深度异常的原则处理数据［5］。

传统多波束系统在换能器正下方中央区域通常采用的是振幅检测，通常信噪比很高。加之换能器中央波束密集，通过后处理可以得到精度很高的数据。

图4 GeoSwath Plus三维光照图(海南东方某沙波区)

图5 SeaBat8101三维光照图(海南东方某沙波区)

图4、图5是相干多波束GeoSwath Plus多波束系统和束控多波束SeaBat8101多波束系统［6］在同一海区海底三维光照图，在分辨率上GeoSwath Plus系统具有非常大的优势，但是换能器正下方的数据存在明显的突变，图中表现为地形的凸起，同样问题在Sea-Bat8101多波束系统中不存在。

3.5 单位时间生成数据量差异

大多数束控多波束都有采集回射点振幅，生成二维海底声图(旁扫声呐图像)的功能。但若没有指定，束控多波束不会检测海底回射点振幅，产生的数据量不大。另一方面，由于束控多波束测深点较少，对于硬件设备以及软件算法的要求也较低。若采集振幅值，则数据量会大大增加。总的来说，其数据量大小可以比较灵活的控制。

相干多波束在工作时会采集每个测深点的振幅，所以生成的数据量很大，以 SwathPlus为例，若采用16 μs的采集间隔，每小时采集的数据量大小会超过2 G。这对硬件设备，采集算法，数据处理算法以及三维建模算法均提出很高的要求。

4 结语

通过以上的分析比较，可以发现两种多波束系统都具备较好的测量精度，可以满足各种复杂环境下的水深地形调查需要。相干声呐多波束测深系统浅水简单平坦的区域下，如内河航道、水库大坝、海洋考古或是找寻管道等探测上有更好的效果;束控多波束测深系统更适合应用于环境比较恶劣的水区。根据各自的特性可以得出如下结论:

(1)相干多波束的测深数据量大大高于束控多波束的测深数据量。束控多波束测深点密度分布从中央到边缘是逐渐变得稀疏的，而相干多波束与之相反，中央区域的测深点较为稀疏，边缘则变得密集;

(2)在覆盖宽度上，相干多波束相对束控多波束优势明显，可以减少测线布置，提高外业测量效率;

(3)在水质情况不理想的情况下，通常相干多波束在换能器正下方存在着虚假信号，会给室内处理带来不小的困难。室内处理中虽然可以使用单波束测深仪数据作为参考，但此时后处理将更多的靠手工处理，而无法使用行业通用的CUBE算法进行主要以软件为主的数据处理。并且，单波束测深仪同样会造成多波束接受的信号信噪比降低等干扰;

(4)相对束控多波束而言，相干多波束单位时间产生的数据量堪称海量，这对存储设备，后期数据处理，建模算法等方面以及人员提出了更多的要求。

［1］赵建虎，李娟娟，李萌.海洋测量的进展及发展趋势［J］.测绘信息与工程，2009(04):25～27.

［2］Peter Hogarth.Shallow Water Surveys Using the GeoAcoustics GeoSwath［M］.Australia:Shallow Water Conferenc，2003.

［3］赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理［M］.武汉:武汉大学出版社，2008.

［4］Andy Talbot.Shallow Survey 2005 common data set comparisons［R］.UK:Hydrographic Office，2005.

［5］李成钢，王伟伟，阎军.传统多波束系统与具有相干特点的多波束系统的研究［J］.海洋测绘，2007，27(2):77～80.

［6］谭良，汪劲松，张黎明.SeaBat8101多波束测深系统在内陆河中的应用［C］.全国测绘科技信息网中南分网第十九次学术交流会优秀论文选编.北京:中国测绘学会，2005:187～191.