EM710多波束系统-投稿

关于EM710多波束测量系统用于海洋地质调查的优越性白大鹏1，2赵铁虎2陆凯2（1中国海洋大学环境科学与工程学院，2青岛海洋地质研究所，青岛266071，中国）摘要：EM710多波束系统是挪威Kongsberg公司于2005年面市的第四代多波束测深系统。本文以EM710RD系统为例介绍该系统的优越性。EM710RD（1°×2°）用于600m水深以内的水底地形测绘。系统的测量精度高于现行的IHO标准的最高版本。该系统是目前世界上最流行的测深系统，它在十几个国家的几十条调查船上得到了较好的应用。合适的波束开角和测量深度范围，为我国近海大陆架局部区域的详细地形地貌调查提供了非常合适的技术手段。本文系统介绍了该系统的系统组成、系统性能、采集系统及处理单元等，为使用及希望了解该系统的人士提供参考。关键词：多波束测量系统；EM710RD；系统组成；系统性能；频率；波束数；采集；处理。作者简介：白大鹏（1977-），男，硕士生，主要从事海洋地球物理工作，E-mail：[e-mail]710multi-beammeasurementsystemforthesuperiorityofMarineGeologicalSurveyBaidapeng1，2zhaotiehu2lukai2（1Chineseoceanuniversityinstituteofenvironmentalscienceandengineering，2QingdaoInstituteofMarineGeolege,Qingdao266071,China)Abstract:EM710multi-beamsystemistheNorwegiancompanyKongsbergavailablein2005,thefourthgenerationofmulti-beamsoundingsystem.ThispaperdescribesEM710RDsystemasanexampletheadvantagesofthesystem.EM710RD(1°×2°)usefor600mwaterdepthwithintheunderwatertopography.SystemofmeasurementaccuracyishigherthanthehighestexistingversionofIHOstandards.Thesystemistheworld'smostpopularsoundingsystem,whichinadozencountriesonboard,dozensofinvestigationshavebeenbetterapplication.Therightbeamandmeasuringthedepthofopen-anglerange,forouroffshorecontinentalshelf,moredetailedlocalareatopographysurveyprovidesaveryappropriatetechnicalmeans.Thispaperintroducedthesystemcomponentsofthesystem,systemperformance,collectionsystemandtreatmentunit,etc,touseandwanttounderstandthesystem'stoprovideareference.Keyword:Multi-beammeasurementsystem;EM710RD;systemcomponents;systemperformance;frequency;beamnumber;collection;treatment.1．概述随着我国海洋地质调查工作的深入开展，各种调查方法与技术得到了广泛的应用。相比陆地调查工作，海洋地质调查工作更多的依赖于各种调查方法和手段。而各种调查手段中，又尤以声学探测技术的应用更加突出和广泛。用于海底地形精密和快速探测的多波束水深探测技术（简称多波束测深技术）就是应运这种需求而迅速发展起来的高新声学探测技术。现在不仅发达国家的主要调查船都装备了多波束测深系统，印度、巴西等发展中国家也装备了多套深水多波束测深系统，连菲律宾这样的经济欠发达的国家为了大陆架勘察需求也在近几年建造了两条装备有深水多波束测深系统和多道地震系统的综合调查船。与传统的单波束回声测深系统相比，多波束测深系统具有扫幅宽、全覆盖，高效和高精度的特点，可完成全海洋的高精度海底地形探测任务，它一出现就受到海洋科学、工业和军事界的高度重视[1]。在我国近海地质调查任务当中，有多个图幅、多个区块需要进行详细地质地貌调查，以查明探测区域的地形地貌及分析海底底质类型等，而EM710多波束系统是挪威Kongsberg公司于2005年面市的第四代多波束测深系统。本文以EM710RD系统为例介绍该系统用于海洋地质调查工作的优越性。EM710RD（1°×2°）用于600m水深以内的水底地形测绘。系统的测量精度高于现行的IHO标准的最高版本。该系统是目前世界上最流行的测深系统，它在十几个国家的几十条调查船上得到了较好的应用。合适的波束开角和测量深度范围，为我国近海大陆架局部区域的详细地形地貌调查提供了非常合适的技术手段。本文系统介绍了该系统的系统组成、系统性能、采集系统及处理单元等，为使用及希望了解该系统的人士提供参考。2.多波束测深系统的发展历程及现状多波束测深系统自20世纪80年代初由美国SEABEAM公司首先投入商业领域以来，到20世纪80年代末全世界只有数台深水多波束测深系统装在几个发达国家的调查船上投入海洋调查。由于其巨大的科学、商业和军事价值，西方发达国家十分重视该技术的开发。研制生产厂家除美国__SEABEAM公司外，还有德国ATLAS公司、挪威KONGSBERG公司（原SIMRAD公司）公司以及法国THOMSON公司。这些公司是世界知名水声探测设备制造厂家，其发展之路都是从单波束系统到多波束系统，在深水系统开发成功的基础上再发展中、浅水系统形成完整的系列。进入21世纪，在巨大的商机引导下，一些中等或新成长起来的声学设备制造厂家也加入到了这一行列，如德国ELAC公司和丹麦RESON公司。他们走的是另一条发展之路:在研制成功商业投入成本相对较低的中、浅水多波束测深系统的基础上，再发展深水多波束测深系统。德国ELAC公司生产的SeaBeam3012深水多波束测深系统，工作频率12kHz，最大探测深度11000m，具有最大205个波束，波束宽度1°或2°，具有实时姿态稳定、浅水自动聚焦和实时水体图像功能。RESON公司开发了12kHz的SeaBat8150系统。波束宽度1°或2°，波束数234个，测深范围10～11000m，发射波束具有横滚和纵倾实时姿态稳定功能。挪威KONGSBERG公司是目前代表多波束测深技术世界领先水平的一家公司，已替代了占据近20年领头羊地位的SEABEAM公司，成为深水多波束测深系统制造厂商的龙头老大，近年占据了国际市场的主要份额。其在深水系统开发成功的基础上发展中、浅水系统形成完整的系列[2]。多波束测深技术是声学、电子和计算机等高科技最新成就的集成，它的诞生对声学探测技术的发展具有划时代的意义。多波束测深技术通过近30年发展，按其技术水平可划分为四代产品：SEABEAM1000系列为代表的第一代产品，它的波束数少、扫幅宽度仅60°，集成度低，水深数据不能实时处理。SEABEAM2000系列、ATLASHYDROSWEEP和KONGSBERG公司EM12为代表的第二代产品，采用了P30大规模集成电路和DSP技术，波束数达到121个，波束角宽2°，数据实时和后处理软件成熟。KONGSBERG公司EM120和RESONSeaBat8150深水多波束测深系统为代表的第三代产品，采用了超大规模集成电路和速度更快的DSP板，波束数达到191个或更多，波束角宽0.5°~1°，实现全姿态稳定，数据实时和后处理软件更加成熟。近年刚出现的KONGSBERG公司EM122深水多波束测深系统和EM710被称为第四代产品，采用宽带技术、近场自动聚焦和水体显示等技术，提高了声呐性能，波束数更多，测深点更密，集成度也更高[3]-[5]。目前我国有多家单位的调查船均装备了挪威KONGSBERG公司的系列产品，均在各自的领域发挥着举足轻重的作用。表1给出了挪威KONGSBERG公司多波束测深系统的最新系列产品。表1KONGSBERG公司多波束测深声呐的最新系列产品系统型号工作频率（kHz）最小可测深度（m）最大可测深度m）最大覆盖范围(m)波束数（等角等距）波束数（高密度模式）EM3001S3000.52004xD/200160NOEM3001D293/3070.520010xD/250320NOEM3002S3000.52004xD/200160254EM3002D293/3070.520010xD/250320508EM710RD70-1001600900256400EM710S70-100110002000256400EM71070-100120002500256400EM30226-341070005.5D/8000288432EM12226-3420110006D/300002884323.EM710多波束系统组成EM710多波束系统是挪威Kongsberg公司于2005年面市的第四代多波束测深系统。本文以EM710RD系统为例介绍该系统的优越性[6]。EM710RD（1°×2°）用于600m水深以内的水底地形测绘。系统的测量精度高于现行的IHO标准的最高版本。该系统是目前世界上最流行的测深系统，它在十几个国家的几十条船上得到了较好的应用。EM710RD多波束测深系统由如下主要单元组成：*发射换能器阵*接收换能器阵*处理单元*操作站EM710RD（1°×2°）换能器阵为采用十字形水下平面基阵，呈Mills交叉排列，如图2所示。发射阵与接收阵相互垂直。发射阵沿船艏艉方向布放，接收阵垂直于艏艉方向布放。发射阵发射声波信号，发射波束沿着航迹方向形成窄波束，典型波束宽度为1°，波束照射到海底一条垂直于航迹方向的条带区域上；海底和水体中目标的回波信号被接收阵接收，其接收波束在垂直于航迹方向形成窄波束，典型波束宽度为1°，接收波束与发射波束相交的区域为有效波束脚印。通过声呐电子系统及其软件的控制和处理，实现发射波束全姿态稳定，并同时形成数百个接收波束，通过实时处理可估计出每个波束内的海底回波时延、角度和回图1EM710RD（1°×2°）系统框图波强度，再与位置、姿态、声速、航向等传感器数据相融合，得到每个波束有效波束脚印的水深，经过后处理，可得被测区域地形图。图2声收发基阵硬件处理单元，由发射与接收的电子线路部分,波束形成与海底检测处理机,以及所有参数(如增益,发射率,发射角等)的控制线路所构成。它还包括所有外部实时传感器的串行接口,譬如船姿传感器(横摇,纵倾,艏向,升沉),定位系统和同步钟接口等。整个单元是一个悬挂在墙上的防震机柜。发射接收单元与操作站之间用网络连接。操作站，为一工作站级计算机。SIS（水底信息系统）操作软件用于实现系统设置、系统运行、数据记录、系统测试、图形显示、质量监控、系统校准等高级功能。同时，SIS还支持在线实时数据净化，以增进测量效率。4.系统性能EM710RD（1°×2°）的系统声学频率是70~100kHz，最大发射频率为30Hz，单次发射波束数为128个，可加密至200个测深点。其发射波束宽度为1°，接收波束宽度为2°。对发射而言，系统具有横摇、纵摇和艏摇电子波束稳定能力；同时，对接收而言，系统也具有横摇电子波束稳定能力。系统每次发射得到的接收波束有128个,波束间隔可设为等距、等角和加密模式。当采用加密模式时，每次发射可得到200个测深点。EM710RD（1°×2°）采用的脉冲长度为0.15ms和0.5ms。短脉冲常用于100m水