海洋技术 三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状与展望

随着海洋科技和海洋经济的深入发展，对海洋的认知和开发已遍布海洋的各个区域，对探查装备的能力需求越来越高，要求探查装备的探测能力从近海延展到中远海，从水中悬浮、沉底目标扩展到海底以下地质层或掩埋物体。与此同时，随着海洋经济的快速发展，海底通信光缆、海底供电电缆、海岛之间的输水和输气等水下管道等铺设量也越来越大，而且这些基础工程都是关乎国计民生的重大事项。现在海底管道和线缆均采用掩埋的方式铺设，所以在后期的管缆路由探查和维护工作中，被掩埋的管缆目标的精确探测需求越来越迫切。

目前，可用于掩埋目标探查的技术主要包括浅地层剖面仪、二维合成孔径声呐和三维合成孔径声呐等。

浅地层剖面仪目前在传统的作业方式中应用最为广泛，但其主要问题在于开角非常窄，只能横穿掩埋目标作业。因此，浅地层剖面仪无法给出掩埋管缆目标的连续路由和连续埋深信息，对于管缆目标的埋设状态和裸露、悬空风险评估效果大打折扣。此外，浅地层剖面仪对细小的掩埋目标(比如直径20cm以内的管缆、光缆、普通的掩埋目标等)均无法探测。

合成孔径声呐的概念最早由美国的Raython公司在20世纪60年代提出，其基本思想是利用小孔径基阵移动，形成虚拟孔径，进而采用合成孔径信号处理方法大幅提高方位分辨力。目前，合成孔径声呐在高分辨海底成像、掩埋目标成像等领域均取得了大量应用。典型的设备厂商包括高频合成孔径声呐（加拿大Kraken公司、美国DTI公司、法国IXBLUE公司、挪威Konsberg公司等）和低频三维合成孔径声呐（加拿大Pangeo公司等）。

一、合成孔径声呐

⒈二维合成孔径声呐

早期二维合成孔径声呐的研究主要集中于侧扫式合成孔径声呐，只能形成目标的二维图像，无法给出深度信息。在此基础上，发展出了干涉型合成孔径声呐。干涉型合成孔径声呐仍然为侧扫工作模式，采用多条接收阵的方式，同时获取多幅二维合成孔径声呐图像，进而完成干涉测高。干涉型合成孔径声呐主要工作在高频段，用于获取海底面的高程。其特点是同时获取海底地形图和海底地貌图。上述两种方式均无法实现掩埋目标成像并给出掩埋目标的埋深信息。

而在海底掩埋目标的位置探测时，掩埋目标埋深这一判断管缆目标安全状态的关键信息至关重要。因此，二维合成孔径声呐在实际应用中无法完全满足工程需求。三维合成孔径声呐技术在此背景下应运而生。

⒉三维合成孔径声呐

21世纪初，为克服干涉式合成孔径声呐的这一缺点，日本学者Asada等基于多波束测深声呐技术，提出了多波束合成孔径声呐，并在试验中获得了良好效果。国内，哈尔滨工程大学和中国科学院也对三维合成孔径声呐技术开展了早期研究，并奠定了一定的理论基础。由于在三维成像上所具有的显著优势，可同时给出掩埋管缆目标的连续路由和连续埋深信息，海底掩埋目标探查技术装备的研究与开发重点聚焦于三维合成孔径声呐。三维合成孔径声呐相关技术发展迅速，形成的SBI等商用产品也取得了广泛的应用。

二、三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状

目前成熟商用的三维合成孔径声呐仅有加拿大的Pangeo公司的SBI(SubBottomImager)型三维合成孔径声呐和我国中科探海海洋科技有限责任公司(以下简称中科探海)设计生产的下视三维合成孔径声呐。

⒈SBI型三维合成孔径声呐

加拿大Pangeo公司生产的SBI型三维合成孔径声呐，研发始于2008年，2010年完成了对海底掩埋的高压直流输电(HVDC)电缆的验证，主要技术参数如表1所示，2011年正式进入商用领域，完成了大量的实际应用。

SBI型三维合成孔径系统采用5×8的水听器阵列，可4～14kHz多个频段扫描探测，可安装于水下机器人上作业。该系统在线性探测时，探测宽度可以到5m，并在长度方向上连续探测数千米。而在进行区域探测时，可以在探测结束后对探测结果进行组合，形成整个区域的完整探测成像。

⒉中科探海三维合成孔径声呐

⑴产品概述

中科探海在2016年开始了下视三维合成孔径声呐的研制工作，并于2018年推出可商用的产品。

与加拿大产品相比，该公司研制的三维合成孔径声呐系统，突出优点是同时集成了下视三维合成孔径声呐、下视多波束声呐、侧视声呐等三部声呐分机，采用模块设计，可根据不同要求灵活组合，满足不同任务场景以及安装需求。

其中下视三维合成孔径声呐可获得水体、海底、海底以下掩埋层等全景三维声呐数据，下视多波束声呐可获得海底高精度地形数据，侧视声呐可获得海底高精度的地貌数据。

利用不同声呐的成像特性，可获得目标的多维度特征信息，可提供水下悬浮、沉底和掩埋目标的高清影像、目标位置、目标埋设深度以及水下高精度三维地层等多种信息，对目标的辨别、埋深的精确测定、路由走向、海底环境信息等均可获得高质量成果，极大地促进海底电缆和管线的成像和信息提取。

该系统可满足用户水下环境探查、水下目标搜索、航道整治复勘、护堤结构复勘、桥墩监测、救捞、应急、油气管线路由勘察、光缆电缆勘察(路由+埋深+地层等功能)、三维精细地层结构、水下其他各类成像等多种使命任务的需求。

⑵产品性能

中科探海三维合成孔径声呐系统的主要技术参数如表2所示。通过与加拿大Pangeo公司产品的技术参数对比可以看出其在分辨率、探掩埋深度、工作航速等指标上具有绝对优势。

⑶产品系列

中科探海三维合成孔径声呐系统目前有A、B、C3个系列。

A系列产品为拖曳式产品。适用于深水水域，工作时通过调整拖缆长度的方式，来调整拖体在水中的深度，使声呐距底高度处于良好工作状态，满足较深水域水下悬浮、沉底和掩埋目标探测的需求。接收阵列采用3行6列模块配置，共432个阵元。

B系列产品为大型框架式安装，适用于测量船船底安装或船侧挂载、水面大型无人船船底安装等，其接收阵列采用3行4列模块配置，共288个阵元。

C系列产品为小型框架安装，体积小、搭载方便，适用于小型测量船船侧挂载、ROV和AUV搭载，作业方便、迅捷。可对浅海海底掩埋目标进行高清晰三维成像。接收阵列采用1行4列的模块配置，共96个阵元。

其掩埋目标探测应用结果分别见图1～图4

图1 裸露的电缆和悬跨交汇的油气管道（高频）

上图：地理坐标校准后的路由图，下图：沿光缆剖面图

图2 掩埋光缆探测结果（直径2.6cm)

图3 掩埋油气管道探测结果（三维体数据显示）

上图：掩埋电缆，下图：半掩埋电缆

图4 管缆目标及海底地形联合探测效果

三、结语

本研究主要对三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状及现有成熟设备的应用情况进行综述。尽管三维合成孔径声呐系统在海底掩埋探查中具有良好的成像性能，但由于该系统的开发难度大、复杂程度高，市面众多研究单位中，仅有两家可提供成熟的商用产品。目前，三维合成孔径声呐系统已能基本满足当下的作业需求，然而海洋科技、海洋经济的深入发展对三维合成孔径声呐统提出了新的技术需求：

（1）运动误差估计和补偿技术：与无人平台合作进行高度自动化作业是三维合成孔径声呐系统未来的发展方向，而无人平台姿态变化对其成像精度和目标定位精度影响较大，因此发展基于GPS、超短基线、惯导等多数据源的运动误差估计和补偿技术，对于进一步提升三维合成孔径声呐成像质量具有重要意义。

（2）掩埋目标特征提取和识别分类技术：实现掩埋目标物目标特征提取和识别分类是一体化探测无人平台智能探测的基础。对水下目标的正确分类与识别建立在有效的特征提取技术上，特征提取是目标识别过程中的关键，它直接影响到目标识别的效果。

（3）多通道、大规模数据并行处理算法：随着对探测深度和探测分辨率的要求越来越高，阵列也变得越发庞大，未来更高精度的三维合成孔径声呐系统接收阵列的通道数量可达到数千路，这就对数据采集和处理提出了较高要求，尤其在处理实时成像时，对电子系统、实时成像算法和系统的要求更高。

【作者简介】文/郎诚 茅克勤 向芸芸，分别来自浙江省海洋科学院和自然资源部第二海洋研究所。第一作者郎诚，助理工程师，硕士，研究方向为声学成像和海洋装备研发；通信作者茅克勤，高级工程师，硕士，研究方向为海洋测绘和地理信息系统。本文为基金项目，国家自然科学基金青年科学基金项目“土地资源约束下海岛系统的适应性管理研究”(41506140)和自然资源部第二海洋研究所及中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(JG1719)。文章来自《海洋开发与管理》（2021年第1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。