基于多波束和側(cè)掃聲納的海洋測(cè)量探討

馬海偉

摘 要：隨著海洋經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，海域使用開(kāi)發(fā)活動(dòng)日益頻繁。本文以平臺(tái)就位為例，在平臺(tái)就位前，對(duì)該平臺(tái)周?chē)M(jìn)行了地貌及海底障礙物狀況調(diào)查，并為潛水探摸提供障礙物定位。采用GPS定位系統(tǒng)、多波束系統(tǒng)和側(cè)掃聲納系統(tǒng)組合進(jìn)行掃海測(cè)量，以提高聲圖中海底平臺(tái)附近的障礙物定位精度。

關(guān)鍵詞：聲納系統(tǒng) 海底 障礙物 探測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：P714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（a）-00-02

近年來(lái)，隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和海洋開(kāi)發(fā)的深入，海上活動(dòng)愈加頻繁，障礙物的存在和位置的不確定性已經(jīng)制約了沿海港口建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，影響了艦船航行安全，盡快探清障礙物已成為當(dāng)務(wù)之急。但是傳統(tǒng)的探測(cè)方法效率低、手段少、精度差。本文從側(cè)掃聲納、多波束測(cè)深、磁力儀探測(cè)能力和特點(diǎn)入手，結(jié)合作業(yè)實(shí)踐，提出了綜合利用多種手段進(jìn)行探測(cè)的方法。

現(xiàn)有的沉船探測(cè)步驟為：（1）走訪沉船海區(qū)所屬轄區(qū)的海事部門(mén)收集資料，按照年代和區(qū)域進(jìn)行分類(lèi)。（2）以給定的概位為中心劃出2km×2km的區(qū)域先用側(cè)掃聲納進(jìn)行掃測(cè)。（3）若側(cè)掃聲納探測(cè)到目標(biāo)，根據(jù)聲圖像量出沉船的位置、大小和高度，再用多波束在側(cè)掃聲納探明的目標(biāo)周?chē)鷾y(cè)量水深，測(cè)出最淺點(diǎn)水深并繪制一定比例尺的水深圖，水深測(cè)量期間設(shè)置臨時(shí)驗(yàn)潮站用于水位改正。（4）綜合分析多波束水深數(shù)據(jù)和側(cè)掃聲圖像，并用多波束最淺點(diǎn)修正沉船位置坐標(biāo)。（5）若側(cè)掃聲納掃測(cè)未發(fā)現(xiàn)沉船目標(biāo)，則擴(kuò)大掃測(cè)范圍至4km×4km，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后用多波束進(jìn)行水深測(cè)量，若仍然沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，可用磁力儀進(jìn)行探測(cè)，磁力數(shù)據(jù)有異常，說(shuō)明沉船已淤于泥下。若磁力數(shù)據(jù)無(wú)異常，說(shuō)明沉船未在給定區(qū)域或已清除。相對(duì)來(lái)說(shuō)，對(duì)于疑存雷區(qū)和未爆炸彈探測(cè)手段很少，現(xiàn)在最有效的手段是磁法探測(cè)，用磁力儀定深探明水雷和未爆物的位置，但磁法探測(cè)要求高、效率低、探測(cè)區(qū)域大，只能逐年分塊進(jìn)行探測(cè)。

1 儀器工作原理和技術(shù)要求

1.1 側(cè)掃聲納

1.1.1 側(cè)掃聲納工作原理

側(cè)掃聲納利用換能器向船航行方向兩側(cè)發(fā)射具有一定指向性的高頻聲波束，聲波束照射到左右兩側(cè)一定寬度范圍內(nèi)的海底表面，聲波觸及海底表面上的地物產(chǎn)生返向的散射聲波，從聲圖像中檢出海底表面上的地物性質(zhì)、大小、高度。側(cè)掃聲納拖曳式測(cè)量拖魚(yú)遠(yuǎn)離工作船，可大大降低干擾噪聲，工作穩(wěn)定，不受船體俯仰搖擺影響，傳播條件良好。用側(cè)掃聲納探測(cè)作業(yè)效率高，聲圖像反映沉船直觀，容易判斷，是探測(cè)沉船的首選方法。

1.1.2 技術(shù)要求

探測(cè)時(shí)要遵守以下技術(shù)要求。

（1）測(cè)線布設(shè)：測(cè)線布設(shè)要全覆蓋。（2）航速：測(cè)船的航速不超過(guò)6kn，測(cè)量時(shí)盡量保持勻速直線行駛。（3）海況：風(fēng)速5級(jí)以下，波浪輕浪。風(fēng)浪大時(shí)側(cè)掃聲納拖魚(yú)在水中起伏，影響聲圖像質(zhì)量，同時(shí)水體噪聲增強(qiáng)。（4）定位精度：使用高精度的DGPS。（5）拖魚(yú)高度：拖魚(yú)離海底的高度控制在側(cè)掃量程的10%～15%。（6）量程：一般粗掃測(cè)用150m量程檔，精掃測(cè)用75m量程檔。（7）加密測(cè)量：對(duì)探測(cè)目標(biāo)不少于2個(gè)取向加密，可以減少目標(biāo)位置中誤差，提高沉船位置精度，加密測(cè)量時(shí)測(cè)船航速控制在2～3km，以增加探測(cè)目標(biāo)的聲圖像素。

2 側(cè)掃聲納系統(tǒng)拖魚(yú)的精確定位

側(cè)掃聲納的掃海測(cè)量涉及以下幾個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)：拖魚(yú)坐標(biāo)系、船體坐標(biāo)系、測(cè)量坐標(biāo)系。簡(jiǎn)述如下。

（1）拖魚(yú)坐標(biāo)系是以拖魚(yú)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，拖魚(yú)前進(jìn)方向?yàn)閤軸，以垂直向下為y軸。（2）船體坐標(biāo)系主要是以船體中心或GPS定位點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，船艏方向?yàn)閤軸方向，垂直于船體方向?yàn)閥軸方向（右舷為正），垂直向下為z軸方向，組成右手坐標(biāo)系。船體坐標(biāo)系主要是利用船舶導(dǎo)航定位系統(tǒng)確定拖體的坐標(biāo)。測(cè)量時(shí)需要有船舶艏向和GPS點(diǎn)與拖體之間的相對(duì)位置關(guān)系。（3）測(cè)量坐標(biāo)系是海洋施工定位測(cè)量，一般情況下使用WGS84坐標(biāo)系或1954北京坐標(biāo)系。如果測(cè)量范圍不大，可以采用三參數(shù)法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，如果范圍較大，則需要七參數(shù)。如果需要更高精度的定位，可以采用GPSRTK的定位模式。

在側(cè)掃聲納掃海測(cè)量中，一般認(rèn)為海底平坦，且拖魚(yú)位于測(cè)船正后方。基于這兩點(diǎn)假設(shè)，可采用多波束測(cè)深信息確定拖魚(yú)位置，使障礙物精確定位成為可能，如圖1所示。

3 測(cè)線的技術(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)查目的，為保證調(diào)查區(qū)域側(cè)掃聲納全覆蓋，本次調(diào)查過(guò)程中分別布設(shè)東西向和南北向側(cè)線。其中東西向按照靠近平臺(tái)處按照10m間距布設(shè)，遠(yuǎn)離平臺(tái)區(qū)按20m間距布設(shè)。南北向按100m間距布設(shè)了兩條檢查線。

調(diào)查中，盡量保持TVG 不變，以保證圖像的灰度一致，每條測(cè)線圖像清晰。高低頻單側(cè)量程均使用100m，保證海底全覆蓋調(diào)查。航行時(shí)實(shí)際測(cè)線偏移沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)間隔的20%，航速保持穩(wěn)定，船速5km左右。

資料采集過(guò)程中解釋人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解釋?zhuān)l(fā)現(xiàn)如洼地、障礙物為特殊地貌地物時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)分析判斷，做出是否進(jìn)一步探測(cè)的決定，并做好記錄。采用Discover 軟件回放現(xiàn)場(chǎng)采集的地貌數(shù)據(jù)，提取平臺(tái)樁腿、管線和鉆井平臺(tái)遺留洼地實(shí)際坐標(biāo)以及海底可疑物坐標(biāo)和尺寸，并對(duì)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移量改正、傾斜改正、TVG 調(diào)節(jié)等必要的處理，計(jì)算海底可疑物體準(zhǔn)確位置。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

本文結(jié)合某工程實(shí)踐——平臺(tái)障礙物調(diào)查工程，調(diào)查寬80m、長(zhǎng)100m范圍的某平臺(tái)預(yù)就位區(qū)域內(nèi)，是否有影響平臺(tái)就位的海底障礙物。主要儀器有DSM232GPS/信標(biāo)接收機(jī)（Trimble）、HY1600型精密回聲測(cè)深儀和EdgeTech4200-FS雙頻側(cè)掃聲納系統(tǒng)。利用Hypack_MAX軟件，依據(jù)測(cè)深記錄模擬打印卷，對(duì)數(shù)字化采集的水深值進(jìn)行檢查比對(duì)。在比對(duì)水深時(shí)，對(duì)因受風(fēng)浪影響測(cè)深回波信號(hào)呈波浪狀時(shí)的水深值從距波峰1/3波峰波谷之差處量取，水深摘錄精確至0.1m。水深摘錄完畢后，進(jìn)行主測(cè)線與檢查測(cè)線的水深比對(duì)，兩測(cè)線相交處水深差值為0～0.1m，符合規(guī)范要求。100%的檢查完畢確定無(wú)誤后進(jìn)行水位改正。本次測(cè)量過(guò)程中，水位采用預(yù)報(bào)潮位，然后輸出成圖。

表1為鉆井船遺留洼地中心坐標(biāo)，表2為障礙物的中心坐標(biāo)。根據(jù)側(cè)掃聲納掃海設(shè)備對(duì)平臺(tái)北側(cè)100m×80m范圍進(jìn)行的水深測(cè)量和地貌調(diào)查，發(fā)現(xiàn)洼地9個(gè)，明顯障礙物1個(gè)。洼地1、洼地2、洼地3緊靠平臺(tái)；其寬度分別為24.5m、26.2m、33.1m；其深度分別為0.9m、0.9m、0.6m。洼地4～洼地9離QK172E平臺(tái)較遠(yuǎn)，其中洼地4、洼地5與洼地6緊密相連，洼地7與洼地8也相互連接，估計(jì)為以前施工痕跡；各個(gè)洼地寬度分別為33.2m、27.3m、20.8m、25.8m、35.7m、25.3m；各個(gè)洼地深度分別為0.7m、0.6m、0.7m、0.8m、0.7m、0.6m。障礙物位于洼地1中，其圖像顯示為一個(gè)點(diǎn)狀物體，突出海底約1.3m。經(jīng)過(guò)潛水探摸后，確定為一堆廢棄漁網(wǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

側(cè)掃聲納系統(tǒng)在掃海測(cè)量時(shí)，能夠給出高分辨率的聲強(qiáng)信息，但其位置信息精度低。本文采用GPS定位系統(tǒng)、多波束系統(tǒng)和側(cè)掃聲納系統(tǒng)組合進(jìn)行掃海測(cè)量，可提高拖魚(yú)的位置推算精度，改善以往單一側(cè)掃系統(tǒng)目標(biāo)位置精度低的問(wèn)題。結(jié)果表明了該方法對(duì)海底目標(biāo)物掃測(cè)有較高的適用性，有效提高目標(biāo)位置精度。

參考文獻(xiàn)

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