海底地质过程模拟工具 -海底地质过程模拟工具有哪些

天笃 · 发表于海洋地质专业 2023-11-16 02:18:58

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多波束测深声呐技术已成为当今海洋地质勘探领域的重要工具。随着时代的发展，浅水多波束测深声呐技术和设备取得了长足的进步，为海洋探测提供了更加精准的数据支持，其在海底管道检测、水下环境调查等多方面得到了广泛应用。根据当前浅水多波束测深声呐技术的最新发展动态以及我国在该领域的实际研究情况，我们应该采取有效措施，以提升浅水多波束测深声呐的整体性能，接下来，笔者通过对国内外多波束测深理论和产品的深入探索，结合以往积累的丰富经验，主要就浅水多波束测深声呐的工作原理、关键技术等展开讨论，以期对业内人士有所帮助。

一、多波束测深声呐的国内外发展现状

海洋在全球范围内占据了71%的面积，它不仅是人类生存的基础，也是实现可持续发展的关键因素。随着海洋科学的不断进步，从资源开采、工程建设到军事行动，对于海底地形地貌的精确把握都是至关重要的，它们不仅是基础数据，也是决策的重要参考依据。

研究人员和工程师们已经对海底地形地貌进行了广泛的研究，并就此制造出了许多先进的设备。多波束测深声呐技术已成为海洋勘测的重要工具，它不仅可以用于海洋工程测量，还可以用于海底资源与环境调查，甚至可以用于海底目标的精确定位，为国家的安全和经济发展提供支持。

多波束测深的出现始于1956年，这一构想在该年度美国WoodsHole海洋研究所召开的一次学术会议被首次提出，自此至今，半个世纪以来，多波束测深声呐系统和其他相关技术的研究取得了显著的成果。就目前的多波束测深声呐发展情况来看，相关研究学者已经在该方面成功完成了浅水、中水以及深水多波束测深声呐的系列化产品研发目标，本文重点就浅水系列展开叙述。

中国的多波束测深声呐技术可以追溯到上世纪80年代中期，借助于传统模拟波束形成技术展开了相关研究，但是最终因为受到多方面的因素干扰，其并没有真正用于实践中。

在上一世纪90年代初，为了满足国防战略和海洋开发的需求，哈尔滨工程大学与天津海洋测绘研究所等协作探索出了一种多波束测深声呐，具体适用于中海环境。在其被研发出来后，便推广到大陆架以及陆坡区，其工作的频率参数为45kHz，探测的广度范围最低为10米，最高为1000米，其深度范围为2～4倍水深，然而，由于其尺寸较大，无法广泛应用，而早期的多波束能量中心测深技术虽然简便，但其准确性和覆盖面都受到一定程度的局限。

自21世纪初，在中科院声学研究所、中船重工第715研究所等多家机构的共同努力下，研发出中国第一套深水多波束测深声呐系统，为深海探测提供了重要的技术支持。近10年来，多波束测深声呐分为浅、中、深水三类之分，由于后两者的研发难度以及推广应用难度比较高，另外，从我国在多波束测深声呐方面的实际发展情况来看，其对于第一类技术的需求较为紧迫，故而我国不少研究团队都以此为着手点，进行了大量国产化的探索，以满足国内对此类技术的需求，并取得了良好的效果。通过不懈的努力，我们已经成功地突破了国外的技术垄断，建立起了自己的品牌，并且正在逐渐取代国外浅水多波束测深声呐产品。

二、工作原理

围绕多波束深测声呐的工作原理进行有关介绍，简单来讲，其指的是声波在发射、接收换能器基阵之间发出、接收，这里所提及的声波覆盖的扇区较广，对于声波接收方而言，其会通过窄波束的形式将回波接收过去。发射、接收的波束交汇时，在海底的垂直于船只航行的条带上产生了大量的照射脚印，通过应用信号处理技术，继而可以准确地预测出脚印中的反向散射信号的传播时间t以及传播角度θ。通过使用声速仪测量数据，进一步可以使用下述公式来计算水深。

Hθ＝1/2×ct·cosθ

虽然多波束测深声呐的基本原理相对简单，但从对市场上各家公司生产的产品分析可知，其具有不同的特征和性能，之所以会出现这一点，主要和其关键技术存在关联性。并且产品之间的显著差异性也给用户带来了选择方面的障碍，接下来我们将重点围绕几种关键技术加以分析。

三、关键技术

⒈超宽覆盖技术

由于人们日益关注测量效率，因此对于超宽覆盖的测深技术也有了更高的要求。然而，传统的Mills交叉线阵技术无法达到超宽覆盖标准。这种情况的主要原因有：

⑴由于边缘波束海底目标与基阵之间的距离较远，因此声信号的扩散和传播受到了显著的影响；

⑵从掠射角的角度分析，对比边缘波束海底目标以及基阵二者的差别，明显可以看出前者的角度更小，因此反向散射的信号也比较弱；

⑶当掠射角减小时，等效接收基阵的孔径也会减小，从而降低分辨率；

⑷由于每个发射基阵的覆盖范围有限，而且不会产生额外的增益，因此边缘波束的信号能量会相对较少。为了应对这些挑战，世界各地的学者们都投入了大量的精力来设计浅水宽覆盖声学基阵，并且也从提升边缘波束测深精度方面进行了大量的研究。

在本次关键技术分析中，我们主要从阵型设计方面进行了相关探索。如图1所示，从中可以看出其对发射、接收阵型的外侧均进行了优化处理，这对于提高其超宽覆盖性能具有重要意义。

图1 AtlasFansweepCoastal基阵内外形状实物图

⒉复杂信号技术

对于浅水多波束测深声呐而言，出于对距离分辨率方面的考量，一般在探测信号的确定方面选择的是窄CW脉冲。当发射基阵的最高发射功率已知的前提下，窄脉冲的能量就会受到较大程度的约束；使用长CW脉冲来进行探测可以显著提升发射能量，从而实现更远的探测范围，并且增大扇面，但同时也会导致距离分辨率受到影响，从而降低其精度。所以，需要使用复杂信号，例如FM和编码脉冲。如EM2040使用一种长度为12毫秒的FM信号来进行探测。

使用复杂的信号技术可以显著改善主动声呐的性能，但也会使得工程实施更加困难，比如说，发射机的构建更具挑战性，而且信号处理的计算量也会有所增加。

⒊动态聚焦技术

通过增加发射功率、运用复杂信号处理技术等，能够大幅度增强声呐的传播距离和扇形覆盖范围，从而实现更大的效果。然而，为了进一步增强声呐在小水深区域的探测精度，需要使用近场聚焦技术。当声呐和被测的物体的距离很近时，采用基于球面波声场模型的波束形成算法可有效规避波束角度展宽情况的发生。

图2展示了水池实验的相关情况，当目标位置在0.4～5.6m之间变动时，经过对比，我们可以清楚地识别出两种算法的性能差异。根据图2分析，随着距离的缩短，常规的波束形成算法将会导致波束的展宽，这将导致目标图像的清晰度降低。随着距离的增加，其和聚焦波束形成算法的表现将会变得越来越接近。

图2 两种波束形成算法对近距离目标探测性能分析示意图

虽然近场动态聚焦波束形成算法的基础原理相对简单，但它的计算过程十分繁琐，而且要求实时完成，因此需要经过多次调整和优化，直至最近几年，随着微处理器技术的飞速发展，使得实时性问题得以攻克，继而被广泛应用于浅水多波束测深声呐领域。

就像采用动态聚焦技术一样，探测声波也会面临相同的问题。因此，采用动态聚焦技术也可以显著提高浅水环境下的性能表现；使用计算机模拟，我们可以看到图3中显示的内容。

图3 聚集前后的目标回波强度示意图

图3中，通过（a）图仿真，我们发现，当斜距增大时，航行方向的发射波束会变得更窄，随着斜距的减小，航行方向的波束宽度也会显著提升，由于这种规律的存在，发射能量在海底分布方面呈现出发散现象。（b）图仿真，我们可以清晰地看到，当发射焦点集中于2m处，可以显著提高航行方向的发射波束宽度。

在浅水多波束测深声呐中，发射聚焦功能的应用普及度非常有限，哈尔滨工程大学在多焦点发射聚焦技术方面进行了大量研究，取得了令人瞩目的进展和突破性的成就。通过将发射聚焦到多个焦点，在水平距离的覆盖方面，航行方向上的发射波束宽度得以优化。

⒋波束控制技术

⑴横摇实时补偿

“左右晃动”的载体使得测绘条带的质量变得各不相同，有效宽度变窄，这大大降低了测绘的效率，使得测绘效果受到了影响；采用横摇实时补偿技术，可以有效抑制载体横摇对测绘条带的干扰，从而大大提升测绘的效率。在实际应用中，声呐接收波束形成算法必须根据姿态传感器输出的横摇值，及时调整其形成角度。

⑵纵摇实时补偿

如果没有进行纵摇实时补偿，载体将会出现剧烈的前后晃动，从而影响其稳定性。经过适当的补偿，继而可以观察到测绘条带在航行方向上变得更加均衡。在实际应用中，声呐发射基阵的每一个通道都需要根据姿态传感器输出的纵摇值来实时调节，调整发射波束的方向。

⑶艏向实时补偿

当载体偏离原有轨道时，测绘条带也会发生相应的偏移；通过进行艏向补偿，我们发现测绘条带与预期的结果相差不大。艏向补偿和纵摇补偿有着相似的特点，且在实际应用中，它们也可以结合起来进行考虑。在艏向补偿中，不仅需要声呐发射基阵的每一条通道都能够被单独控制之外，还需宽的发射扇面由若干个较小的发射扇面构成，而且它们的工作频率也是有所差异的。

⒌精细测量技术

⑴距离方向

距离方向精细测量取决于系统采样频率。随着采样频率的提升，数字序列之间邻近样本代表的时间差距也会变得更小，这将有助于更加准确地描述回波的到达时间。为了满足工程的需求，硬件平台必须拥有出色的性能，包括超快的数据传输速率、超大的数据存储空间。

⑵水平方向

精细测量水平方向的能力取决于接收波束的数量。随着微处理器技术的飞速发展，浅水多波束测深声呐的接收波束数量显著增加。采用高密度的测深点，继而可以更加顺利地完成海底探测任务。为了使算法能够高效地应用于工程，需要构建一个功能强大的信息处理系统。

⑶航行方向

航行方向精细测量主要取决于测绘ping率。随着ping率的提升，测绘条带在航行方向上的分布变得更加紧凑。为了提升ping率，必须拥有先进的信号处理技术，以确保可以快速收集当前ping的回波数据，从而获取准确的测点深度值；此外，还需通过应用频分和码分等复用技术，打破单频点ping率的局限。

四、总结

⑴尽管近年来浅水多波束测深声呐的关键技术取得了显著的进展，但是仍有许多研究人员在不断探索和开发新的技术，以满足日益增长的需求。通过分析宽带换能器技术、发射动态聚焦、艏向补偿等先进技术的研发可知，人们正在努力提高浅水多波束测深声呐的性能，研究人员一直在不断地探索这个领域。从根本上来说，这是由于人们对深海探索的需求日益增加所导致的。

⑵本文深入探究了当前全球主流的浅水多波束测深声呐技术，并对其关键性进行了详细的分析，这些技术是确保声呐具有卓越性能的必要条件，它们既是理论基础，也是工程实践的基石，具有重要的意义。部分产品尽管从外在形态上和其他一流产品相似，但它们的实际性能之间却存在巨大的差距。无论是来自海外的著名企业还是刚刚加入市场的新兴企业，要想实现“形神兼备”的目标，拥有先进、可靠的测深算法是至关重要的。这需要长期的努力和持续的积累，才能实现。

⑶多波束测深声呐技术的主要目的在于深入研究地形测量。尽管这一技术在多种领域中得到了广泛的应用，如海洋地貌成像和海洋底质分类，但地形测量的核心基础地位是万万不会被摇动的，没有精确的地形数据，后续的开发和应用将无从谈起。

近年来，我们的技术团队不断努力，成功地克服了浅水多波束测深声呐的关键技术难题。目前，我们已经推出多款实用的浅水多波束测深声呐产品，但是，我们仍有很大的潜力去追赶和超越国际先进技术水平。建议各有关部门共同努力，推动“产学研用”浅水多波束测深声呐的研发，以期实现中国海洋技术的进步，并最终成就一款可靠实用的新型声呐。

鉴于当前的研究时间有限，在未来的工作中还需深入探索以下领域：

⑴因为浅水多波束测深声呐的高分辨算法具有极高的计算复杂性，而且目前尚未得到广泛的应用，后续可以深入探讨高分辨算法的实时性，并尝试找到一种能够同时满足高精度要求的折中方案。

⑵通过对浅水多波束测深声呐的深入分析，可提出了一种新型的、拥有独立IP的、能够应用于商业场景的高性能浅水测深声呐产品。

⑶通过对海底地形的实际观察，我们发现，要想在海底地形稳健性研究方面获得准确可靠的结果，就必须收集足够的实验数据。建议与国内外专家共同努力，探索海底地貌及其受到水体目标干扰的回波信号特征，从而实现对海底地貌的精准、可靠的监测，减少人力成本，提升测深精度。

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END

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【作者简介】文/王建辉曲晓汝，来自山东港湾航务工程有限公司。文章来自《中文科技期刊数据库（全文版）工程技术》（2023年），参考文章略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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