文章编号：1674－5566（2013）03－0404－06
收稿日期：2012-08-06修回日期：2013-03-05
基金项目：农业公益科研专项（201003068）；上海市教育委员会科研创新项目（12ZZ159）；海岛（礁）测绘技术国家测绘局重点实验室基金（2011B06）；上海高校优青专项（ssc10007）
作者简介：沈蔚（1977—），男，博士，副教授，研究方向为海洋测绘、遥感、虚拟仿真。E-mail：wshen@shou．edu．cn
通信作者：李勇攀，E-mail：ypli@shou．edu．cn
沈蔚1，2，章守宇1，李勇攀1，2，张进1，2，沈天跃1，2，沈赟1，2，张翔1（1．上海海洋大学海洋科学学院，上海201306；2．上海海洋大学水下信息中心，上海201306）
摘要：长期以来将多波束测深数据和侧扫声呐图像进行融合叠加，一 直是水下测绘领域的研究难题，而美国Benthos公司近年推出的C3D测
深侧扫声呐系统，采用了多阵列换能器，CAATI专利算法，可同步获得高
碎花刀刀分辨率的侧扫图像和高质量的测深数据。本文着重研究：（1）在鱼礁区
的设计阶段，C3D系统提供三维的水下地形、等深线等数据，进行三维可
视化的鱼礁礁址的选择和布设方案设计；提供高分辨率的水下地貌图
像，进行海底地质的分类，也可直观判断水下的各种地貌和障碍物等。
（2）在鱼礁施工阶段，利用C3D水下图像对鱼礁的位置和状态进行评
估，改进投放方法和工艺，确保设计方案的实施到位。（3）在鱼礁竣工
后的监测阶段，利用不同时期的C3D高分辨率图像及水深数据进行比
对，以判断鱼礁区的地形地貌变化，鱼礁的稳定性、掩埋损坏等情况。实
验表明，C3D是一款性能优越的水下声呐探测系统，可为人工鱼礁方案
设计提供详细的海底地形和底质信息，可对人工鱼礁建设的过程和结果
进行科学的评估，将为各地人工鱼礁工程的顺利实施和效果保障发挥重
要作用。
研究亮点：首次在国内将先
进的C3D测深侧扫声呐系统
应用于人工鱼礁的建设，并以
东海区多个人工鱼礁项目为
例，分析了C3D在鱼礁建设
的设计阶段、施工阶段和监测
阶段中发挥的重要作用，为人
工鱼礁建设的过程保障和效
果评估提供了很好的技术方
案。
关键词：测深侧扫声呐；人工
鱼礁；多波束；探测
中图分类号：S953．1
文献标志码：A
1C3D测深侧扫声呐系统介绍
1．1C3D系统原理
水下探测所使用的多波束声呐系统，从波束
形成原理上可分为两种类型，一种采用束控法，
称之为传统多波束，另一种采用相干法，可称之电极糊
为相干多波束系统。本文所讨论的C3D测深侧
扫声呐系统即为后者，其换能器在进行一次短脉
冲发射后，海底反射的回波信号被换能器的接收
器按照一定的相位差接收，根据相干原理，换能
器阵中两个固定间距的换能器之间的相位差和
波束的到达角存在固定的关系，从而计算出到达
角的大小，再结合记录的波束传播时间即可进行
水下目标位置的解算［1］。
C3D三维侧扫测深系统由美国水下声学和
侧扫声呐设备制造商Benthos公司开发，它采用
了多阵列换能器，并采用了加拿大Simon Fraser
大学独家授权计算到达角度瞬时成像（CAATI，
computed angle of arrival transient imaging）专利算
法。普通的相干声呐受限于对于每一个距离步
进只能估计一个散射到达角度，C3D基于CAATI
专利技术，左右换能器各使用了6单元换能器阵
列（具有更好的信噪比和解析度，如图1所示），
最大可以分离出5个并发的角度，极大地提高了
探测空间探测分辨率，测深精度可达5cm，侧扫
精度可达4．5cm。实验证明CAATI技术更适应
3期沈蔚，等：C3D
测深侧扫声呐系统在人工鱼礁建设中的应用复杂的散射几何条件，即使在分离的多路径条件
下，
C3D 仍能提供高质量的3D 旁扫声呐图像
。图1CAATI 原理示意
Fig．1The CAATT principle
C3D 系统利用声波的干涉原理，对一组声脉冲同时进行测深解算和侧扫成像，
同时具备了侧扫声呐和多波束测深的优点，
且图像和深度数据精确匹配，解决了多波束系统和侧扫声呐系统测量信息叠加融合这一业内长期关注和研究的难
点［2］。1．2
C3D 系统组成及性能指标
C3D 三维侧扫测深系统主要分为拖鱼（C3D －TOW ）拖曳安装系统和轻型支架安装（C3D －LPM ）系统，此外还可以与浅地层剖面仪集成（C3D －SBP ）或集成在AOV （C3D －AUV ）上进行测量。C3D －LPM （Lightweight Pole Mount ）轻型支架安装系统专为小型测量船在浅水区域测量设计，造价低，重量轻，便于运输和操作，是本文研究和讨论的具体对象。
一套C3D －LPM 系统包括：运行C3D Server 和C3D Display 及第三方数据采集和处理软件处理器（个人电脑），收发器（甲板单元），工作频率200kHz 的换能器（吊舱），15m 电缆及安装支架等。此外，一个完整的C3D 测量系统一般还包括测量船，高度计、表面声速仪、姿态传感器、电源和DGPS 等辅助设备，其连接设置如图2所示。
C3D 系统（换能器）主要性能指标如下［3］：20．4kg ，水中11．79kg ，适用船速1 10节；工作频率：200kHz （可选100kHz ）；测深扫宽：10 12倍水深；地形探测脚点密度大，可达每50m 1000个熔铜炉
测深点；测深垂直分辨率：5cm ；脉冲宽度：0．125 3ms ；重复率：最大30Ping /s ；换能器波束角：水平1ʎ，垂直100ʎ；俯视角：20ʎ，30ʎ，40ʎ可调
。
图2C3D 系统构成示意图
Fig．2
The configuration of C3D system
1．3
C3D 系统的应用推广
C3D 系统推出至今不到10年，据Benthos 公
司提供的数据，
C3D 系统（截止2011年）在北美和中南美州销售了24套，欧洲非洲和中西亚销
水帘喷漆房售了10套，澳洲和南亚销售了15套，其应用超过25项，主要集中在海道测量、栖息地制图、河道港湾水底制图、挖泥疏浚监测、管线管道路由和制图、
石油天然气探测、环境研究、码头、水闸、大坝、桥梁和港口的安全检查［4－6］
。C3D 系统于2007年左右在国内上市，至今
已有多家单位装备了该设备：海事局海测大队应用C3D 进行水下地形测绘、港口和海港扫测和水下目标探测；水上公安局应用C3D 进行重大活动的水下安全保卫；海洋局第一海洋研究所应用C3D 进行海底石油管线路由调查［7］；上海海洋大学应用C3D 进行海岸研究、海底栖息地成图、人工鱼礁等水下建筑物探测等；海洋工程单位用于水下管道测量；海军应用C3D 进行航行保障方面的数据采集。
2人工鱼礁建设中的C3D 应用
人工鱼礁是人为在海中设置的构造物，其目的是改善海域生态环境、营造海洋生物栖息的良好环境，为鱼类等提供繁殖、生长、索饵和庇敌的场所，达到保护、增殖和提高渔获量的目的。目前国内外已经广泛地开展人工鱼礁建设，进行近海海洋生物栖息地和渔场的修复，而且取得了较好的效果。人工鱼礁建设在方案设计阶段，需要
5
04
上海海洋大学学报22
卷
在建设海域的海底地形及地质类型等基本数据的基础上，进行礁址的筛选，以往大都是根据海图来获取的，存在信息不足、精度不高等缺陷。此外，在鱼礁建设过程和完成后的评价中，尽管可以通过潜水调查等手段获得鱼礁的掩埋、移位、倾覆、损毁等安全性指标，但往往受到水下能见度低、潮流急速、潜水时间短（一般小于1h）和人工探摸范围小（单人单次探摸小于20mˑ20 m）等因素的限制效果很不理想［8－11］。
通过C3D系统快速获得大范围水深和水下图像信息，能够有效地克服传统手段的不足，为人工鱼礁建设的3个阶段提供必要的数据支持。本文以东海区多个人工鱼礁项目建设为例，论述了C3D在其建设中发挥的重要作用。
2．1设计阶段的水下地形地貌数据获取
人工鱼礁的布设必须考虑海域的水下地形、水文条件、底质等环境参数，而C3D系统所能提供的高精度水下地形数据和高清晰度水下地貌图像正是鱼礁区设计必需的核心数据。
2．1．1C3D获取高精度水下地形数据
C3D测深侧扫系统需经过室内连接测试，野外安装调试，多波束校准，测量，室内数据处理等一系列步骤（具体过程和方法本文不做探讨），可获得垂直精度15cm（各种安装和测量误差的存在）的三维水下地形数据。图3（a）所示为C3D 系统所采集的某规划鱼礁区三维水下地形图，由于采用声波相干原理，C3D系统可提供非常密集的脚点数据，网格尺寸可达0．1m，可实现微地形精细测量，进而可实现三维可视化的鱼礁礁址的选择和布设方案设计，并可将设计思想以三维虚拟现实的方式进行表达，结果直观形象便于理解。此外，基于三维水下地形数据还可以提供准确的等深线、坡度、坡向、有效规划区面积等信息，图3（b）是基于图3（a）数据生成的鱼礁规划区等深线图，为鱼礁区规划基本数据之一。2．1．2C3D获取高清晰度水下地貌图像
利用Triton Isis、CARIS SIPS、HYPACK、Eiva、SonarWiz等第三方软件，对C3D的侧扫数据进行斜距、姿态、船速的改正，设置图像分辨率和坐标系，对图像进行镶嵌处理并平滑和填充，最终获得规划鱼礁区域整体的高分辨率的水下地貌图像，图像平面位置精度最高可高达10cm（取决于DGPS定位误差和仪器安装测量误差等）
。
图3C3D获取三维水下地形图及等深线图
Fig．3The seabed3D topographic map＆
2D depth contour
如图4所示，基于高清晰的水下声呐图像，可进行海底地质的分类，一般可以准确区分沙地、泥地、碎石、礁石等不同的海底地貌类型，也可直观判断水下的渔网、养殖绳、桩、人工构筑物及各种障碍物等，为鱼礁规划设计提供了必要的数据保障
。
图4C3D高清晰水下地貌图
Fig．4The seabed high definition image
1．为碎石；2．为沙地；3．为礁石。
2．2施工阶段的工程保障
以往人工鱼礁投放位置的准确性无法进行有效的监测，而利用C3D提供的水下声呐图像（高达10cm平面精度，15cm垂直精度）对施工中投放水下的鱼礁进行现场测量，快速获取水下每个鱼礁的三维位置和状态，迅速判断鱼礁投放的位置是否准确，鱼礁是否有倾倒、重叠等现象。将现场结果与设计方案进行比对，可以评价鱼礁投放的准确性和合理性，并改进鱼礁投放的技术和方法，以确保设计方案的准确实施，保障鱼礁
604
3期沈蔚，等：C3D
测深侧扫声呐系统在人工鱼礁建设中的应用建设的效果。
如图5所示，某海域人工鱼礁工程初期鱼礁投放实测结果（b ）与设计方案（a ）有着一定的偏差，
需及时调整投放方法和施工工艺，确保实际鱼礁（）位置与设计方案的偏差在可控的范围内，如礁中心位误差不应超过10m ，礁整体变形不应超过25%
。
图5人工鱼礁设计图与投放实测图对比
Fig．5
The artificial reef plan ＆measured image
2．3
竣工后的稳定性监测
很久以来，人工鱼礁工程的验收、稳定性、效
果评估都很难实施，而当前基于C3D 等所提供的
高清晰水下声呐图像，
可以有效地对人工鱼礁的建设效果进行评估，目前这项工作在我国还刚刚
起步，处于探索阶段，据了解目前仅有上海海洋大学在从事该领域研究。2．3．1鱼礁投放情况评估
在鱼礁全部投放后，须进行投放区域的全覆盖扫测（方法同施工阶段的扫测），搞清鱼礁区的整体布局情况和每座鱼礁的三维位置和状态，分
析其投放的效果，并作为竣工验收的基本资料和后续比对的资料（图6）。2．3．2
鱼礁稳定性评估
鱼礁投放后的一定周期（初期1年，
后期
2图6不同类型人工鱼礁投放后竣工验收图Fig．6
The completion acceptance image of different artificial reef
年），须再次对投放区域进行全覆盖扫测，掌握当前的鱼礁分布和状况，以确认前期投放的鱼礁是否丢失，位移是否移动，是否被掩埋及鱼礁区的地形有无变化。该阶段通常还会进行藻类生长情况和渔业资源的调查评估，以进一步评估鱼礁建设的生态效果（图7）。
3总结与展望
C3D 测深侧扫声呐系统，由于采用了独特的
相干原理和CAATI 技术，使其具备同时获取地貌
图像和水深的能力，高覆盖、高分辨率、高精度、高效率等一系列优点。同样由于采用了相干原理，其对复杂地形（礁石、碎石、陡坡）的测量和解算能力较差，这类地区会因无法进行干涉测量，导致部分水深数据的缺失。
由于采用相干原理，
C3D 数据条带中心噪音非常大，导致仪器正下方数据误差较大，一般需过滤掉并配置额外的高度计辅助测量水深。如图3（a ）所示，
该图部分航线中心的水深数据噪音过大，被过滤后成空白状。此外，C3D 条带边缘数据变形较大，易导致测深数据拼接处处理困难。
C3D 系统使用中辅助设备较多，各部分的偏
7
04
上海海洋大学学报22
卷
图7不同类型人工鱼礁后期监测水下探测图
Fig．7The C3D measured image
for artificial reef monitor
移量、安装误差（横滚、纵摇、偏航）、数据同步误
差（时延）、潮汐改正、声速剖面等，任意环节的误
差都会对最终的数据精度造成影响，故必须保证
校准测量和仪器安装的精度。
C3D测深侧扫声呐系统，具备同时获取清晰
地貌图像和高精度水深的能力，非常适合在浅水
中进行地形地貌测量。C3D的特点和优势决定
了其在水下工程、环境栖息地调查、海底地形地
貌测量、水中目标探测等领域具有巨大应用潜
力，如人工鱼礁、水库大坝、跨海大桥桥墩、海底
油气管道等水下建筑物的探测与诊断，长江黄河
的险工段探测，中华鲟栖息地调查，失事船只和
危险品水下搜寻。此外，近期有关单位利用C3D
侧扫图像的白柱部分对喀纳斯湖中鱼类进行了
探测。
综上所述，C3D测深侧扫声呐系统是一种优
越的水下成像声呐系统，大量的实践证明其在人
工鱼礁建设的3个阶段都大有作为。C3D系统
的应用，可为人工鱼礁方案设计提供详细的海底
地形和地貌信息，可对人工鱼礁建设的过程和结
自闭式冲洗果进行科学的评估，将为各地人工鱼礁工程的顺
葡萄酒电动开瓶器利实施和效益保障发挥重要作用。
参考文献：
［1］李成钢，王伟伟，阎军．传统多波束系统与具有相干特
点的多波束系统的研究［J］．海洋测绘，2007，27（2）：
77－80．
［2］赵建虎．多波束测深及图像数据处理［M］．武汉：武汉
大学出版，2008．
［3］RAMIREZ M T．Benthos C3D Acquisition Guide：Hardware
＆Software Setup［R］．Triton Imaging Inc．，2011．
［4］HEGG A F．Determining the Functional Shallow Water Limitation
for an Arrival Based Sonar［C］．U．S．Hydro，2007．
［5］HEINECK K．Teledyne Benthos'C3D-LPM Maps River Bed
in VA［N］．WSLS News，2011．
［6］MOSS D，ARMSTRONG S，MARTIN P，et al．Using C3D
Co-Located side-scan imagery，bathymetry，and acoustic
backscatter for mapping benthic habitat in a shallow tidally-
dominated saltmarsh environment，eagle river flats，Alaska
［EB/OL］．http：//www．estuaries．org/pdf/2010posters/
armstrong．pdf．
［7］李平，杜军，吴桑云．基于CAATI技术的条带测深侧扫
声呐系统C3D_LPM［J］．海岸工程，2010，29（4）：50－
56．
［8］焦金菊，潘永玺，孙利元，等．人工鱼礁区的增殖鱼类资
源效果初步研究［J］．水产科学，2011，30（2）：79－82．
［9］尹增强，章守宇，汪振华．浙江嵊泗人工鱼礁区小黄鱼
生长特征与资源合理利用的初步研究［J］．中国生态农
业学报，2010，18（3）：588－594．
［10］汪振华，章守宇，王凯，等．三横山人工鱼礁区鱼类和大
型无脊椎动物诱集效果初探［J］．水产学报，2010，34
（5）：751－759．
［11］张硕．人工鱼礁生态效应研究［D］．上海：上海水产大学，
2006．
804
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议