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

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摘要：摘要：為提高我国海底掩埋目标的探查技术，以适应不断发展的探测需求，文章综述了现有三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状，并对关键技术的发展方向进行了展望。结果表明：尽管三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中具有较大的技术优势，但是由

　　摘要：為提高我国海底掩埋目标的探查技术，以适应不断发展的探测需求，文章综述了现有三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中的应用现状，并对关键技术的发展方向进行了展望。结果表明：尽管三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查中具有较大的技术优势，但是由于技术难度大、复杂程度高，可提供成熟商用设备的单位仅有两家，中科探海研发的三维合成孔径声呐系统多项核心技术指标领先。运动误差估计和补偿技术，掩埋目标特征提取和识别分类算法，多通道大规模数据并行处理算法等关键技术将成为三维合成孔径声呐系统未来的发展方向。

　　关键词：掩埋目标;合成孔径声呐;三维S A S;海底探测装备;声学成像

　　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[ 1-2]。浅地层剖面仪目前在传统的作业方式中应用最为广泛[ 3-7]，但其主要问题在于开角非常窄，只能横穿掩埋目标作业。另外浅地层剖面仪对小的掩埋目标(比如直径2 0c m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R a y t h o n公司在2 0世纪6 0年代提出[ 8]，其基本思想是对小孔径基阵沿直线运动过程中记录的接收信号进行孔径合成处理，从而达到虚拟大孔径基阵的方位分辨力效果，在高分辨海底成像领域有着潜在的应用前景。

　　1 合成孔径声呐

　　1 . 1 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[ 9]。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[ 1 0]。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。

　　1 . 2 三维合成孔径声呐

　　三维合成孔径声呐技术最早由G r i f f i t h[ 1 1]通过干涉法在水池中试验成功，并逐步获得研究学者的关注[ 1 2-1 4]。但是干涉式合成孔径声呐的三维图像是通过多幅二维图像重建获得，并非目标的真实三维成像，因此无法完成对目标的高精度测深[ 1 5]。

　　2 1世纪初，为克服干涉式合成孔径声呐的这一缺点，日本学者A s a d a等[ 1 6]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[ 1 7-1 8]，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，多波束合成孔径声呐使得海底掩埋目标探查技术装备的研究与开发重点聚焦于多波束合成孔径声呐。

　　2 三维合成孔径声呐在海底掩埋目标探查

　　中的应用现状

　　由于多波束合成孔径声呐在三维成像上的显著优势，应用于掩埋目标探查的设备多基于多波束原理设计开发。目前成熟商用的三维合成孔径声呐仅有加拿大的P a n g e o公司的S B I( S u bB o t t o m I m a g e r)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。

　　2 . 1 S B I型三维合成孔径声呐

　　加拿大P a n g e o公司生产的S B I型三维合成孔径声呐，研发始于2 0 0 8年， 2 0 1 0年完成了对海底掩埋的高压直流输电(HV D C)电缆的验证，主要技术参数如表1所示， 2 0 1 1年正式进入商用领域，完成了大量的实际应用。

 

　　S B I型三维合成孔径系统采用5×8的水听器阵列，可4～1 4k H z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。

　　2 . 2 中科探海三维合成孔径声呐

　　2 . 2 . 1 产品概述

　　中科探海在2 0 1 6年开始了下视三维合成孔径声呐的研制工作，并于2 0 1 8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海深的三维声呐数据，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。

　　2 . 2 . 2 產品性能

　　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P a n g e o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。

　　推荐阅读：《海洋学报》(双月刊)创刊于1979年，是由中国海洋学会主办、中国科学技术协会主管、海洋出版社出版的海洋科学技术综合性学术期刊。

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