多波束表層聲速裝置極地環境下應用案例分析

袁東方，王碩仁，朱 兵，陳清滿

（中國極地研究中心，上海 200136）

“雪龍”號極地科考破冰船是我國繼“向陽紅10”號、“極地”號之后的第3代極地考察船，原系烏克蘭赫爾松船廠1993年建造的一艘具有B1級破冰能力的破冰船，1993年購進后改裝為極地考察船。1994年，“雪龍”號首航南極，先后執行了22次南極考察和10次北極科學考察，是我國專門從事極地科學考察的破冰船。“雪龍”號經過4次較大規模的改造，更新和加裝了甲板機械設備、魚探儀、船載ADCP、CTD等探測、采樣和作業設備，新增了表層走航供水和基礎環境參數觀測設備，新建了船上物理、化學、生物和地質等多個實驗室，基本具備了極地海洋環境觀測和考察能力，已成為目前國際上最為重要的極地科考破冰船之一。但是“雪龍”船長期以來沒有加裝深水多波束測量系統，鑒于海底地形地貌探測在科學研究、資源調查等領域的廣泛應用，深水多波束測量系統已成為現代科學考察船船底聲學設備的標配，見表1。

表1 國內外科考船使用多波束對比表

“雪龍”號現有情況已無法滿足當前我國極地科考對考察船的需求，而近年來國際上多波束測量技術已有很大提高，換能器體積已有明顯減少，加裝多波束測量系統對船底的開口面積和對船底結構的影響也在減少，這也增加了“雪龍”號加裝深水多波束測量系統的可行性。2017年6月，“雪龍”號進行深水多波束測量系統加裝工程，型號為Seabeam3020，同年7月參加中國第8次北極科學考察，多波束測量總航程達到 17760 km，多波束海底地形覆蓋面積約 68100 km2，這也是國內首套破冰型深水多波束系統在極地應用[1-2]。中國第34次南極考察過程中，在羅斯海多波束測量總航程達到4260 km，地形覆蓋面積約6000 km2；首次在阿蒙森海陸架區進行多波束測量，總里程達2200 km，地形覆蓋面積約1800 km2[3-4]。

在多波束系統中，表層聲速對多波束測深具有重要意義。由于多波束測深的特點,朱小辰[5]、董慶亮[6]、劉勝旋[7]等進行了研究，表層聲速會影響到多波束指向角，微小的表層聲速差異可能會帶來歸算水深較大的誤差,也會導致多波束回波呈現眉毛狀或笑臉狀失真。由于測區表層聲速測量的實時性和不可重獲性,對多波束線型接收換能器而言,必須保證在多波束測量過程中能夠獲取連續可靠的表層聲速[8-9]。

由于“雪龍”號是首次搭載多波束測深系統并在南北極冰區進行應用，在設計和使用時經驗不足，表層聲速獲取裝置的結構設計雖然進行了優化，但是在實際應用中仍然存在一定的問題。本文通過表層聲速裝置在極地現場的應用案例，介紹了表層聲速裝置存在的問題以及改進方法，可為以后破冰船多波束測深系統的設計提供經驗。

1 系統介紹

“雪龍”號搭載的SeaBeam3020 冰區保護型深水多波束系統是ELAC（W?rtsil? ELAC Nautik GmbH）公司的最新一代破冰船專用多波束測深系統。該系統采用先進的波束掃描專利技術，可以補償艏搖、縱搖和橫搖運動。

為了適應破冰船的破冰作業要求，Sea-Beam3020系統將ELAC公司的專利技術——高分子聚合材料透聲板技術集成到發射、接收換能器上，即發射、接收換能器均為冰區強化保護換能器，可以直接安裝在船底而無需額外加裝透聲板，換能器構造堅固，能滿足極區低溫冰雪環境要求，不影響船舶的破冰性能。既簡化了安裝程序和結構，又能有效避免碎冰對換能器的損害。集成高分子聚合材料的換能器聲源級損失僅為2 dB左右，最大限度地保證了系統的聲學性能。

Seabeam3020多波束系統使用英國Valeport公司生產的miniSVP聲速傳感器。技術特點是傳感器體積小，同時能夠提供高分辨率、高精度聲速數據。Valeport聲速計由電路板、陶瓷換能器、信號反射器和控制路徑長度的間隔棒組成，兩者由一根同軸電纜連接?？梢园惭b鈦外殼，提供深度超過6000 m的防水保護，如圖1所示。表層聲速計一般安裝在船底，和多波束換能器在一個平面上，以測得換能器平面處實時的表層聲速數據，為多波束提供實時表層數據，保證多波束指向準確性。

圖1 表層聲速計結構圖

2 豎井結構設計及應用

2.1 結構設計

表層聲速計由于需要與換能器處于同一個平面上，在船舶設計上需要安裝在船底?？瓶即韺勇曀儆嬘袃煞N安裝方式，第一種一般固定安裝在船底或多波束封板內，部分結構會突出船體，這樣的安裝方式導致表層聲速計維護保養困難，會受到海草、淤泥或者海生物附著，或者受外力撞擊損壞，導致表層聲速數據誤差較大，且維護保養需要進塢才能完成，工程量大。第二種表層聲速計安裝方式采用了豎井式結構，在船體從上到下安裝一個豎井結構，上端開口高出吃水線3～4 m，下端開口在換能器附近并配備有格柵和底座，表層聲速計就放在豎井內，測量聲速的裝置突出船體，可以實時測量換能器表面聲速，維護保養時可將表層聲速計拉出，工作量小。

由于“雪龍”號需要經常航行在浮冰區并進行破冰作業，船底經常有浮冰劃過，固定式安裝弊端較大，故不采用這種方式。為了保護表層聲速計正常工作，“雪龍”號采用了豎井式安裝結構，在FR50+550（50號肋位前部550 mm）處安裝豎井結構，貫穿下甲板、內底和底艙，如圖2所示。在豎井井道下端增加了底座和保護格柵，防止碎冰進入井道對表層聲速計造成破壞，如圖3所示。

圖2 表層聲速計豎井位置

圖3 表層聲速計安裝圖

2.2 現場應用

“雪龍”號搭載的多波束系統是我國首套破冰型多波束，也是我國首次在極地冰區使用多波束進行地形地貌的測量，在設計和應用方面都沒有經驗可循。隨著“雪龍”號執行中國第8次北極科學考察以及第34次南極科學考察任務，在現場使用中逐漸發現豎井式表層聲速計安裝結構存在一些缺陷，這種結構在極地冰區應用中存在很大的問題。

（1）在中國第8次北極科學考察過程中，“雪龍”號穿越北極中央航道時，航行區域浮冰密集度達80%以上，由于未在作業區域多波束測量系統未開啟[1]。由于浮冰密集，“雪龍”號連續破冰前行，不斷有浮冰進入到豎井內，并在井道內凍結，導致表層聲速計無法下放到豎井底部，無法獲取表層海水的實時數據。

（2）在中國第34次南極考察過程中，“雪龍”號在羅斯海海域超過80%密集浮冰區航行過程中[10-11]，由于豎井內冰塊凍結和擠壓，冰柱一直從船底堆至井道上部，并有部分冰柱高出井道上沿部分，如圖4（a）。隨著“雪龍”號破冰時上下震動，在特定情況下豎井內的冰塊就會被頂出井道，像“活塞”一樣，將水從井道內抽出，導致表層聲速計房間進水結冰，如圖4（b），這也是在極地環境下發生的特殊情況。在南北極密集浮冰區以及西風帶等惡劣海況下，船上實驗室需要將表層聲速計從豎井內拉出，用盲板法蘭將井道上口密封，如圖4（c）。

圖4 豎井結構在密集浮冰區進水

（3）在多波束作業過程中，海面浮冰密集度較低，基本處于敞水區域，但是在測線上仍然有零星浮冰，此時“雪龍”號會選擇直接破冰，避免船舶偏航對多波束測線造成影響?！把垺碧栕矒舾”?，產生大量的細小冰粒會隨著船底往后漂移，進入豎井內，分布在表層聲速計換能器與反射板之間，由于細小冰粒的侵入，造成表層聲速計產生錯誤報警，進而影響多波束地形數據的精確度。

3 升級改造

3.1 原因分析

“雪龍”號加裝多波束系統時進行了冰池試驗，以驗證浮冰、氣泡等因素對多波束系統的影響。根據天津大學冰池試驗報告，以“雪龍”號科考船在碎冰航道中航行，航速3 kn、冰厚1.0 m為例。模型試驗中的船模航速為0.244 m/s，冰厚為2.5 cm。在船模行進過程中，通過船底下方水下攝像機所記錄的視頻文件可以發現，碎冰航道條件下低速航行中，由船首下潛滑移至船底的碎冰塊約占5%[12]。冰池試驗只記錄了可視破碎浮冰，在實際破冰過程中，隨著浮冰被船首壓碎，還會產生大量細小微粒，散布在海水中，這些細小微粒會影響表層聲速儀數據的準確性，如圖5所示。

圖5 冰池實驗中模型船底浮冰漂移路線

通過冰池試驗中浮冰的運行路線以及在極地實際應用中的現象分析，可以看出表層聲速計豎井式結構在浮冰區應用存在缺陷。“雪龍”號在破冰過程中產生的細小微粒會影響表層聲速計的準確性，同時碎冰還會在井道內堆積、擠壓，在特定海況下會被擠壓進船艙，導致船艙進水。

3.2 改造方案

表層聲速計的豎井式結構缺陷導致多波束系統在極地應用中存在一定的風險，國內多波束系統在極地浮冰區使用尚屬首次，缺少相關應用案例。經過對國外科考船應用情況的調查發現，俄羅斯科考破冰船“特列什尼科夫院士”號（Akademik Treshnikov）安裝有泵式測量裝置，使用SSV3000表層聲速裝置，以消除浮冰對表層聲速的影響。本文通過研究船體結構，設計了SSV3000表層聲速測量裝置的管路原理圖，其原理是利用水泵將換能器附近的水吸入一個泵腔內，泵腔內安裝表層聲速計，進水口需要安裝在接收換能器附近；進水口距離接收換能器水平距離小于1 m，垂向距離小于0.1 m，以此獲取表層聲速數據，如圖6所示[13]。由于表層聲速計固定安裝在泵腔內，需要接入一路壓縮空氣，在表層聲速計不使用時將泵腔內海水排出，防止表層聲速計長時間浸泡在海水中發生海生物附著等情況。

圖6 泵式表層聲速測量裝置結構圖

2018年4月，中國第34次南極科學考察返航后，“雪龍”號加裝了泵式表層聲速測量裝置SSV3000，位置在前部泵房、下甲板3層位置，此位置離船底距離近，管路布置長度短，且在極地環境下室內溫度較低，利于表層聲速裝置的數據測量。

3.3 應用及數據對比

新安裝的泵式表層聲速測量裝置在中國第9次北極科學考察中進行了實際應用，在進入北極區域后多波束系統開始記錄數據，在浮冰區工作工程中，使用泵式表層聲速測量裝置進行測量?！把垺碧栐谧矒舾”^程中，SSV3000系統中表層聲速計數據正常，沒有發生表層聲速報警狀況，基本消除了“雪龍”號破冰產生的細小冰粒對表層聲速的影響。

第9次北極考察過程中，在進行站位作業時，同時使用聲速剖面儀進行聲速剖面測量[14]。為了驗證泵式表層聲速測量裝置測量數據的準確性，通過對比相同深度附近的聲速數據，可以看出泵式表層聲速測量裝置與聲速剖面儀獲取的數據基本相同，能夠滿足多波束對表層聲速的要求，見表2。

表2 兩種儀器相同深度聲速值對比表

聲速剖面儀采用AML公司生產的Minos-X自容式數據采集設備，測量深度為6000 m，測量精度為±0.006 m/s。在第9次北極考察過程中，聲速剖面儀隨著CTD（溫鹽深儀）一起布放，獲取了34個站位的聲速剖面數據。

通過對多個站位表層聲速和聲速剖面儀測量的聲速值進行對比，兩種儀器的聲速基本相同，僅存在較小誤差，誤差存在的原因除了深度有差別外，泵式表層聲速裝置中抽取的海水在管路內流動進入船艙后會有略微的溫升，影響聲速值的計算。經現場多波束系統專業人員進行對比分析，相比于波浪、潮汐等因素造成的影響，這些誤差不影響多波束測量數據的準確度，泵式表層聲速測量裝置滿足技術要求。

“雪龍”號在北極楚科奇海深海平原開展了多波束測量，里程達830 km，海底地形覆蓋面積約3100 km2[15]。雖然加裝了泵式表層聲速測量裝置SSV3000，但是豎井式結構仍然保留，在南北極敞水區域航行時由于其自身優勢仍然會被使用。

4 經驗積累

“雪龍”號表層聲速計同時有豎井式結構和泵式表層聲速測量裝置，兩套裝置都進行了多個航次的現場使用，兩套裝置具有不同的優缺點，見表3。

表3 兩種結構對比表

豎井式結構優點在于結構簡單，表層聲速計在使用時放入豎井內，不使用時可以從豎井內拉出，放在專用設備箱內存儲，基本不需要維護。豎井結構可以在極地和大洋敞水區域正常使用，由于表層聲速計安裝在換能器附近，可以實時獲取準確的表層聲速數據。缺點在于在惡劣海況以及密集浮冰區航行時會有浮冰涌入井道，堵塞的浮冰在外力作用下會像活塞一樣將海水抽進船艙，在特殊海況下需將上端口用法蘭密封，避免井道內冰柱涌入船艙內；多波束作業時船舶若撞到浮冰，產生的細小微粒也會影響表層聲速計的數據質量，需要在后期數據處理時格外注意。

泵式表層聲速測量裝置可以解決多波束在南北極作業時船舶破冰產生的細小微粒的影響，但是其結構復雜，維護工作量大。其原理是用水泵將換能器附近的海水抽到泵腔內，然后表層聲速計再進行測量聲速，海水從吸口到泵腔需要一段的距離，而裝置安裝在船艙內，溫度一般較高，海水的溫度和聲速著密切的聯系，這就要求管路不能太長以及具有良好的保溫功能，避免海水溫度升高，影響表層聲速的大小[16-18]。

“雪龍2”號破冰船也搭載了SeaBeam3020多波束測量系統，在最初的設計中仍然采用了豎井式結構作為表層聲速的測量裝置，經過“雪龍”號極地現場的應用后，“雪龍2”號也修改了相關設計，增加了一套SSV3000表層聲速測量裝置，其多波束系統在中國第36次南極考察以及中國第11次北極考察過程中進行了實際應用，作業區域有少量浮冰，采用泵式表層聲速測量裝置提供表層聲速，在作業過程中表層聲速測量準確穩定，沒有報警出現[19]。

5 結 論

“雪龍”號搭載了我國第一套破冰型多波束測深系統，并在極地進行了應用，積累了豐富的設計和使用經驗，表層聲速計裝置作為多波束系統的重要組成部分，也在實際應用中進行了升級改造。表層聲速計豎井式結構可以在極地敞水區域以及大洋中正常使用，但是在浮冰區使用存在一定的缺陷，影響表層聲速數據的測量。泵式表層聲速測量裝置解決了豎井式結構冰堵問題，消除了破冰產生的冰粒對表層聲速計的影響，成為“雪龍”號表層聲速數據的主要獲取裝置。“雪龍”號多波束測深系統的極地使用經驗也為“雪龍2”號的表層聲速計的設計提供了經驗和技術支持，“雪龍2”號建造時在保留豎井式結構的同時，也增加了泵式表層聲速測量裝置。

隨著極地考察的深入，我國將不斷建造新的破冰船或特種作業船，而多波束測深系統作為現代科考船的必備設備，也會安裝在新的科考船上，希望“雪龍”號表層聲速計裝置的設計和使用經驗能夠為以后的破冰船或特種作業船的設計提供參考。