地形地貌匹配导航

1.2.3　地形/地貌匹配导航

通过海底地形地貌，也可进行导航，即地形/地貌匹配导航。海底地形是指海底深度与地理坐标的对应关系，利用海底地形图来描述。海底地形图借助海底深度测量数据来绘制。海底地貌是指海底表面的细微结构图，是根据海底各点的回波强度来获得的。地形匹配导航利用地形的几何起伏变化来实施自主导航，其精度主要取决于地图精度和地形变化情况。在特征地形下，其导航精度和可靠性较高;但当特征不明显或地形近似度较高时，导航可靠性会降低，且易出现误匹配问题。

水下地形测量的发展与其测深手段的不断完善是紧密相关的。在回声测深仪尚未问世之前，水下地形探测只能靠测深铅锤来进行，精度很低，且费工费时。20世纪20年代出现的回声测深仪，即单波束回波测深仪(single beam echo sounder)，其基本原理是利用安装在船底的换能器垂直向下发射声脉冲信号，测量该信号经海底反射回到换能器的往返传播时间，根据已知声速即可得到海底深度。当测量船在水上航行时，船上的测深仪可测得一条连续的水深线，即地形断面，通过水深的变化，可以了解水下地形的情况。单波束回声测深仪只利用一个回波，每一次信号收发只能得到一个点的海底深度，测量效率较低，属于“点”状测量。但由于其操作简单、价格低廉，在许多民用船上仍被广泛使用。双频测深仪是为适应不同海深的测深需要而发展起来的，在浅水区使用较高的频率，而在深水情况下则使用较低的频率。

20世纪70年代出现了多波束回波测深仪(multibeam echo sounder)或条带测深仪(bathymeter)，多波束回波测深仪发射时采用较宽的波束，而在接收时采用预成波束技术形成多个接收波束，在一次信号发射和接收期间可同时获得海底多个点的深度数据，工作效率高。它能一次给出与航线相垂直的平面内几十个甚至上百个测深点的水深值，或者一条一定宽度的全覆盖的水深条带。所以它能精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，属于“面”测量。相对单波束系统，多波束回波测深技术相对复杂，设备价格昂贵。多波束回波测深仪在航道测量、海底勘探等方面得到愈来愈多的应用。在军事上对于作战战场的探测或战场的准备也有着十分重要的意义。

多波束系统的研制工作起源于20世纪60年代美国海军研究署资助的军事研究项目。1962年，美国国家海洋调查局(NOAA)在Surveyor号上进行了新问世的窄波束回声测深仪(NBES)海上实验。第一套原始的多波束系统采用两个换能器阵列，长发射阵沿船的龙骨安装，波束发射角为2.66°×54°;发射阵列与船的龙骨垂直，产生16个20°×2.66°波束，接收信号来自于发射和接收波束的交织部分，形成16个2.66°×2.66°窄波束。随着军事需求和计算机技术等的不断发展，美国通用仪器公司认识到NBES系统可以进行宽幅度的水下地形测量。1976年，数字化计算机处理及控制硬件应用于多波束系统，从而产生了第一台多波束扫描测深系统，简称SeaBeam。该系统有16个波束，波束宽度2.66°×2.66°，扇面开角为42.67°。系统还增加了一个微型计算机处理系统，同时处理16个纵横稳定的波束，并在软件中进行横摇改正。通过波束间的内插处理，还可以形成15个波束，声线弯曲改正后便获得了实测深度。SeaBeam的横向测量幅度约为水深的0.8倍，如水深为200m左右，海底实际扫幅宽度约为150m;如水深为5000m左右，扫幅宽度约为4000m。SeaBeam的工作频率为12kHz，最大测深量程为11000m。进入20世纪80年代，美国海洋研究集团(NECOR)完善了SeaBeam在船上的数据采集、综合、处理和显示能力。为了实现海陆数据编绘和整理，先后将先进的计算机应用于SeaBeam的数据提取、整理，使其能够为多任务、多用户提供足够的储存能力，数据处理速度也基本上满足了当时的野外测量需要。20世纪80～90年代，先后出现了浅、中、深水多波束系统，如L-3 Communications ELAC Nautik GmbH公司的Seabeam系列，RESON公司的Seabat系列，Kongsberg Simrad公司的EM系列以及Atlas公司的Fansweep 20等。

激光测深系统是另外一种具有广阔发展前途的测量手段。激光光束相对一般水下光源能发射至更远的距离，其发射的方向性也大大优于声呐装置所发射的声束。激光光束的高分辨率能获得海底传真图像，从而可以详细调查海底地貌与海底底质。

侧扫声呐(side scan sonar)也称旁视声呐或海底地貌探测仪，可显示海底地貌，确定目标的概略位置和高度。过去因其难以给出深度而只能用于水下地貌调查，近年来，随着水下定位等相关技术的发展以及高分辨率测深侧扫声呐的面世，侧扫声呐也可用于水下地形测量;同时，AUV(autonomous underwater vehicle)/ROV(remotely operated vehicle)所承载的扫测设备也逐步成为高精度水下地形测量的一个非常有效的手段。

侧扫声呐可安装于船壳上，也可安装在一个称为拖鱼的密封壳体上由船拖曳。它采用单波束进行收发，波束宽度沿船(或拖体)前进方向很窄，而在船的横向则很宽。在信号发出之后连续采集回波数据，然后将各次发射信号采集的回波数据构成一幅海底图像。海底地貌仪分单侧和双侧两种，目前多使用双侧地貌仪。侧扫声呐用于海底大面积成像，也可用于对海底结构、岩石、沉船、障碍物、管线等进行定位。根据其提供的图像，提取出某些特征，从而实现水下目标的识别和海底底质分类。侧扫声呐在海洋开发、环境研究等方面有着广泛应用，在军事上也可用于探测沉于海床上的鱼雷。

综合地形地貌测量设备结合了地貌和地形测量两种功能。一种是以多波束系统为主，可兼顾地貌测量，它的地形测量精度较高，而地貌图像通过波束内插得到。另一种是以地貌测量为主，同时兼顾地形测量，它采用了近年来发展起来的相干声呐技术。

将多波束、高精度测深侧扫声呐等声呐扫测设备安装在潜航器上，也可以实现对海底的高精度测量，如我国大洋一号上的6000m水下自治机器人AUV系统安装了测深侧扫声呐、浅地层剖面仪等设备，用于大洋的海底地形地貌调查。