SeaBeam3012深水多波束测深机理及其应用
张登1，2 张涛1，2 马云龙1，2
【摘 要】本文在介绍SeaBeam3012深水多波束测深系统的测量原理、主要技术特点的基础上，对波束扫描技术、系统组成单元、系统主要技术指标、波束稳定方法和近场聚焦处理等进行了分析，阐述了该系统水下换能器阵安装方式和辅助测量设备，并对该系统在作业应用方面进行了简要描述。 【期刊名称】测绘技术装备 【年(卷),期】2019(021)001 【总页数】5
【关键词】SeaBeam3012 多波束测深系统 波束扫描技术 波束稳定方法 近场聚焦处理
1 引言
SeaBeam3012是ELAC公司的最新一代深水多波束测深系统，该系统采用先进的革命性的波束扫描专利技术，可以完全进行艏摇、纵横摇运动补偿。SeaBeam3012是唯一能进行实时全姿态运动补偿的全海洋深度多波束测深系统。系统工作频率为12kHz，工作水深80～11000m，最大工作速度可达15节。新的波束扫描技术包括宽覆盖、浅水近场聚焦等特性，使它的性能远超过其它常规扇区扫描发射技术。SeaBeam3012系统能够实时采集测深信息、后向散射数据、水体（柱）数据、侧扫声呐图像等，并以良好的视觉形式将测量结果呈现在操作员面前。多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度高、效率高的特点[1]，该系统不仅广泛应用在海洋测绘领域，而且在海洋资源管理领域、海洋权益维护领域等都具有非常重要的作用[2,3]。
2 深水多波束测量原理
深水多波束测深系统的组成主要包括水上部分和水下部分，其中水上部分主要由声呐显控与数据服务器、声呐主机和各种传感器组成；水下部分则由接收阵列和发射阵列构成，主要功能是能够实现声信号的实时收集、处理、分析与结果展示等[4]。
深水多波束从安装在船底的发射换能器发射一个声呐信号,来自多个发射阵的信号在垂直船的轴向方向形成了一个宽覆盖的单波束。声呐信号到达海底后被反射回来，横向安装在船底的水听器接收反射回波并将声信号转换成电信号，这些信号被送到声呐处理器进行处理，声呐处理器检测出海底并记录位置及其它特征信息。这些计算主要是根据信号强度和来回时间进行，系统将这些声呐数据和来自船舶导航的位置信息集成在一起。系统每发射一个脉冲,海底深度、位置信息以及其它有关信息均显示在工作站上,可实时查看海底的特征。
3 SeaBeam3012多波束测深系统工作机理
3.1 SeaBeam3012多波束测深系统的技术特点 3.1.1 波束扫描技术―深度和侧扫声呐的分辨率
传统的扇区扫描系统每个扇区需要不同的频带，这意味着整个系统的带宽需要分割成许多小的频带分配给每个扇区。以2kHz带宽（最先进的12kHz系统）为例，若分为7个扇区且采用多ping技术（2个条带14ping），那么2kHz的带宽最终变成了100Hz（包括分频），这么小的带宽允许的最小脉冲宽度只有10ms。系统的分辨率并不取决于A/D转换器（假定A/D转换器的时钟精度足够高），而是取决于波束宽度和带宽，而带宽等于脉宽的倒数，也即1/10 ms＝100Hz，其最小分辩率为7.5m。对于常规扇区扫描系统而言，在浅水区，
最小深度和侧扫声呐的分辨率是7.5m，因此常规扇区扫描声呐要获得更好的分辨率只能是关闭艏摇、纵横摇稳定器，这对深水测量系统而言是不可取的。基于波束扫描技术的系统，其每个波束均完全利用了系统的带宽，最小脉宽可达2ms，带宽500Hz，深度和侧扫的分辨率达到1.5m。对于采用波束扫描技术的系统，在浅水区，其最小深度和侧扫分辨率为1.5m, 而无需在系统分辨率和波束稳定二者之间均衡得失。 3.1.2 波束扫描技术―空间覆盖
波束扫描技术和常规扇区扫描技术的主要区别为：波束扫描技术产生的一系列条带脉冲的海底脚印肯定是均匀、平行分布的直线（边沿除外）；而扇区扫描技术的条带脉冲会产生抛物线形的海底脚印，有些区域会重叠在一起。这些抛物线形脚印和重叠区在后处理时会导致不连续漏空区而产生假数据。图1显示了不同发射技术下的海底脚印。
（a）：多脉冲技术（一个条带代表所有的脉冲，被看作一个在航迹方向很宽的单脉冲），这种结果是不能接受的；
（b）：扇区扫描技术，不连续的漏空区将产生假数据，不能接受；
（c）：波束扫描技术，实现了真正的运动补偿，获得的数据规则有序，可以接受。
3.1.3 测深系统发射技术
SeaBeam3012利用一种独特的波束扫描技术，以确保能对发射波束进行实时纵摇和艏摇补偿。SeaBeam3012系统的发射换能器阵为二维发射阵，可以对船舶的纵摇和艏摇运动进行实时补偿（只有二维阵才能实现真正的实时补偿）。发射阵沿船的横向方向装有12个声学基元，其结果是在该发射阵的垂向上形
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