深拖系統在深遠海調查中的應用

田春和，王 敏，楊 鯤

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設計院 天津市水運工程測繪技術企業重點實驗室，天津 300456；3.山東科技大學，青島 266510)

中國是海洋大國，開發、利用和保護海洋是國家發展的硬性需求，也是“海洋強國”戰略的重要內容。在深遠海探測方面，發展集成度高、水下操控便捷、數據采集及傳輸能力強的深拖系統尤為重要。深拖系統可長時間進行水下作業，適用于深遠海搜救，也適用于大范圍海底目標的探測、海洋測繪、海洋地質勘探、輔助海洋工程作業等。目前，國內深拖系統僅有幾十臺套，數量難以匹配我國在深遠海域探索的需求。

深拖系統是一種拖纜式聲學深潛器，它將側掃聲吶、多波束測深系統、淺地層剖面儀多種海洋調查儀器組合安裝在深水拖體上。其主要功能是近海底對海底地形地貌、淺地層剖面和水體物理化學參數進行長時間、實時探測，可應用于海洋開發和礦產資源調查、海上油田區域探測、海洋工程等領域，還可用于深海特征物調查和配合大型設備作業[1-6]。在實施調查時，為避免船生噪聲和海面湍流的影響，將拖體沉放到一定深度，一方面減少水體對儀器探測效果的影響，另一方面減少了海水的吸收和聲束散射引起的信號損失，最大程度降低了虛假反射，提高了聲學采樣密度和采樣精度。

國內目前對于深拖系統的研究較少，主要限于作業流程、定位方法和數據處理等方面。湯民強與畢永良[7]總結了深海路由勘察項目中深拖系統與AUV系統的作業方法與技術難點，比較了二者的優缺點。朱友生與羅進華[8]對深拖系統采集數據的定位誤差、聲圖畸變等問題進行了研究，給出了有效的解決方法。陳小冬[9]總結了深拖系統水下USBL定位和精度提升方法。

本文擬在前人研究的基礎上，對深拖系統的組成、定位方法和作業流程做進一步探討，并結合實際調查案例，說明深拖系統多波束測深數據的反演方法和淺地層剖面聲圖畸變的校正方法。

1 深拖系統組成

以Teledyne Benthos TTV-303深拖系統為例，來說明深拖系統的主要組成。

2.培養業務人員和財務人員稅務籌劃意識及業務能力，最大限度地節約采購成本。餐飲行業進項稅發票的取得直接關系到企業的經營成本及利潤的多寡，營改增后在企業里應對相關政策進行宣傳和培訓，尤其要對業務人員和財務人員加強增值稅及發票知識的培訓，讓他們清楚地知道能否取得可抵扣發票及取得發票的稅率對于經營成本和企業利潤都產生直接的影響。采購人員應減少向小規模納稅人的供應商采購，因為小規模納稅人一般只能開具增值稅普通發票，即使到稅務局代開發票也只是3%的稅率。在和供應商的價格談判過程中，除了要考慮采購總價還要考慮可抵扣的稅金對于成本的影響。

深拖系統由拖甲板通訊供電單元、拖曳載體、壓載器、布放回收裝置四部分組成(圖1)，包括耐壓6 000 m級的側掃聲吶、多波束測深系統、淺地層剖面儀、超短基線水下定位系統、慣性導航系統、溫鹽深儀、多普勒計程儀、表面聲速儀、高度計以及故障應急回收裝置，并配備有萬米數控液壓絞車和光電復合纜、伸縮式A架施放系統等國際先進的輔助設備。

圖1 Benthos TTV-303深拖系統組成示意圖

拖曳載體主要搭載聲學測量組件、傳感器、導航定位裝置和緊急回收裝置。壓載器搭載高度計、濕端光電/以太網電子艙、光電復合纜承重拖曳終端及破斷卸扣，作業時位置低于拖曳載體，可為拖曳載體作業提供保護。布放回收裝置主要包括A架和絞車，絞車上纏繞光電鎧裝復合纜，為拖曳載體提供配套的機械連接，并滿足拖曳載體供電及數據傳輸要求。甲板通訊供電單元除提供供電和通訊之外，還包含數據處理工作站，安裝配套軟件，提供數據采集和后處理功能。該系統可長時間進行水下作業，并獲取信噪比較高的海底及地層聲學反射圖像。

甲板通信供電電源同步系統是深拖系統集成的核心設備，其主要功能是作為系統水上與水下之間供電、通信和同步的轉換設備，完成水下聲吶設備和傳感器數據與水上船載設備數據的交互傳輸、多部聲吶設備的協調、水上水下同步信號的傳送、水上高壓直流電源到拖曳平臺設備所需供電的轉換等功能。

甲板通信供電電源同步系統主要包括電源系統、光纖多路復用器和同步系統三部分，每個部分又各自包含水下單元和水上單元。主要包括水下通信供電同步單元、水上通信同步單元和水上供電單元3個設備，其中水上供電單元又包括水上供電單元、不間斷電源和220 V插座三個部件。

拖曳載體主要由聲學測量組件、傳感器、導航定位裝置和應急裝置組成。其中聲學測量組件主要包括UUV-3500側掃聲吶、淺地層剖面儀、多波束測深儀；傳感器主要有溫鹽深傳感器、高度計和表面聲速儀；導航定位裝置主要包括超短基線定位信標、慣性導航(Phins)和多普勒計程儀(DVL)；應急裝置主要包括銥星信標、頻閃燈、聲學釋放器等。

深拖系統測量時，測量母船航行至目標水域，上線測量時航速保持在1 kn左右。數據采集前，要打開定位體系閥門開啟超短基線定位系統，使得超短基線水聽器伸出船底，與此同時，通過布放回收裝置布放拖體，使拖曳體逐步下放至指定位置。值得一提的是，拖曳體下放過程中要適當勻速加快航速至2～4 kn，以防線纜絞纏在船尾槳中。拖曳體數據采集過程中，壓載器和拖體的最小離海底高度不應小于20 m。

壓載器采用鐵和鉛作為主要材質，重量約為908 kg，其搭載高度計、濕端光電/以太網電子艙、光電復合纜承重拖曳終端及破斷卸扣。

布放回收裝置包括A架、數控絞車、萬米光電復合鎧裝纜。A型門架固定安裝在母船船尾，用于深拖布放回收，并在作業過程中為鎧裝纜提供支撐。萬米光電復合纜長度為10 000 m，主要用于深拖的拖曳作業和數據的通信傳輸。

2 工作方法及流程

此解決方案絕對定位精度為或略優于超短基線定位系統的定位精度，即約0.2%斜距(或1 m)。相對定位精度一般可達到約為0.5%航程[11-13]。

石羊河流域高效節水灌溉與農業種植結構調整…………………………………………… 李元紅，王以兵(5.52)

人耳對語音信號的相位信息不是很敏感,可以認為語音信號的相位在處理過程中不改變,因此的相位譜可用Y(m,k)的相位譜近似代替,最后對其進行傅里葉逆變換便可得到增強后的語音信號的時域表示。由此可見,在維納濾波算法中,對G(m,k)的求解至關重要。基于最小均方誤差準則,定義增益函數G(m,k)為:

圖2 6 000 m級深拖系統作業方法示意圖

深拖系統用于海底目標的探測，需要較高的探測精度，因此采用船載星際差分GNSS+超短基線定位系統+聲信標+慣性導航單元+聲多普勒測速儀+壓力傳感器的方式進行定位。定位系統主要包含慣性導航單元、聲多普勒測速儀、壓力傳感器、超短基線定位系統、聲信標和GNSS系統6個設備。其中聲信標包含聲信標和聲信標換能器兩個部件，GNSS系統包含GNSS接收機和GNSS天線兩個部件，超短基線定位系統則包含USBL系統接線單元和USBL系統水下基陣兩個部件，而且USBL由于其便捷性，是目前水下定位的主流[10]。

船載星際差分GNSS用于獲得船舶的絕對位置，結合超短基線定位系統(USBL)和聲信標可以獲得拖體在大地坐標系下的位置，如果加入壓力傳感器數據可以提高其水下定位精度。由于有慣性導航單元，以其為核心部件組成慣性組合導航系統，可以大大提高系統定位的穩定性，也能夠獲得良好的定位精度和載體姿態數據。此時如果部分傳感器出現短時無數據，慣性組合導航系統能夠在一定時間內保持較高的定位精度。USBL定位系統和聲信標用于提供水下拖體的絕對位置。并可用于修正慣性導航單元產生的漂移?？紤]系統輕便性的總體要求，需要所使用的USBL系統能夠方便部署、便攜安裝，并且能通過將專用姿態測量設備與USBL陣安裝在一起，實現系統校正過程的簡化。

拖體就位后，船舶按照預先布設的測線進行線上作業航行，作業航速保持2～3 kn，最大航速不超過4 kn。換線作業母船需轉彎時，應快速收緊拖纜，使其長度小于水深，母船轉彎半徑一般為拖纜長度的2～3倍為宜。作業結束后，船舶減速，航速保持在1～2 kn，通過絞車收纜將拖曳體回收至安全高度(纜長不低于50 m)，且收回超短基線水聽器，關閉超短基線定位系統。

深拖系統在作業時，作業母船通過一條鎧裝光電復合纜與壓載器相連，壓載器和拖曳載體之間由一條長約50 m的中性浮力以太網臍帶纜連接，使拖曳載體位于距離海底一定高度的海水中勻速航行。甲板通訊供電單元通過鎧裝光電復合拖纜向拖曳載體提供電源和通信，拖曳載體將采集到的數據通過臍帶纜、鎧裝光電復合纜傳回甲板單元，并顯示于數據采集電腦(圖2)。

3）合理修剪。梨園要適度密植，通過合理修剪改善通風透光條件，對減輕病害發生非常重要。修剪時要剪除密擠、冗長的內膛枝，疏除外圍過密、過旺、直立生長枝條，對發病較重的樹要適當重剪。同時調整好負載，以提高樹體抗性。

在高產創建示范區內積極引進優質抗病性能優異、適應性廣泛、生育周期短的優良品種。最近幾年在瀾滄縣糯福鄉水稻品種推廣應用主要有宜香3003、宜香4245、宜香305、兩優2161、兩優6等品種。當然，在高產創建過程中，示范區內的主導品種原則上不能超過3個，要確保相對集中連片種植。

根據實際工作經驗，放纜過程中，當拖曳體距海底距離大于600 m時，放纜速度應小于50 m/min；當拖曳體距海底距離小于600 m時，放纜速度保持10～20 m/min。收纜過程中，當拖曳體距海面距離大于300 m時，收纜速度應小于50 m/min，當拖曳體距海面距離小于300 m時，收纜速度保持10～20 m/min。作業時，保證拖纜固定在滑輪上，處于張緊狀態(圖3)，若非緊急情況，不得關閉絞車。

3-a 深拖系統多波束測深示意3-b 船載多波束測深示意

3 成果資料處理解譯

3.1 深拖多波束數據處理

與傳統船載測量方式相比，深拖系統最明顯的特點為：因為搭載多波束換能器的拖體在工作時沉放到了距離海底面較近的位置，大大縮短了換能器到海底的距離，波束腳印更加收斂，波束點密度更高，從而提高了海底地形測量精度和目標搜尋精度。

式中：hi為某處水深，m；h1i為該處多波束換能器到海面的高度，m；h2i為該處深拖系統多波束測深值，m；Pi為壓力傳感器于該處測得的壓強，kPa；ρi為該處壓力傳感器以上所有水體的平均密度，kg/m3；g為重力加速度，kg/s2。

當測區處于驗潮站或水文站的有效作用距離范圍內時，潮位htide的變化可以通過潮位觀測獲得，否則需通過潮位模型或其他方法獲得。潮位是相對于某一深度或高程基準面確定的，經過潮汐改正后，即實現了相對水深向絕對高程的轉換。

陳洋卻溫和地笑了：“知道嗎？魔術就是場騙局，騙得過所有人就是最棒的魔術。我和師父聯手的實景魔術你還滿意嗎？”

hi=h1i+h2i+htide=Pi/ρig+h2i+htide

波束腳印地理坐標的計算，需要用到垂直參考面下的波束到達角、傳播時間和聲速剖面3個參量。由于聲線在海水中不是沿直線傳播，而是在不同介質層的界面發生折射，因此波束在海水中的傳播路徑為一折線。為了得到波束腳印的真實位置，就必須沿著波束的實際傳播路線跟蹤波束，該過程為聲線跟蹤。通過聲線跟蹤得到波束投射點在船體坐標系中的坐標，其計算過程稱為聲線彎曲改正。在聲線彎曲改正中，聲速剖面起著十分重要的作用。由于溫躍層的存在聲速剖面變得異常復雜，而深拖系統由于其多波束安裝位置的特點完美的避開了這一麻煩的計算過程，大大提高了聲速測量的精度。

由于鎧裝電纜屬于柔性結構，導致搭載于拖體上的多波束換能器的吃水是動態的，動吃水深度可通過壓力傳感器的數據讀取得到。

與船載多波束測深相比，深拖多波束確定的深度h2i僅為多波束換能器面到達海底的距離，實際深度還應考慮換能器的吃水h1i，若潮位htide是根據某一深度基準面或高程基準面確定的，則波束在海底投射點的高程為

3.2 深拖淺地層剖面數據處理

深拖調查時，拖體高度的起伏變化會在淺地層剖面資料上造成海底虛假起伏。為了消除這種海底虛假起伏，將地形特征準確反映在淺地層剖面上，采取了如下方法進行海底歸位矯正：先從多波束測深數據中提取淺地層剖面每道處的水深值，用實測聲速剖面轉換為時間間隔；然后利用軟件拾取淺地層剖面海底的初至反射波，根據每道處的實際水深與海底初至波之間的關系計算出每道應延遲的時間，在每道采樣數據前填充“空白”數據，或以時延方式寫入淺地層剖面數據道頭中[14-16]。

圖4與圖5展示的是在我國水深約150 m的某海域采集到的淺地層剖面處理前后的效果。采集海域地形平緩，基本沒有起浮。

在采集過程中，由于深拖拖體在水下起伏變化，造成海底在淺地層剖面上產生了虛假起伏，海底面反射波倒置在海表面反射波之上(圖4)。使用本文方法對該地區深拖系統采集的淺地層剖面數據進行海底歸位矯正處理后，消除了淺地層剖面上的海底虛假起伏，使海表面反射信號和海底面反射信號各自歸位，而且修正了地層內部發生的畸變(圖5)，有利于地層層位對比和解釋分析。

淺地層剖面縱向采樣時間間隔很小(數十微秒)，而地震道中以整數毫秒為單位記錄延遲，因精度不夠會造成鋸齒狀海底及地層。選擇將時間延遲轉換為采樣點的方法，避免了這種情況的發生，圖像質量得到了大幅改善。

活性炭內部含有豐富的孔隙結構，各種孔對活性炭吸附性能的貢獻有著很大的差異。一般認為，大孔容積在0.2～0.8 cm3/g，比表面積小于0.5 m2/g；中孔容積介于0.1～0.5 cm3/g，比表面積在20～70 m2/g，不超過總面積的5%；微孔容積介于0.2～0.6 cm3/g，比表面積在400～1 000 m2/g，甚至更高，占總面積的95%以上[7]。

圖4 拖體上下起伏時采集到的淺地層剖面圖像

4 結語

作為深遠海調查的一種重要手段，深拖系統具有可長航時作業、水下定位相對容易、回收便捷安全等特點，特別適用于海上目標搜尋，并且也難以被AUV等其他調查手段所取代。今后隨著深遠海調查需求的不斷增多，深拖系統在國內的應用將會更加廣泛。

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深拖系統的未來發展要從兩方面加強，一是深拖裝備及搭載設備要全面國產化，過度依賴進口會在關鍵技術上受制于人，而國產化的關鍵在于要深入了解深拖系統的部件組成和作業原理；二是要加大應用型人才的培養，受限于深拖系統的數量和應用機會，目前其使用經驗與應用體系仍未發展成熟，需要進一步加大技術人才隊伍的建設力度，盡快解決深拖系統在深遠海應用中的關鍵技術問題，形成全面的深遠海調查應用技術體系。