GeoSwath與Klein 3000的綜合對比及實驗分析

張濟博，陶炳淑，賈忠媛，蔣維杰，茍諍慷，聞 鋒

（1.國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學重點實驗室，浙江 杭州310012；2.浙江省工程地震研究所，浙江 杭州310013；3.中國石油華北油田公司 地球物理勘探研究院，河北 任丘062552）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人們需要開發(fā)和利用海洋資源來滿足經(jīng)濟發(fā)展的需求，這就需要了解海底地形地貌。了解海底地形地貌，傳統(tǒng)的方法是分別用測深儀和側(cè)掃聲納來得到水深數(shù)據(jù)和海底聲納圖。GeoS－wath Plus相干聲納系統(tǒng)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)作業(yè)模式，它利用相干原理同時得到水深數(shù)據(jù)和海底聲納圖，可以極大地提高工作效率。2012年2月在新西蘭威靈頓港舉行的Shallow Survey 2012會議上，GeoSwath Plus與 EM 3002、R2Sonic 2024、Seabat 7125等多款多波束測深儀進行了水深測量效果對比。但是，目前還未發(fā)現(xiàn)GeoSwath Plus與傳統(tǒng)側(cè)掃聲納進行的比較。

本文選用應用非常廣泛的側(cè)掃聲納Klein 3000系統(tǒng)與GeoSwath Plus，從工作原理、技術參數(shù)、系統(tǒng)組成、數(shù)據(jù)采集和后處理平臺以及實測數(shù)據(jù)等方面進行分析與比較，以進一步了解GeoSwath Plus系統(tǒng)的性能，同時為相關儀器的選型提供參考。

1 原理比較

GeoSwath Plus是英國GeoAcoustics Ltd.公司的產(chǎn)品，有3種類型，發(fā)射頻率分別為125、250和500 kHZ，本文選用125kHZ的，因為該系統(tǒng)應用最廣泛，其它兩種類型與其相似，只是分辨率和量程不同。GeoSwath Plus由左右兩個換能器組成，呈“V”字型，每組換能器由1個發(fā)射基元和4個接收基元組成，與豎直方向夾角為30°，單邊波束開角為120°。換能器發(fā)射扇形聲波，海底的回波信號被接收器接收，振幅形成聲納圖像，4個接收板接收到回波信號的相位是不同的，接收基元之間的間距是固定的，根據(jù)相干原理，它們接收的回波相位差和波束到達角存在固定的關系，進而計算出到達角的大小，通過橫搖補償，結(jié)合記錄的波束傳播時間即可進行深度與橫向位置的計算（圖1）［1］。

Klein 3000雙頻數(shù)字側(cè)掃聲納系統(tǒng)由發(fā)射換能器和接收換能器組成，該系統(tǒng)包含左舷和右舷兩個換能器陣，每個換能器陣分為100kHz和500kHz兩個收發(fā)器，每個收發(fā)器包括1個發(fā)射基元和2個接收基元。系統(tǒng)工作時，隨船行進的拖魚產(chǎn)生兩束與船前進方向垂直的扇形聲束，遇到海底或者水中物體時發(fā)生散射，反向散射波沿原傳播路線返回，被換能器接收，反映在記錄紙或者顯示器上，形成聲納圖像（圖2）［2］。

圖1 GeoSwath原理圖Fig.1 The principle diagram of GeoSwath Plus

圖2 Klein 3000型側(cè)掃聲納Fig.2 Klein System 3000Side Scan Sonar

二者區(qū)別在于傳統(tǒng)聲納Klein 3000只記錄回波的振幅，而相干聲納GeoSwath則記錄回波的振幅、回波時間和相位差，通過數(shù)據(jù)處理得到水深數(shù)據(jù)和聲納圖像，二者接收數(shù)據(jù)的不同，也決定了兩者的用途不同。

2 系統(tǒng)組成和基本參數(shù)比較

Klein 3000數(shù)字聲納系統(tǒng)由拖魚、電纜、DSP甲板單元、計算機、GPS定位設備組成（圖3）［3］。GeoS－wath Plus系統(tǒng)主要由水下?lián)Q能器、聲速儀、高度計、電纜、DSP甲板單元、計算機、電羅經(jīng)、GPS定位設備等組成（圖4）［4］。由于同時具備測深和側(cè)掃功能，GeoSwath Plus系統(tǒng)需要連接的設備更多，多條電纜連接到DSP甲板單元，對操作人員的要求更高。而Klein 3000集成化程度高，數(shù)據(jù)只需通過1根電纜連接即可，簡單方便。

圖3 Klein 3000數(shù)字聲納系統(tǒng)Fig.3 Klein System 3000Side Scan Sonar

圖4 GeoSwath Plus系統(tǒng)Fig.4 GeoSwath Plus System

傳統(tǒng)側(cè)掃聲納Klein 3000系統(tǒng)和相干聲納GeoSwath Plus系統(tǒng)的基本參數(shù)對比如表1所示。

由于受到回波強度的限制，GeoSwath Plus適用于水深不超過200m的淺水區(qū)，而Klein 3000由于采用拖拽式，可以在不超過2 000m的海域范圍內(nèi)使用，使用范圍比GeoSwath Plus大；傳統(tǒng)側(cè)掃聲納采用拖拽式安裝，而GeoSwath Plus采用固定式安裝，同時由于GeoSwath Plus安裝了高度計等設備可以更好地保證儀器的安全。

表1 Klein 3000與GeoSwath Plus系統(tǒng)性能參數(shù)對比Tab.1 Performance parameters of Klein System 3000are compared with those of GeoSwath Plus System

3 數(shù)據(jù)采集平臺和后處理平臺比較

傳統(tǒng)側(cè)掃聲納系統(tǒng)Klein 3000的數(shù)據(jù)采集可以使用 SonarPro、Triton Isis、Qinsy和 SonarWiz.Map等多種軟件。以Triton Isis軟件為例（圖5），可以實時監(jiān)控側(cè)掃聲納系統(tǒng)和GPS導航設備等，該采集軟件操作簡單，可對側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。后處理軟件包括Triton Isis和TritonMap、SonarWeb、SonarWiz.Map、CleanSweep等。數(shù)據(jù)一般存儲為XTF格式。以SonarWeb后處理軟件為例，可以實現(xiàn)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)海底線檢測、斜距改正、投影、地理編碼和鑲嵌等。

相干聲納系統(tǒng)GeoSwath Plus數(shù)據(jù)采集使用GS＋軟件，最新版的Hypack或者Qinsy。GS＋軟件包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)校準、生成格網(wǎng)文件等功能模塊，數(shù)據(jù)采集界面見圖6。GS＋軟件的優(yōu)點是占用電腦內(nèi)存和硬盤空間較小，操作簡單，易于掌握。采集過程中各個輔助設備的狀態(tài)以不同顏色的燈光符號顯示，當信號不正常時顯示紅燈或黃燈，正常則為綠燈，明確提示數(shù)據(jù)狀態(tài)。數(shù)據(jù)默認存儲為RDF格式，水深和聲納數(shù)據(jù)存儲在同一個文件中。后處理時聲納和水深數(shù)據(jù)要分開處理，GS＋軟件可用來處理水深數(shù)據(jù)，但聲納數(shù)據(jù)處理功能不是很完善，一般轉(zhuǎn)換為XTF格式，采用第三方軟件如Triton Isis和TritonMap進行處理，而SonarWeb和SonarWiz.Map由于功能限制無法處理。水深數(shù)據(jù)和聲納數(shù)據(jù)分別處理好后，可以生成3D圖像。

在數(shù)據(jù)采集平臺方面，由于Klein 3000出現(xiàn)更早，可使用的采集軟件更多，而GeoSwath可使用的采集軟件比較少，但具有更直觀的數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控功能；在后處理平臺方面，兩者都有較多的軟件可供選擇，由于數(shù)據(jù)文件中含有水深數(shù)據(jù)，GeoSwath Plus對后處理軟件的要求更高。

圖5 Klein 3000數(shù)據(jù)采集界面Fig.5 Data acquisition image of Klein System 3000

圖6 GeoSwath Plus數(shù)據(jù)采集界面Fig.6 Data acquisition image of GeoSwath Plus

4 實測數(shù)據(jù)對比

在某海區(qū)對GeoSwath Plus和Klein 3000進行對比實驗，該區(qū)域水深約40m。GeoSwath PLus安裝在船舷右側(cè)，Klein 3000采用拖拽式安裝，使用電動絞車收放纜，使其離海底高度控制在20m左右。GeoSwath PLus使用GS＋軟件，Klein 3000使用SonarPro軟件進行數(shù)據(jù)采集。導航設備選用C－Nav 3050MDGPS系統(tǒng)，坐標系選用WGS84，使用UTM投影，網(wǎng)格大小設為0.25m。為了能夠盡可能更好地比較兩者所采集的數(shù)據(jù)，處理軟件都選用Triton Isis和TritonMap，以避免因使用不同的處理軟件造成差異。

在實驗區(qū)布設2條3km長的測線，其中1條東西向測線用來探測海底沖刷溝，另1條南北向測線用來探測海底基巖，用同1條船分別使用Klein 3000和GeoSwath Plus進行探測。

4.1 數(shù)據(jù)量比較

數(shù)據(jù)采集完成后，發(fā)現(xiàn)同樣距離Klein 3000的數(shù)據(jù)文件幾乎為GeoSwath Plus的8倍，分析后發(fā)現(xiàn)，兩者都是每秒鐘發(fā)射10Ping，但Klein 3000每Ping單側(cè)采樣點數(shù)為2 048個，GeoSwath Plus只有1 024個；此外由于Klein 3000是100kHz和500kHz雙頻采集，GeoSwath Plus只是125kHz單頻采集，故文件大小只有Klein 3000的1／8左右。

4.2 聲納圖像質(zhì)量分析

圖7和圖8分別為GeoSwath Plus和Klein 3000所探測到的海底沖刷溝，從GeoSwath Plus得到聲納圖上只能看出沖刷溝的大致形狀和走向；而Klein 3000得到的聲納圖不僅能看到?jīng)_刷溝的大致形狀和走向，而且能夠更加細致清晰地顯示沖刷溝的細節(jié)和形狀。

圖7 使用GeoSwath Plus得到的沖刷溝聲納圖Fig.7 Side scan sonar image of gullies by GeoSwath Plus

圖8 使用Klein 3000得到的沖刷溝聲納圖Fig.8 Side scan sonar image of gullies by Klein System 3000

圖9和圖10分別為GeoSwath Plus和Klein 3000探測得到的海底基巖，從GeoSwath Plus得到的聲納圖上，看到圖像只能顯示出基巖，無法清晰地顯示基巖的形狀；而Klein 3000得到的聲納圖不僅能識別出基巖，而且能夠更加細致清晰地顯示基巖的分布、形狀和細節(jié)。

圖9 使用GeoSwath Plus得到的基巖聲納圖Fig.9 Side scan sonar image of bedrocks by GeoSwath Plus

圖10 使用Klein 3000得到的基巖聲納圖Fig.10 Side scan sonar image of bedrocks by Klein System 3000

盡管圖7和圖8、圖9和圖10的區(qū)別是明顯的，但是這些判斷仍然是主觀的，為了進一步比較圖像，選用對比度和平均梯度對GeoSwath Plus和Klein 3000所得到的聲納圖進行定量分析（表2）。

表2 GeoSwath Plus與Klein 3000聲納圖像定量比較Tab.2 The quantitative comparison between GeoSwath Plus and Klein System 3000Sonar image

從表2可以看出，GeoSwath Plus得到的聲納圖的對比度和平均梯度都要小于Klein 3000得到的聲納圖，這說明雖然相干聲納使用的頻率為125kHz，與Klein 3000低頻100kHz（實際為132±1%kHz）相差不大，但Klein 3000得到的聲納圖像更細膩，對比度更強，分辨率更高，目標更清晰。

為何GeoSwath Plus圖像對比度比Klein 3000得到的圖像對比度弱，分辨率低？對兩者的回波進行傅里葉變換得到的振幅譜如圖11和圖12所示。

圖11 GeoSwath Plus回波經(jīng)過傅里葉變換得到的振幅譜Fig.11 Amplitude spectrum of GeoSwath Plus image through Fourier transform

圖12 Klein 3000回波經(jīng)過傅里葉變換得到的振幅譜Fig.12 Amplitude spectrum of Klein System 3000image through Fourier transform

從兩者的振幅譜可以看出GeoSwath回波的平均振幅（主要集中在0～50之間）小于Klein 3000回波的平均振幅（主要集中在50～100之間），進一步分析由于GeoSwath采用懸掛式安裝，比采用拖曳式安裝的Klein 3000離海底較遠，導致聲波在傳播過程中能量衰減，使得實際接收的回波振幅低于Klein 3000。同時，由于GeoSwath波束水平開角為0.85°，也大于Klein 3000，而波束水平開角越小，聲納的分辨率越高，這些因素導致了GeoSwath得到的聲納圖像不如Klein 3000得到的質(zhì)量高。

4.3 目標大小與位置分析

GeoSwath Plus探測到的沖刷溝寬度為20.4m（圖13a），基巖區(qū)的寬度為26.7m（圖14a），Klein 3000得到的沖刷溝寬度為19.9m（圖13b），基巖區(qū)的寬度為29.3m（圖14b），從以上數(shù)據(jù)可以看出GeoSwath Plus和Klein 3000得到的沖刷溝寬度相差較小，而基巖區(qū)的寬度相差較大，主要是因為GeoSwath Plus得到的聲納圖對比度和清晰度不如Klein 3000，沒有找到基巖區(qū)的邊緣，所以測量基巖區(qū)寬度較小。

Klein 3000得到?jīng)_刷溝和基巖位置與GeoSwath Plus得到的位置分別相差9.3m和8.7m，這是傳統(tǒng)側(cè)掃聲納的固有問題，雖然使用電動絞車控制拖魚離海底高度，并進行LayBack改正，但是定位精確度仍較低，而GeoSwath Plus采用固定式安裝，定位精度更高。

圖13 GeoSwath Plus（a）和 Klein 3000（b）探測到的沖刷溝比較Fig.13 The comparison of gullies detected by GeoSwath Plus（a）and Klein System 3000（b）

圖14 使用 GeoSwath Plus（a）和Klein 3000（b）探測到的基巖比較Fig.14 The comparison of bedrocks detected by GeoSwath Plus（a）and Klein System 3000（b）

5 結(jié)論

GeoSwath Plu利用相干原理能同時得到水深數(shù)據(jù)和側(cè)掃圖像，并生成3D圖像，是一場重大技術革命。本文將GeoSwath Plus系統(tǒng)和Klein 3000系統(tǒng)從工作原理、技術參數(shù)、數(shù)據(jù)采集和后處理平臺以及實測數(shù)據(jù)等方面進行了對比，得到以下結(jié)論：

（1）由于記錄的數(shù)據(jù)類型存在差異，Klein 3000只記錄回波的振幅，而GeoSwath則記錄回波的振幅、回波時間和相位差，因而GeoSwath不僅能夠得到聲納圖像，還能獲取每個點的精確位置與水深值。而Klein 3000側(cè)掃聲納無法獲取每個圖像點的精確位置與水深值，由此也決定了兩種設備在用途上有著很大的區(qū)別。

（2）二者質(zhì)量較輕，都屬于便攜式，由于GeoS－wath Plus采用固定式安裝，受到回波強度的限制，只適用于水深不超過200m的淺水區(qū)；而Klein 3000由于采用拖拽式，可在不超過2 000m的海域范圍內(nèi)使用，使用范圍更大。

（3）在數(shù)據(jù)采集平臺方面，由于Klein 3000出現(xiàn)更早，可使用的采集軟件更多，而GeoSwath Plus可以使用的采集軟件較少，但具有更直觀的數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控功能；在后處理平臺方面，兩者都有較多的軟件可供選擇，由于數(shù)據(jù)文件中含有水深數(shù)據(jù)，GeoSwath Plus對后處理軟件的要求更高。

（4）從實際應用來看，由于固有的原因，在不使用USBL的情況下，Klein 3000的定位精度低于GeoS－wath Plus，但得到的聲納圖像更細膩，分辨率更高，目標更清晰。

（References）：

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