基于目标识别的多波束系统探测参数设计
吴利红1,2，许文海3，臧力龙4，安阳3，杨帅锋3，蔡仁杰3
(1. 大连海事大学 交通运输装备与海洋工程学院，辽宁 大连，116026；
2. 中国科学院 沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室，辽宁 沈阳，110016；
3. 大连海事大学 信息科学技术学院，辽宁 大连，116026；
4.青岛海洋研究设备服务有限公司，山东 青岛，266000)
摘 要：
波束系统进行大范围快速、准确、有效地搜寻海底目标，对GeoSwath多波束系统的探测原理、空间分辨率以及目标识别分辨率的影响因素进行研究，推导基于待识别目标尺寸的GeoSwath发射脉冲长度、航速、搜寻覆盖宽度等探测参数设计方法。通过海上投放人工目标的多波束探测试验，验证了GeoSwath识别目标前期的探测参数设计的重要性和合理性。
关键词：
GeoSwath多波束测深系统；空间分辨率；海底目标探测；大范围快速搜寻；探测参数；
中图分类号：P229 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S1-0677-07
Detection parameters design for multi-beam sounding system based on target recognition
WU Li-hong1, 2, XU Wen-hai3, ZANG Li-long4, AN Yang3, YANG Shuai-feng3, CAI Ren-jie3
(1. College of Transportation Equipment and Ocean Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;
2. State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;
3. College of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;
4. Qingdao Marine Research Equipment Service Co., Ltd, Qingdao 266000, China)
Abstract: To detect sea floor objects fast, accurately and effectively in large-scale underwater region, a design way for detection factors related to ping-length, ship velocity and coverage-width was derived by analyzing GeoSwath’s theory, spatial resolution and target resolution factors. The experiments to detect artificial objects in sea floor were carried out. The results show the importance and rationality to set detection factors of GeoSwath.
Key words: GeoSwath multi-beam eco-sounding; spatial resolution; sea floor object detection; large scale and fast detection; detection factors
利用多波束测深系统获得航道精密特征或海底目标的三维形态特征并绘图显示[1]，要求多波束探测时能获得目标的三维尺度方向上的足够探测点，而且能实现全覆盖探测，即布线的全覆盖和波束脚印的全覆盖以及需要很高的定位精度。前者关系到探测区域的可靠性、安全性和完整性，布线全覆盖可以通过多波束的外围设备罗经、覆盖宽度设置并通过实时在线覆盖图来显示和识别，而波束脚印的全覆盖则由携带多波束的探测船搜寻方法、速度、多波束发射角、水平和纵向波束角、水深和多波束系统发射频率等特征联合决定，可以通过分析多波束脚印的三维空间分辨率以及其最小识别目标的尺寸，来反向推导待识别目标的所需测探速度，覆盖宽度等探测参数。定位精度可以采用相匹配的多波束外围亚米级的DGPS或者厘米级的RTK定位方式，通常根据需要探测的目标尺寸直接选择定位传感器，而多波束目标识别则是关系到探测的有效性、快速性和精确性，有必要在多波束试验之前进行确定。
朱小辰等[2]基于国际海道测量的全覆盖规范，推导了基于Seabat8101多波束系统的空间分辨率模型，量化得到实现全覆盖测量不同水深对应的最大航速和探测覆盖宽度。邹永刚等[3]分析了多波束海底覆盖脚印为梯形，并研究其随测船姿态变化的脚印和覆盖区域变化特征，这对实际多波束测量的误差分析、精确性和目标识别有很大的帮助。本文作者主要分析基于GeoSwath多波束空间分辨率模型，从识别目标的分辨率角度，推导设计多波束测量参数的算法和流程，实现了在给定目标下利用多波束进行准确快速探测，并给出了试验验证。
1 GeoSwath多波束测深系统波束 模型
GeoSwath多波束测深仪是基于相位测量技术的系统，它较常规波束形成的多波束系统，不仅能实现海底目标的详尽形态特征探测，而且能初步获得海底目标的地质结构，具有测深和侧扫功能[4]。GeoSwath系统在240°宽阔的垂直开角范围内进行时序连续角度测量，垂直波束角为0.9°，水平波束角为0.5°，单侧最大发射角可达120°。此多波束系统可便携搭载在船舷侧，也可固定安装在船底，对海底进行条带扫描。系统由甲板后处理单元、水下换能器单元、外围设备(差分GPS、电罗经、声速计、潮位仪、回波测深仪或高度计、姿态传感器)构成。
2 多波束测深系统空间分辨率模型[2]
2.1 垂直入射海底的波束分辨率
多波束中央波束是垂直发射的，其特性类似于单波束系统。波束角为α，波束测深仪的声照射区为逐步扩散的椭圆盘。声脉冲到达的初始时间t0，圆盘最边缘声脉冲到达的时间为t，其示意图如图1所示。多波束中央波束或单波束的水平分辨率推导如式(1)~(4)。r即为所求的垂直波束半脚印分辨率；C为声速；H为安装多波束正下方的水深，可以用测深仪获得。
(1)
(2)
(3)
(4)
图1 多波束中央波束(单波束)发射示意图
Fig.1 Schematic diagram of middle beam launching for multi-beam sonar
2.2 倾斜入射波束的分辨率
多波束除了中央波束外，其他波束都是倾斜入射的，也是探测效率较高的波束，其3个方向的分辨率示意图如图2所示，建立随船坐标系，探测船首向为x轴，右舷为y轴，垂直海底为z轴。倾斜入射声波的发射角为θ，水平入射波束角为α，纵向入射波束角为β。设在水平方向上，最近声脉冲到达的时间t0，最远边缘声脉冲到达的时间为t。由于水平波束角和纵向波束角都很小，3个方向的波束脚印为[5]：
(5)
(6)
(7)
图2 多波束空间分辨率
Fig.2 Spatial resolution of multi-beam sonar
对于多波束，其倾斜入射波有多个波束，这里横向分辨率取最大发射角对应的波束脚印宽度；纵向取全脚印，则多波束空间的分辨率为：
(8)
(9)
(10)
2.3 多波束可识别的目标尺寸
多波束纵向分辨率还涉及到航速。根据国际航道测量规范，如果需要探测到目标物，目标物的纵向尺寸必须大于如图3中的L1。L1与航速v(m/s), 发射脉冲长度Lp(ping length, m)和水深H(m)下的声纳每秒发射的pr(Ping rate)[4]的关系由式(11)~(13)推导得到。
图3 多波束测深纵向全覆盖示意图
Fig.3 Schematic diagram of longitudinal coverage for multi-beam sonar
(11)
(12)
(13)
其中：Pr为双侧声纳的每侧每秒发射脉冲数目；N为可识别目标时需要的最少探测次数，通常N≥3；C为声速；默认为1 500 m/s。发射脉冲长度Lp受多波束系统特性影响，和水深有一定的关系。为了实现目标探测点的全覆盖，如图3所示，目标的尺寸必须大于L2：
(14)
因此，多波束测深系统的3个方向可识别目标的尺寸为：
(15)
由此可见，多波束纵向分辨率与航速、发射脉冲长度、声速、水深、纵向波束角有关。横向分辨率与深度、波束发射角、水平波束角有关。扇面开角越大，探测宽度越大，探测分辨率越低。垂向分辨率与水平波束角以及波束时差有关。
3 海底目标识别多波束探测参数 设计
3.1 航速设计
对于多波束测深仪，相邻两ping 的时间间隔tR必须保证能够收到最边缘波束的回波，当单侧扇面开角小于90°，比如单探头Seabat 8101，全扇面开角为150°，单侧扇面开角为75°时，则最远距离波束的回波时间为：
(16)
当单侧扇面开角大于90°的，比如GeoSwath全扇面开角为240°，单侧扇面最大开角为120°时，接收脉冲时间由设定的发射脉冲长度决定。由于GeoSwath系统采用双侧换能器轮流发射和接收，因此，其2个脉冲发射时间间隔tR为最远距离波束的回波时间的2倍，如式(17)所示[4]。
(17)
由于纵向波速脚印宽度为：
(18)
海底精密地形测量时要求ping之间全覆盖，多波束测深的最大航速必须保证ping 与ping 之间的链接，则最大航速为：
(19)
对于单侧发射角不超过90°的单探头多波束：
(20)
对于单侧发射角超过90°的双探头多波束：
(21)
以GeoSwath多波束系统为例，其波形扇面开角为240°，即θmax=120°，纵向波束角为0.9°，采用公式(21)计算。由于GeoSwath探测最大宽度满足关系0＜B≤12H，又由于发射脉冲长度和探测宽度和深度满足式(22)，则结合式(21)，可以得到GeoSwath的航速与覆盖宽度的关系如图4所示。
(22)
图4 不同覆盖宽度下最大允许航速
Fig.4 Coverage width vs ship velocity
最大航速关系式(20)或(21)没有考虑纵向分辨率的要求，而只是单纯从能接收到最远脉冲角度来提出的。航速的最终决定应该同时考虑纵向目标分辨率σx因素。
3.2 发射角或发射脉冲长度设计
由于多波束横向分辨率和水深、最大波束发射角有关，满足式(15)，若已知水深(由多波束外围设备测深仪测得)、目标的尺度(横向分辨率要求)，就可以确定波束的最大发射角，这三者满足如图5所示的关系。从图5可以看出，给定横向分辨率，随着水深的增加，最大发射角减小，探测宽度相对深水的倍数减小，导致探测效率降低。
发射脉冲长度Lp与分辨率、水平波束角及深度的关系满足式(23)~(24)。
(23)
(24)
对于GeoSwath系统，α=0.5°，要识别横向尺度为σy=1 m的目标物，不同水深ping length最大值如图6所示。
3.3 多波束探测参数设计流程
已知多波束水平波束角为α°，纵向波束角为β°。根据测深仪测得的水深以及目标的尺寸，设置pinglength及航速v来识别目标，其流程可分为如下5个步骤：
(1) 根据水深H，测量目标的分辨率利用式(15)中的横向分辨率确定最大发射角θ。
(2) 根据最大发射角，确定最大扇面宽度，以水深的倍数表示：n=2tan θ。
(3) 根据最大发射角，利用关系式：Lp=H/cos θ， 计算发射脉冲长度。
(4) 计算最大采样率：对于双探头，左右两侧轮流发射脉冲，；对于单探头，
。
(5) 计算推荐航速，假设纵向识别目标的点数N=3，利用能接收到最远脉冲时的最大航速vmax(单探头采用式(20)，双探头采用式(21)，此公式适用于浅水，以及纵向目标识别分辨率式(15)中的σx(此公式适用于深水)，取两者之间的小者。
根据以上多波束参数设计流程，编制程序，可以获得多波束系统任意目标尺度在任意深度下能探测清晰的发射脉冲长度、航速、扇面宽度。表1列出GeoSwath多波束典型水深下探测参数设计。
图5 横向分辨率与水深及发射角的关系
Fig.5 Horizontal resolution vs depth and transmitting angle
图6 不同深度识别目标与发射脉冲长度关系
Fig.6 Ping length vs depth and horizontal resolution
表1 GeoSwath 目标识别与探测参数设计关系
Table 1 Relation between target resolution and detection parameters for GeoSwath
4 海底目标探测试验
试验人工目标为d 0.6 m×0.9 m的铁桶，试验中将3个桶串连成“藕形”，平放于海底中，如图7所示。试验中走3条不同的航线，分别命名为航迹1~3，如图8~10所示，使得目标置于多波束倾斜波束的不同探测宽度位置，走不同航迹对同一目标识别获得不同的探测结果，如图11~13。图11~13中目标的投放位置从绑定目标的水面浮漂的GPS坐标来定：E:372809，N:4302895,如图平坦地的小旗帜标识点，其中，突起的小旗帜为实际探测得到的目标位置，其位置为：E372800 N:4302893。可以看出，探测目标的真实位置和浮漂对应的位置稍微偏差，但是仍然满足浮漂系绳所在的半径范围，其位置可以信任。对比航迹和对应的探测结果图可以看出，航迹1和3靠近目标投放点，其目标特征较清晰，如图11和13所示，目标分辨率最高；而航迹2距离目标较远，发射角或发射脉冲长度较大，使得横向分辨率和深度分辨率降低，导致图12目标特征不清楚。从探测的深度三维图中可以看出，目标恰好投放在航道上，航道的底质为岩石，和铁桶的反射声强很大，导致多波束很难从声影像图中识别目标，而只能从深度差来识别目标。这是GeoSwath系统能进行深度和声影像识别的互补 特点[6]。
图7 “藕形”3桶人工目标
Fig.7 Three artificial barrels in series
图8 航线1
Fig.8 Line 1
图9 航线2
Fig.9 Line 2
图10 航线3
Fig.10 Line 3
图11 航迹1的深度三维图
Fig.11 Depth gridfly of line 1
图12 航迹2的深度三维图
Fig.12 Depth gridfly of line 2
图13 航迹3的深度三维图
Fig.13 Depth gridfly of line 3
5 结论
(1) 研究多波束测深系统的空间分辨率；推导目标识别与多波束发射角、发射脉冲长度和水深、水面携带多波束的船速的确定关系，并基于GeoSwath进行相应的海底目标探测试验，验证基于目标识别的多波束探测参数设计的合理性和必要性。
(2) 多波束纵向分辨率与航速、发射脉冲长度、声速、水深及纵向波束角有关。横向分辨率与深度、波束发射角及水平波束角有关。扇面开角越大，探测宽度越大，探测分辨率越低。垂向分辨率与水平波束角有关，以及波束时差有关。
(3) 同一目标，在不同测量航道线上显示的测量角度不同，目标的清晰程度不同，存在最佳的搜寻路线获得最好的目标分辨率。可根据多波束探测参数确定流程来计算。
(4) 海底目标落在海底地质和目标较接近的区域，比如本实验中铁桶结构的目标落在航道区域内，使得背景对声反射强度和目标的相近，导致声图像很难识别目标，则只能从深度图中识别目标，根据目标的连续性可以分辨出目标。
参考文献：
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(编辑 陈卫萍)
收稿日期：2011-04-15；修回日期：2011-06-15
基金项目：国家科技支撑计划项目(2009BAG18B03)；国家自然科学基金资助项目(51009016)；机器人学国家重点实验室开放课题资助项目(RLO201015)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2011JC015)
通信作者：吴利红(1978-)，女，江西上饶人，博士，讲师，从事海洋测绘、水下机器人及流体力学研究；电话：15804254598；E-mail：wlh@sia.cn
摘要：为了实现利用多波束系统进行大范围快速、准确、有效地搜寻海底目标，对GeoSwath多波束系统的探测原理、空间分辨率以及目标识别分辨率的影响因素进行研究，推导基于待识别目标尺寸的GeoSwath发射脉冲长度、航速、搜寻覆盖宽度等探测参数设计方法。通过海上投放人工目标的多波束探测试验，验证了GeoSwath识别目标前期的探测参数设计的重要性和合理性。
