雙基地聲吶的港口航道水深實時監(jiān)測技術(shù)研究

楊建

摘 要：我國大陸海岸線長達18000多公里，其中淤積質(zhì)海岸占4000多公里，大多數(shù)港口都是建立在淤泥質(zhì)地的海岸之上，有部分航道具有航程較長、寬度較窄、水深有限、淤積嚴重等特點。因為缺乏實時的水深監(jiān)測手段，并且沒有從根本上掌握泥沙流和水深變化等動態(tài)規(guī)律，所以經(jīng)常會發(fā)生因船舶裝載量過少而造成經(jīng)濟損失，或發(fā)生過裝載量過多而導致船舶擱淺、航道阻塞等問題。

關(guān)鍵詞：雙基地聲吶 港口航道 水深 實時監(jiān)測

雙基地聲吶的港口航道水深實時監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展背景與現(xiàn)狀和意義

我國大多數(shù)港口都是建立在淤泥質(zhì)地的海岸之上，隨著海運事業(yè)和沿海地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，港口泥沙回淤一直備受關(guān)注。淤泥質(zhì)地海岸岸灘平坦，泥沙顆粒較細，不利于建港，所以迫切需要在這種不利條件下興建港口。其中較為典型的是天津港和連云港。港池和航道的開挖，特別是大泊位港池和深水航道的開挖，勢必在一定程度上打破原有岸灘平衡，導致港池、河道出現(xiàn)泥沙回淤現(xiàn)象，外加港池、河道底部狀況隨風浪、水流等天氣水文情況的改變而發(fā)生變化，這給船舶的安全航行帶來了威脅。

和淤泥質(zhì)海岸類似，建立在粉砂淤泥質(zhì)海岸的港口也面臨同樣的問題，其中較為典型的是黃驊港。與輕淤港相比，這類港口航道的管理與維護需要付出更多的代價與努力。由于近年來，船舶的大型化及運載量的增大使得泥沙淤積問題更加嚴重的影響了航道的正常運行。所以，港口的當務(wù)之急是提高航道的通航率。

但是以前采取的人為措施都無法從根本上解決這一問題，所以需要我們找到新的解決方法更好的改善這一現(xiàn)狀。

保障船舶安全航運和提高航運效益的前提是水深測量。水深數(shù)據(jù)的實時掌握可以為深入了解航口航道淤積變化規(guī)律提供依據(jù)。而以前對淤積型港口航道的水深測量主要依靠機載光學設(shè)備和船載聲學設(shè)備來完成，但是這兩種手段不能及時的提供水深數(shù)據(jù)，所以并不能從根本上掌握泥沙流和水深變化的動態(tài)規(guī)律。因為這樣的缺陷與不足經(jīng)常會給我們的航運事業(yè)造成損失與危害，也會給航道疏浚和挖泥船帶來許多困難。因此，研究港口航道水深實時監(jiān)測技術(shù)，及時準確的掌握航道水深變化情況，對于增加船舶裝載量，減少停泊，避免擱淺，減少航道，港池的維護疏浚工作量，提高港口的通航能力和航運事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

雙基地聲吶的港口航道水深實時監(jiān)測技術(shù)的研究方法

雙基地聲吶的港口航道水深實時監(jiān)測技術(shù)研究方法主要包括兩方面內(nèi)容：雙基地聲吶技術(shù)研究和港口航道水深測量方法研究。

雙基地聲吶技術(shù)研究綜述：傳統(tǒng)的聲吶設(shè)備，基本上都是按單基地模式獨立工作的，人們所關(guān)心的只是聲吶本身的單程或雙程探測能力。這種類型的聲吶，由于其收發(fā)合置，聲吶在探測目標的同時也暴露了自己，因而隱蔽性較差，極易被敵方發(fā)現(xiàn)。雙基地聲吶，其收發(fā)裝置相距一定距離，探測范圍是以聲源和接收機為焦點的等時橢圓。與單基地聲吶相比，這種聲納系統(tǒng)具有探測范圍大、隱蔽性能好、抗干擾能力強、優(yōu)化設(shè)計易于實現(xiàn)、機動靈活、作用距離遠、定位精度高等優(yōu)點，一些發(fā)達國家紛紛開展有關(guān)雙基地聲吶的課題研究，使雙基地聲吶技術(shù)成為現(xiàn)階段和未來聲吶領(lǐng)域的熱點。

港口航道水深測量方法研究概述：早期的水深測量方法主要采用定距繩或六分儀平面定位，測量桿或測深重錘同步測深。這種方法屬于機械式測量，也是最原始的測量方法，每次只能測量一個點，僅適用于工程規(guī)模比較小的淺水海域，由于原始測深方法費工、費時，精度和效率很低，現(xiàn)在，除了在特殊底質(zhì)的內(nèi)河疏浚工程中使用外，已基本不用。為了進一步發(fā)展海洋考察工作，急需新的、先進的測探手段和方法。進入二十世紀，隨著科技的迅猛發(fā)展，各種新型的水深測量方案應(yīng)運而生，海洋水深測量方法按測量平臺所處的位置可以分為：①星載遙感器水下地形測量；②機載激光測探；③船載聲吶測探；④潛水器測探。當前，港口航道水深測量方法主要集中在船載聲吶測探和機載激光探測，而船載聲吶測探，因其成本較低，是我國航道普查的主要手段，此外，張勛等還提出航道側(cè)面多傳感器水深測量方法。

雙基地聲吶的港口航道水深實時監(jiān)測技術(shù)研究內(nèi)容

針對目前國內(nèi)外部分港口航道航程較長、寬度較窄、水深有限、淤積嚴重而又缺乏實時的水深監(jiān)測手段這一現(xiàn)狀，結(jié)合工程項目展開研究，我們將對幾個關(guān)鍵技術(shù)進行比較深入的研究，包括高頻雙基地海底散射模型、港口河道水深實時監(jiān)測方法、單頻水聲信號的高分辨率多徑時延估計等，并在以上幾個關(guān)鍵技術(shù)的研究中給出了比較新穎的模型、方法和算法，主要研究內(nèi)容如下：

我們首先分析了課題的研究背景與現(xiàn)狀和意義，詳細介紹了目前港口航道水深測量的主要方法及實現(xiàn)水深實時監(jiān)測所存在的問題，對國內(nèi)外有關(guān)雙基地聲吶技術(shù)研究的現(xiàn)狀進行了綜述，基于上述分析，確立了論文的研究方向。

接下來我們研究了：①港口航道中的聲信道與聲傳播特性。討論了水聲信道的多徑傳播特性，建立了雙基地聲吶信號傳輸模型，深入分析了港口航道中的海洋噪聲源、噪聲普分布以及混響干擾，著重研究了淺海與其邊界條件對聲波傳播所造成的影響，并通過數(shù)值仿真分析了聲波在港口航道中的傳播衰減、反射及散射等特性。②研究了雙基地聲吶的海底散射問題。給出了一個計算高頻雙基地海底散射強度的“小斜率-體積”模型。針對幾種典型的海底類型進行了數(shù)值仿真，并將得到的散射強度結(jié)果與經(jīng)典的APL-UW模型進行了對比。以典型淤泥質(zhì)港口航道為例，仿真分析了淤泥質(zhì)海底散射強度與模型中各參數(shù)之間的關(guān)系，重點研究了小掠射角情況下海底的聲散射特性。③研究了港口航道水深實時監(jiān)測方法。以射線聲學理論和雙基地海底聲散射理論為基礎(chǔ)，提出了一種基于雙基地聲吶的港口航道水深實時監(jiān)測方法。利用水聲信道的多徑傳播特性，通過求解直達路徑聲信號和海底反射最短路徑聲信號的相對時延來計算港口航道的水深，給出了一種解決單頻水深信號高分辨率多徑時延估計的混合算法，仿真分析了算法的時延估計性能，并通過實驗進一步驗證了算法的有效性。④設(shè)計并研制了一套基于雙基地聲吶實現(xiàn)港口航道水深實時監(jiān)測的實用化系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及工作過程，詳細討論了系統(tǒng)中各功能模塊參數(shù)的合理選擇及其具體的電路實現(xiàn)方式，并在室內(nèi)游泳池內(nèi)對系統(tǒng)原理樣機的性能進行了測試。⑤利用系統(tǒng)原理樣機在大連海域某港池內(nèi)進行了系統(tǒng)性能驗證實驗。詳細介紹了海上實驗的實施方案，給出了系統(tǒng)在大連海域環(huán)境下和某港口航道淤積環(huán)境下的實驗結(jié)果，重點分析了水深監(jiān)測系統(tǒng)在不同淤積環(huán)境下和不同幾何布放關(guān)系下的總體性能，深入討論了系統(tǒng)測量誤差。

結(jié)語

港口航道淤積現(xiàn)象在世界范圍內(nèi)普遍存在，由于直接影響傳播的安全航行和航運效益，各有關(guān)國家對此非常重視。因此本文的研究就此問題展開深入討論，從港口航道水深實時監(jiān)測技術(shù)研究的背景和意義出發(fā)，深入分析這一發(fā)展技術(shù)的現(xiàn)狀，然后針對目前港口航道水深實時監(jiān)測的需求和存在的問題，以射線聲學理論和雙基地海底聲散射理論為基礎(chǔ)，提出了一種基于雙基地聲吶的航道水深實時監(jiān)測方法，并設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)合理的水深監(jiān)測系統(tǒng)，最后通過在大連海域和某港口航道淤積環(huán)境下的幾組水深監(jiān)測實驗，驗證了港口航道水深檢測方法的可行性。本文的研究成果為港口航道水深的實時監(jiān)測提供了理論依據(jù)，具有重要的理論意義和實用價值。

至今為止，隨著以雙或多基地海底反射或散射理論為基礎(chǔ)而研制的各種聲吶系統(tǒng)在海底目標探測、識別及沉積物地質(zhì)屬性反演等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，雙基地聲吶的應(yīng)用研究一定會引起海洋聲學工作者的關(guān)注。雖然本文在利用雙基地聲吶實現(xiàn)港口航道水深實時監(jiān)測方面做了一定的工作，取得了一些成果，但由于實際航道的復雜性、多變性以及實驗條件、時間、經(jīng)費和水平有限，我們研究還處于初級階段，仍有許多不足之處。還有很多問題需要我們?nèi)パ芯拷鉀Q。

參考文獻：

[1]張勛，許文海，董麗麗等。《基于GPS同步技術(shù)的雙址聲納信號傳輸時間測量》，大連海事大學學報，2007

[2]郭熙業(yè)，蘇紹璟，王躍科。《基于射線理論的海底混響建模研究》聲學技術(shù)，2009

[3]侯明，許文海，李瑛，《雙基地海底散射建模與仿真分析》聲學技術(shù)，2010.03

[4]侯明，許文海，《基于雙基地聲吶的港口航道水深實時監(jiān)測技術(shù)研究》 2010.04

（作者單位：臺州市乾坤測繪有限公司）endprint