一種多波束聲吶在船舶水下安檢系統(tǒng)中的應(yīng)用＊

陳孟君

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

隨著國際戰(zhàn)略形勢的變化，敵對沖突模式也在不斷發(fā)展。“9.11事件”的發(fā)生，徹底改變了傳統(tǒng)意義上的恐怖襲擊方式，多元化、隱蔽性的特點日趨突出。港口、碼頭及江河水壩等是我國重要的水上交通及水利設(shè)施，來往船舶眾多。目前，該類區(qū)域雖擁有完善的陸上和水面安全檢查措施，但船舶水面以下部分的安檢手段極度匱乏。恐怖分子控制民用船舶后，一旦將水下爆炸物放置在船舶底部水下（附著在船底或拖曳在船底），就可能順利通過現(xiàn)有的水面安全檢查，對該類設(shè)施發(fā)動恐怖襲擊，引起經(jīng)濟損失、造成政治和社會影響，打擊民眾心理安全、甚至造成社會動亂。

另一方面，內(nèi)河航運有部分船舶為追求經(jīng)濟利益，超過航道維護水深標(biāo)準(zhǔn)配載航行（稱為船舶“超吃水”），當(dāng)這些“超吃水”船舶冒險通過航道的淺險航段時，容易在航道內(nèi)擱淺，阻塞航道，從而影響航運暢通，危害嚴重。這些單體貨船大都是個體或民營船舶，部分船員的素質(zhì)不高且信息渠道閉塞，船主常常只考慮自身經(jīng)濟利益，盲目冒險航行，這是造成“超吃水”擱淺的主要原因。另據(jù)了解，也有一些自航貨駁船為了防止因船舶碰撞或擱淺對船體造成損壞，在船舶底部安裝有護底板，主要是用于保護船舶底部的舵葉和螺旋槳。護底板大都安裝在舵葉和螺旋槳下部，并與船舶底部牢固地焊接，這些護底板一般突出船底龍骨0.4m～0.5m，結(jié)構(gòu)堅固，當(dāng)船舶出現(xiàn)擱淺時，這部分裝置首先擱淺，從而造成整個船體擱淺，對航道的破壞影響非常大［1～2］。

此外，船只通過船底非法夾帶或拖帶走私物品，現(xiàn)場肉眼不易發(fā)現(xiàn)，往往容易躲過海關(guān)緝私部門的檢查，給國家造成較大的經(jīng)濟損失。

鑒于此，了解并開展船舶的水下安檢方面的工作是十分有意義和必要的。

2 船舶水下安檢的發(fā)展現(xiàn)狀

對于船舶吃水檢測，目前檢測手段主要有人工檢測和自動檢測兩種。人工觀測船舶吃水線標(biāo)尺讀數(shù)是人工檢測船舶吃水量的主要方式。檢測時，被測船舶需要保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，測量人員登船測量或是乘坐檢測用小艇靠近被測船舶測量。測量人員需要分別讀取被測船舶左右舷船首、中、尾共六處吃水線標(biāo)尺的讀數(shù)，然后據(jù)此計算出被測船舶的實際吃水量。該測量方法有很大的局限性。一方面由于天氣，水面波動等環(huán)境因素影響，導(dǎo)致讀取水尺讀數(shù)時存在一定的誤差，甚至個別船舶吃水線受水力侵蝕、氧化、磨損、脫落，或泥砂、油垢污染，字符模糊后很難讀認；另一方面，測量時被測船舶需要停泊，測量時間也較長，大大影響了航道的通航效率［3～4］。

目前用于船舶吃水自動檢測的技術(shù)手段大致包括以下幾種［5］：

1）超聲波水尺和載重測量就是依據(jù)超聲波測距原理，以船體舷邊甲板為基準(zhǔn)測量船舶吃水，通過測量超聲波回波返回的時間，根據(jù)當(dāng)時當(dāng)?shù)芈曀伲瑴y得船體主甲板至水面的距離等參數(shù)，計算出吃水值；

2）壓力傳感器安裝在船舶空載吃水線的位置上，利用水壓的變化反映出水深的變化這一特性，當(dāng)船舶載貨后吃水變深，根據(jù)壓力傳感器獲得的數(shù)值，經(jīng)過換算后，即可得出船舶的吃水深度；

3）電子水尺的基本工作原理是利用水的導(dǎo)電性，采用類似于人工觀測水位的方法，它是自上而下依次讀取每個感應(yīng)觸點（即探針）的電導(dǎo)，在探測到探針和水面接觸的位置，探針間的電導(dǎo)會突變增大從而確定水位值；

4）激光水位計的測量原理類似于超聲波測量，利用光速的不變性，通過測量激光束往返的時間，間接獲得當(dāng)時的水位信息。

這些檢測手段主要使用目的是船主通過對船舶自身的檢驗，了解船舶的載重量，用于計算其所獲經(jīng)濟效益。這些設(shè)備一般安裝在船體上，設(shè)備的管理及其維修與船員的能力有很大關(guān)系，其檢測效果受船體、船速的影響較大，其檢測結(jié)果的可靠性受人為因素影響。所以，從某種程度上講，這些檢測手段并不能滿足船舶監(jiān)督管理和船舶吃水控制現(xiàn)實的需要。經(jīng)文獻查詢可知，目前國內(nèi)外尚無船舶吃水動態(tài)檢測的成套系統(tǒng)設(shè)備的相關(guān)報道，但相類似的專題研究仍處于技術(shù)研究和開發(fā)階段。

另外，對于船底水下物品走私，文獻［6］提出了一種“反走私水下取證系統(tǒng)”，該系統(tǒng)主要包括安裝于緝私艇上水下機器人和探測聲吶，能夠?qū)Ω难b過的船只進行識別，對船底走私物進行檢查和辨識，達到現(xiàn)場取證，打擊走私的目的。

綜上分析，由于在水中很難采用常規(guī)的光學(xué)或其它測量方法對船舶吃水及底部情況進行有效監(jiān)測，而聲探在水中是唯一有效的信息載體，為船舶水下安檢的開展帶來了可能。本文介紹一種多波束聲吶在船舶水下安檢系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3 多波束聲吶系統(tǒng)

3.1 基本原理

多波束測深聲吶又稱為條帶測深聲吶或多波束回聲測深儀，其原理是利用發(fā)射換能器基陣向海底發(fā)射寬覆蓋扇區(qū)的聲波，并由接收換能器基陣對海底回波進行窄波束接收，如圖1所示。通過發(fā)射、接收波束相交在海底與船行方向垂直的條帶區(qū)域形成數(shù)以百計的照射腳印，對這些腳印內(nèi)的反向散射信號同時進行到達時間和到達角度的估計，再進一步通過獲得的聲速剖面數(shù)據(jù)由公式計算就能得到該點的水深值。當(dāng)多波束測深聲吶沿指定測線連續(xù)測量并將多條測線測量結(jié)果合理拼接后，便可得到該區(qū)域的海底地形圖［7～9］。

圖1 多波束測深原理圖

同理，如果聲吶安裝在水下朝水面發(fā)射聲波，那么當(dāng)水面船只通過聲吶上方時，亦可得到船底形狀圖，從而完成對船舶的水下安檢，本文所述的多波束聲吶就是這種使用方法。

3.2 系統(tǒng)組成

多波束聲吶系統(tǒng)主要由發(fā)射換能器、接收換能器、干端聲吶接口模塊（SIM）組成，配套輔助設(shè)備包含聲速探頭和羅經(jīng)運動傳感器。

所用的是美國R2SONIC公司開發(fā)生產(chǎn)的SONIC 2024多波束聲吶系統(tǒng)。該聲吶具有在線連續(xù)調(diào)頻的能力，可以在200kHz～400kHz范圍內(nèi)實時在線選擇20多個工作頻率，沿航跡方向和垂直航跡方向波束角分別為1°和0.5°，具有256個波束，覆蓋寬度可以根據(jù)實際作業(yè)情況在10°～160°范圍內(nèi)靈活選擇，最大量程500m。聲速探頭主要用于測量系統(tǒng)工作水域的聲速，以修正水溫、壓力不均勻引起聲速的變化，以便聲吶得到更好的測量效果。羅經(jīng)運動傳感器將平臺的三維運動姿態(tài)信息輸入到綜合處理計算機，用于對聲吶數(shù)據(jù)進行補償［10］。

圖2 多波束聲吶外形圖

4 工作模式

多波束聲吶系統(tǒng)及配套的聲速探頭和羅經(jīng)運動傳感器安裝在水下平臺上，平臺布放在安檢區(qū)域航道水下一定深度，聲波朝水面發(fā)射，當(dāng)受檢船只從其上方通過時，聲吶系統(tǒng)對經(jīng)過船只的水下部分進行掃描，聲吶接收到的原始數(shù)據(jù)通過復(fù)合纜實時傳送到岸上的綜合處理計算機形成窄帶圖像，并由專用圖像后處理軟件將窄帶圖像拼接成完整的船底三維圖像。

4.1 單頭工作模式

對于較窄的航道，在滿足深度的情況下，在水下只需布置單套多波束聲吶即可實現(xiàn)相應(yīng)的水面覆蓋寬度，圖3為單套多波束聲吶工作示意圖。為防止受檢船只偏離聲吶掃描區(qū)域，可在航道掃描區(qū)域兩端水面各設(shè)置一個航標(biāo)進行標(biāo)識，以引導(dǎo)受檢船只準(zhǔn)確通過聲吶掃描區(qū)域。對于航道水深合適，且水位變化不大的區(qū)域，可將多波束聲吶座底固定安裝在水下。對于航道水深較大或水位變化較大的水域，就不適合座底安裝，可通過水下浮動平臺安裝，這種水下浮動平臺既能調(diào)節(jié)工作水深，又給后期維護帶來了便利，使用水下浮動平臺安裝時，聲吶數(shù)據(jù)的處理需要羅經(jīng)運動傳感器進行姿態(tài)補償。

圖3 單頭工作示意圖

4.2 雙頭工作模式

對于較寬闊的航道，在水下布置單套多波束聲吶難以實現(xiàn)相應(yīng)的水面覆蓋寬度，所以需增加多波束聲吶的數(shù)量，以增加水面覆蓋寬度。圖4為兩套多波束聲吶工作示意圖。兩套聲吶間隔一定距離同向安裝在平直的水下平臺上，確保拼圖效果，兩套聲吶設(shè)置成不同的工作頻率，避免相互干擾［11］。

圖4 雙頭工作示意圖

5 試驗結(jié)果分析

本文涉及的多波束聲吶系統(tǒng)經(jīng)過了多次湖上實船試驗驗證，試驗結(jié)果表明，由多波束聲吶掃描船底測量得出的結(jié)果與真實船只情況相符合。在船底未攜帶目標(biāo)物和攜帶目標(biāo)物的情況下，船只先后通過聲吶上方，分別得到圖5和圖6所示的實測船底效果圖。圖5為船只底部未攜帶任何目標(biāo)物從聲吶上方完全通過時的掃描效果圖，從圖中可以看出船底比較干凈，無異物。圖6為船只底部攜帶目標(biāo)物從聲吶上方完全通過時的掃描效果圖，圖中船底圓圈標(biāo)記內(nèi)目標(biāo)即為探測到的目標(biāo)物，圖中右下角為水下相機拍攝的放置于船底的其中一個水下目標(biāo)實物照片。

圖5 實船測試效果圖（船底無模擬目標(biāo)）

圖6 實船測試效果圖（船底兩個模擬目標(biāo)）

該多波束聲吶系統(tǒng)除了可以檢查船只整個船底情況，形成完整的船底三維圖像，實時檢測船底異物之外，還可以通過二維輪廓圖結(jié)合船底三維圖得到船只吃水信息。當(dāng)然，測量結(jié)果會因為船只通過時螺旋槳噪聲及水面波浪干擾存在一定的誤差，控制船只低速通過，測量誤差大大減小，可以忽略。

6 結(jié)語

針對船舶水下安檢技術(shù)現(xiàn)狀，本文介紹了一種應(yīng)用于船舶水下安檢的多波束聲吶系統(tǒng)，該系統(tǒng)可望建設(shè)成一套自動、智能、集成、高效的船底測量和報警系統(tǒng)。即當(dāng)船舶通過指定位置后，該系統(tǒng)既能自動測量經(jīng)過船舶的吃水，又能測量船舶水下部分形狀，自動提取船舶的吃水深度，界定船舶吃水深度是否符合航道通行要求，對發(fā)現(xiàn)的“超吃水”船舶自動報警，同時還能發(fā)現(xiàn)船底異常，能有效檢查船底走私物品或攜帶危險品，協(xié)助海關(guān)緝私取證或海事部門船底檢查，實現(xiàn)陸上人員肉眼無法完成的安檢任務(wù)。

［1］熊木地，朱四印，李祿，等.通航船舶吃水實時檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2012，33（1）：173－179.

［2］朱四印.船舶動態(tài)吃水實時檢測與數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.大連：大連海事大學(xué)，2011：2－5.

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［8］劉曉，李海森，周天等.基于多子陣檢測法的多波束海底成像技術(shù)［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2012，33（2）：197－202.

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［10］李啟虎.進入21世紀的聲吶技術(shù)［J］.信號處理，2012，28（1）：1－11.

［11］易媛媛，陳孟君，劉棟等.船舶底部水下安全檢測裝置［P］.中國.ZL201120129649.5，2012.