2024年4月26日发(作者：)
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ExploringintotheApplicationofSonarinMarineSurveyingandMappingwith3DSS-iDX-4503D
Side-scanSonarasanExample
三维侧扫声纳为例探究声纳于海洋
测绘中的应用
王莹WANGYing曰常乐CHANGLe曰
李璎昊LIYing-hao曰赵柏霏ZHAOBo-fei曰何长远HEChang-yuan
（沈阳城市建设学院，沈阳110167）
（ShenyangUrbanConstructionUniversity，Shenyang110167，China）
摘要院本篇以3DSS-iDX-450三维侧扫声纳为基础进行分析，探究侧扫声纳系统在海洋测绘当中的地位以及目前发展的进度和
目前为止存在的不足之处。中国海洋资源是位于世界榜首处，但中国对于海洋资源的合理开发与利用可谓是微乎其微，将侧扫声纳系
统功能作用改善，可以推动海洋测绘的进一步发展，并将祖国的海洋资源在合理开发下充分发挥其作用，为祖国建设增添新的方向与
力量。
Abstract:Basedon3DSS-iDX-4503DSide-scansonar,thispaperexploresthestatusofside-scansonarsysteminmarinesurveying
andmapping,'smarineresourcesrankfirstintheworld,butChinaisnot
theonlycountrythadyimprovementoftheside-scansonar
systemanditsuseinthesurveyingandmappingindustrycancontributetotherationaldevelopmentofmarineresourcesforthe
developmentofmarineresourcesinthemotherland.
关键词院3DSS-iDX-450三维侧扫声纳；侧扫声纳；海洋测绘；数据处理；理论分析
Keywords:3DSS-iDX-4503Dside-scansonar；side-scansonar；marinesurveyingandmapping；dataprocessing；theoreticalanalysis
中图分类号院P229文献标识码院A文章编号院1006-4311（2023）21-111-03doi:10.3969/.1006-4311.2023.21.034
1侧扫声纳的应用机理
在操作侧扫声纳技术时，由于使用的是不连续的测深
系统，因此在进行数据采集和处理时需要将不同深度的各
种测绘数据进行收集和整理，而在对这些数据进行处理
时，通常需要根据不同的深度将数据进行分类。数据显示
与记录单元主要是对在操作侧扫声纳技术时所采集到的
各种测绘数据进行收集和整理。同时还可以通过人机交互
的方式对其进行展示。数据传送单元，一般是在侧扫声纳
技术中，最前方的工作模块，其主要作用就是能够在信息
通道平台上，有效地传送测绘数据，为后续的数据深度处
理提供更好的支持。数据传送单元在整个侧扫声纳技术
中，处于最前端，也是最重要的一环。侧扫声纳技术中，最
前方的工作模块，就是水下声波发射器。它的主要作用就
是发出声波，并以此来收集各种测绘信息。拖曳电缆是必
不可少的硬体装置，可以起到牵引、供电等多种功能。接收
换能器，也叫水听器，它能够把水中的声音信号转换成电
信号，是侧扫声纳技术的一个关键组成部分，它能够把声
波收集的信息转换成电信息。该系统具有多种功能，能够
在多种海洋测量任务中起到良好的作用。
它的工作频率一般为数十千赫至数百千赫，有效距离
为300~600米。侧扫声纳在进行近距离探测时，由于其本
要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
基金项目院沈阳城市建设学院2023年大学生创新创业训练计划
项目，“海洋测绘声纳设备操作简化”（20231320
8011）。
作者简介院王莹（2002-），女，黑龙江海伦人，本科在读，研究方向
为测绘工程。
身的高分辨能力，可获得良好的地图绘制效果。在进行海
底地质勘探的时候，它的工作频率大大提高，能够探测到
20公里的范围。侧扫声纳技术的换能器主要位于拖曳体
和船体之间，在海上行驶时向两边向下发射声脉冲，整体
呈扇形波束。该方法利用声波判断海面、海底及水体的媒
质性质，并对该地区的声学结构进行探测，并对有关资料
进行采集和处理。
[1]
2多波束声纳数据处理
系统的长回波的数据信息处理方法，主要包括：数据
格式转换与读取，声速剖面信息处理，位置数据处理，潮位
信息处理，姿态数据处理，深度信息处理，网格化，坐标系
的转换。在现代科技的帮助下，多波段声纳技术在已开展
的海深探测中，除了可以实现潮位、声速和归心等校正功
能以外，还可以对波束足迹数据进行更有效的计算，进而
对海深探测资料加以筛选，并减少了其中存在的噪声和错
误信息等。多波束探测技术目前所面临的一项重要课题就
是对其进行导航定位、声速修正、潮汐修正和量测参数修
正等方面的专门技术研究。导航的定位校准，是指利用对
多返波的探针、GPS接收器等和指南针间的相对距离关系
的准确测算，可以首先得到探针的精确定位，之后再通过
GPS信号实现定位的准确同步；然后是对潮位差进行校
准，如海洋测深就是对海洋板块表层与某个水平基面之间
的误差进行计算，较为常用的是深度基准面，另外还有海
洋大地水准面等。
除利用实地观测获得的实时潮位信息之外，在大范
围、复杂海域的多波束观测中，通常还会利用潮流分段模
型和GPS非验潮修正模型。索尼克校正包含了表层索尼
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价值工程
真2D与3D世界的同步观测，并完整的得到了精确的坐
标定位。3DSS-iDX-450的实时应用，可以及时读取、拍摄
并录制清楚的三维空间及立体侧扫影像，包括：水底纹理、
建筑与沉船、生境动物与植被、管道、线缆、地质形貌、桩基
础、水文灾害等，以便对于在某些水深地形中看不出来的
特征，做出更为合理的识别与验证。
克和表面声表层索尼克的细微差异都有机会
速二种方面，
对所归算的水深测值带来很大的误差，也可能导致在多波
束回波后产生眉毛形状或笑脸形状的失真。所以，现阶段
一般采用实时表面索尼克仪进行表面索尼克获取，而对表
层索尼克的计算误差也最好控制在1.3m/s以内。从表面
索尼克校正模型c.2越4.5员0.055垣2t0.原3t.垣46.9t0.0垣S员0.35原
0.0原可知：表层索尼克随着温度、盐分、深度（压强）的增加
而增大，其与温度的影响最大，而压力最少时，对盐度碱性
值的干扰也最少。所以一般应同步进行表面索尼克剖面
仪，对索尼克的剖面数据也同步进行。
[2]
其中，纵摇、横摇、
涌波法都是船舶姿态检测系统参数校准的重点项目，其原
因主要是由于其在实际应用时会出现与船舶高度一致的
左右、前后的空间倾角，从而影响了波束在海面上的初始
发射角度和在传统地理坐标系下的平均水深监测数据的
水平坐标。而比常规的方法使用了较先验的姿态校正，在
得到相应参数后再进行软件计算的方法中，要提高较多波
束测深数据的精度，则必须尽可能增加谱带的交叠比例。
上述都是对多波束数据进行处理，但由于观测数据受各种
因素（如仪器噪声、海情等）的影响，多波束数据难免会产
生一些干扰，为了保证数据的科学性，需要对多波束数据
进行过滤。过滤技术根据人工介入所占的比例，可分成人
机交互式过滤和主动滤波。人机交互过滤效果好，但效率
不高。该算法在门限较大的情况下，可以将粗差包含进去，
而在门限较小的情况下，则可以将有用的信息过滤出来。
3侧扫声纳降噪
侧扫声纳图像降噪的目标是在保留图像边缘与细节
的前提下，既能有效地去除噪声，又能获得良好的视觉效
果。现有的侧扫声纳图像去噪技术多局限于空域，如均值
滤波，中值滤波，维纳滤波等，虽然这些方法易于实现，但
往往存在着降噪与细节不能兼顾的矛盾。小波段变换作为
一种经典的去噪技术，以其优良的时频特性、多分辨率分
析能力、稀疏表达能力等优势，在侧扫声纳图像去噪中得
到了广泛的应用。熊传梁、郑雄波等专业人士分别采用不
同形式的降噪，试验证明其噪效果良好。
[3]
但是该变换只对一维信号点的奇异性比较敏感，而在
二维及以上维度上，它所能表达的方向信息很少，对于一
些特征如线、面形状的表达并不能达到最优。
43DSS-iDX-450三维侧扫声纳
4.13DSS-iDX-四百五十三维侧扫光导航与测距系统
和谱带海深测量仪简介
如图1所示，3DSS-iDX-450（由PingDSP公司研制）
是一种新型的三维侧扫光导航与测距功能的双条带测深
仪，具有实时高精度的音速传感器和高精度的可获取式全
球导航卫星系统等辅助功能，并可以在其内安装或外配置
具有RTK实时差分和QuinertiaPPK后向处理能力的全
球导航卫星系统。3DSS-iDX-450引入了PingDSPTM的
处理方法，颠覆了以往的单角度观测的双相干性技术，从
而做到了全方位观测（包括水底、洋面、水柱、多径），并将
其技术应用到了一种便携式微型声纳设备，由此获得了一
种完整的真实三D侧扫点云图和大范围水域的海底探测
技术，将2D侧扫声纳技术引入了3D世界，并由此做到了
图113DSS-iDX-450型三维侧扫声纳和条带状海深测量仪
4.2基本结构
声纳基阵是由几条平行的条形阵元构成的，这些条形
阵元通常也是由一个一个正方形的小陶瓷颗粒基元构成，
每个小基元间的中心间距一般为半波长。测深侧扫基础阵
由发射单元、发射单元、接收单元和接收单元组成，其中两
个单元的作用是进行阻抗匹配。在传输过程中，激励脉冲
信号经过变换器传递到传输阵列，并在传输阵列中形成高
功率的发射生成脉冲，从而使传输阵列在横向上变窄，纵
向上变宽。在该接收区间内，每条接收线阵列都接回波讯
号，并经由一接收变压器与该低噪预放大器相连。
侧扫式测深声纳通常由左右舷两个基阵组成。在安装
过程中，通常要有一个适当的倾斜角度，即安装角度，以增
加侧向扫描距离，并提高水下回波强度。
4.3三维侧扫声纳使用流程
三维侧扫声纳使用流程，如图2所示。
4.4侧扫声纳的主要误差源
淤3DSS-iDX-4503D侧扫声纳传感器阵列的幅度和
相位误差。于姿态传感器的输出。盂两个传感器的相对角
度和高度有误差。榆换能器阵列和深度传感器的相对高度
有偏移。虞表面速度和声音速度的轮廓误差。愚测站数据
有偏差，信号处理方法有偏差。舆传感器阵列和定位系统
的相对位置也有一定的偏差。
其中，声速误差、幅相误差、定位误差和姿态内误差是
影响测深结果精度的重要因素，通常需要对这些误差进行
[4]
主要的校正。
4.5海上测试验收极其成果
经试验
[5]
采用不同的方法、不同船速，对3DSS-iDX-
450系列的三维侧扫声纳和条带测深仪进行了竣工验证
检查，扫测结果使用了该系列的SBG姿态仪、双天线
GPS、测试结果均为：开角55毅约束角10毅的平均水深测量，
显示结果均良好。在此基础上，本文提出了采用内嵌式
SBG位姿传感器与双天线GPS定位方式，并将数据获取
参数设定为：开放角度55毅，限制角度10毅；根据实际情况，
如海况、水深、水质等，对船舶的速度进行控制，提高了数
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三维侧扫声纳使用流程
系统连接以及启动
系统操作
连接处理器等
固定拖鱼尾翼
连接各个插头
检查处理器等
准备完毕
启动声纳
选择工作模式
拖鱼入水调节参数
储存文件
GPS导航输入
斜距、速度矫正
打印
图2三维侧扫声纳使用大致流程
据的采集质量。
根据试验结论可以发现，3DSS-iDX-450型三维侧扫
声纳和条带状测深仪都能够很简单地实现携带和应用，在
不改变正常工作方法的前提下，控制软件操纵简单。经过
试验可以检查出1.3m的大小目标障碍物，检测结果基本
满足了标准要求。该仪器还可应用于海道检测、障碍物检
查、水下项目检查等生产活动中。
5侧扫声纳图像特征提取
目前，在水声信号处理领域中，声纳图像的特征提取
已经成为水声信号处理中的一个热点问题。通过对侧扫声
纳影像特征的分析，利用点和线两种特征来加强对点和线
这两种特征的理解，从而达到对影像特征提取结果的比
较。实验证明，线特征能够更好地反映图像的特性，并能提
供更多的信息。在光学影像中，通常采用的线性提取方法
同样可以应用到声纳影像中。针对Hough变换的线性特
征
[6]
提取效果不佳的问题，对Hough空间变换进行了改
进，从而改善了线性特征提取效果。针对LSD中存在的断
裂特征提取问题，提出一种基于线性特征拟合的线性特征
拟合方法，将已判定为断裂的线性特征进行拟合，从而减
小断裂线性特征的影响。
但是，由于声纳成像的特性，部分区域内线特征分布
稠密、相似特征数目过多，导致现有的线状特征难以准确
刻画，因此，如何降低稠密区域内线状特征的相似度，又能
保证线状特征的品质，是今后待解决的问题。
6侧扫声纳的生产及应用
6.1浅水区域作业
某河水域暗沙区水深目测为猿~苑左右，使用3DSS-
iDX-450对暗沙区实施全范围扫测，比较于多回波的施工
方法，其超宽的水域覆盖面积很大地提升了施工效果。
[7]
6.2沉船扫测
在船舶沉没事故救援工作中，对测量人员进行快速、
高效的探测是亟待解决的问题，传统的探测方法主要是将
侧扫声纳和多波束联合进行，首先利用侧扫声纳进行粗略
的探测，然后利用多波束进行精确探测，这种探测方法在
设备安装和数据处理等方面都存在着工作效率低下的问
题。而3D侧扫声纳结合了这两个优点，可以通过一次安
装和测量来实现对目标的扫描。
在黄海海域一艘沉船的紧急扫描工作中，3DSS-iDX-
450获取的2D声纳图像和3D扫描结果清晰、可靠，不仅
可以实时获取沉船的位置、姿态、尺寸以及附近海域的大
致水深等信息，而且可以根据这些信息确定出沉船所处的
深度，为后续救援工作提供依据。通过对3DSS-iDX-450
获得的2D声纳图像和3D扫描结果进行资料对比分析，
发现这一沉船的特征和信息与目标物相吻合。
7结语
在全球经济一体化发展的背景下，海洋测绘已经成为
推动我国经济发展的一个重要方面。随着人们对海洋资源
的需求不断增加，海洋测绘的发展已经成为了一件关乎国
家和社会发展的大事。在侧扫声纳这一新兴测量技术的支
持下，侧扫声纳不仅操作简单，成本低，而且具有很强的时
代性。作为国家科技进步和社会进步的集中体现，在海洋
测量领域当中，侧扫声纳技术将会起到巨大的作用。因此，
在对侧扫声纳技术进行研究和分析的基础上，可以更好地
促进海洋测绘事业的发展。本文对主要计算型侧扫声纳及
其在海上测量中的理论和特性展开了系统分析与研究，并
以3DSS-iDX-450系列三维侧扫声纳为例，对计算侧扫声
纳的工作机理及其主要误差来源进行了总结研究。在此基
础上，对侧扫声纳分析以及对误差的校正工作，进行了进
一步的研讨。期望能够提高中国侧扫声纳技术在海洋测绘
中的运用水平，并以此推动中国海洋测绘的进一步地发展。
参考文献院
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