◎ 王久 曹敬濤 盧秉武 何邦濤 廣州海事測繪中心

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水下目標(biāo)探測項(xiàng)目設(shè)備應(yīng)用和發(fā)展趨勢

◎ 王久 曹敬濤 盧秉武 何邦濤 廣州海事測繪中心

摘 要：本文介紹了近兩年水下目標(biāo)探測項(xiàng)目和設(shè)備的特點(diǎn)，總結(jié)了未來掃測設(shè)備應(yīng)用的發(fā)展趨勢等。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)探測 多波束 側(cè)掃聲納

圖一、相關(guān)項(xiàng)目部分探測設(shè)備和探測圖像

1.引言

近年來，以側(cè)掃聲納和多波束系統(tǒng)為代表的水下探測設(shè)備發(fā)展迅速，相關(guān)項(xiàng)目應(yīng)用越來越多?，F(xiàn)選取以下比較有代表性的幾類進(jìn)行比較分析：深淺水的失事飛機(jī)搜救、大小面積的掃海測量、深淺水的沉船掃測，這些項(xiàng)目上的設(shè)備應(yīng)用在一定程度上代表了目前國際水下探測設(shè)備的前沿與未來發(fā)展趨勢。

2.近兩年相關(guān)項(xiàng)目應(yīng)用概述

2.1馬航MH370和亞航QZ8501搜索

（1）MH370于2014年3月8日失聯(lián)，現(xiàn)荷蘭輝固（Fugro）公司的赤道、Havila和諧號和中國的東海救101船仍在進(jìn)行搜索。按ATSB（澳大利亞運(yùn)輸安全局）對MH370搜索聲納的技術(shù)指標(biāo)要求，特別強(qiáng)調(diào)目標(biāo)特征探測能力。飛機(jī)墜海后殘骸中一般會(huì)有幾塊面積較大的物體，參考法航447殘骸，發(fā)現(xiàn)引擎約4m長、3m寬，落地門2m長，也就說特征探測能力要求至少2m3，相當(dāng)于IHO S-44規(guī)范40米以淺目標(biāo)探測要求。適時(shí)，伍茲霍爾運(yùn)行的AUV Nereus在探索克馬德克海溝時(shí)疑發(fā)生陶瓷層內(nèi)爆失蹤。故最后確定方案為聲學(xué)深拖設(shè)備進(jìn)行高效率掃測，AUV進(jìn)行疑似目標(biāo)確認(rèn)。主要搜索設(shè)備：

①Bluef in-21標(biāo)配EdgeTech 2200-M側(cè)掃聲納（120/410KHz，230/850KHz），Reson Seabat 7125多波束（200/400KHz），EdgeTech DW-216淺地層剖面儀（2-16KHz）。

②馬來政府雇傭的Go Phoenix配備ProSAS-60合成孔徑聲納，退出任務(wù)后，由東海救101繼續(xù)進(jìn)行搜索。ProSAS-60中央頻率60KHz，最高分辨率10㎝×10㎝，單側(cè)掃寬1500m。

③承擔(dān)主要任務(wù)的輝固赤道號通過Dragon Prince深拖組合EdgeTech 2400 Deep Tows（DT1）進(jìn)行探測，發(fā)現(xiàn)疑似目標(biāo)后，由Havila和諧號釋放AUV （HUGIN 4500）進(jìn)行精掃，標(biāo)配為Kongsberg EM2040多波束和EdgeTech 2400側(cè)掃聲納。如2016年初，DT1發(fā)現(xiàn)疑似金屬構(gòu)件，AUV確認(rèn)目標(biāo)為19世紀(jì)商船（圖一左上）。DT1側(cè)掃聲納掃測時(shí)最低頻率默認(rèn)75KHz，Range700-800m。EM2040多波束低頻200KHz，掃寬890m。船速控制：輝固船只的速度為2.7節(jié)，鳳凰行號的速度為1.8節(jié)。綜上，測線大概按照700-800m要求進(jìn)行布設(shè)，忽略惡劣海況、凹凸地形和儀器本身性能極限，按測量面積和船速可以估算出掃測計(jì)劃時(shí)間。

（2）2014年12月底，QZ8501在爪哇海域墜毀。以參與搜索的印尼方為例。MGS GEOSURVEY船配備EdgeTech 4200MP側(cè)掃聲納、R2Sonic SONIC 2020多波束，F(xiàn)ugro的Starfix 9200-G2 差分系統(tǒng)定位。搜索時(shí)劃分了失聯(lián)區(qū)域、雷達(dá)捕獲區(qū)域和漂浮物區(qū)域，最后在雷達(dá)捕獲區(qū)域發(fā)現(xiàn)機(jī)翼、機(jī)尾和大部機(jī)身，進(jìn)行側(cè)掃聲納、多波束復(fù)測和ROV拍攝圖像（圖一右上）。

2.2珍珠港沉船和諾曼底登陸水域測量

（1）為觀測沉船降解和構(gòu)建3D可視化模型，2014年亞利桑那號戰(zhàn)艦紀(jì)念館對亞利桑那號和猶他號進(jìn)行了水下、水上三維測量。測量同時(shí)采用多波束測深系統(tǒng)、激光掃描儀、水下相機(jī)進(jìn)行。淺水采用無人船搭載R2SONIC SONIC 2020多波束進(jìn)行掃測，深水采用R2SONIC SONIC 2024進(jìn)行掃測，水上部分采用FARO激光進(jìn)行測量，PPK（后處理）差分定位。

（2）為紀(jì)念諾曼底登陸，構(gòu)建GIS數(shù)據(jù)庫申遺，截至2014年，一些公司和個(gè)人志愿完成了諾曼底附近大概500㎞2海域的掃測。項(xiàng)目水域多在15～49m水深之間，采用EdgeTech 4600 （540KHz）組合測深聲納進(jìn)行了大面積掃測，R2SONIC SONIC 2024 （700KHz）多波束進(jìn)行精掃，SeaBotix 的ROV、潛水員和載人潛水器同時(shí)進(jìn)行攝像確認(rèn)目標(biāo)（圖一左下），Trimble SPS 855實(shí)現(xiàn)RTK和Fugro Marinestar的星基差分定位。

2.3El Faro商船和湛江彩虹應(yīng)急搜救

（1）El Faro于2015年10月1日在百慕大遭遇颶風(fēng)沉沒，失事船長241m，寬32m，水深約4600m，根據(jù)航跡、救生圈和集裝箱殘片漂流路徑進(jìn)行分析掃測，于月底發(fā)現(xiàn)殘骸，但主桅桿和船舶航行數(shù)據(jù)記錄儀（VDR）未找到。船體的搜索由CURV-21組合TPL、ORION側(cè)掃聲納進(jìn)行，CURV-21可以在側(cè)掃聲納和ROV功能之間切換；側(cè)掃聲納（57/240KHz）高頻300m掃寬用來分辨小目標(biāo)，低頻1800m和3000m掃寬搜索飛機(jī)殘骸和大型沉船。在發(fā)現(xiàn)船體殘骸后，由伍茲霍爾提供的AUV哨兵（Sentry）繼續(xù)搜索VDR，VDR僅水桶大小，搜索難度大，AUV標(biāo)配BlueView的P900-90前視聲納、EdgeTech 2200-M側(cè)掃聲納（120/410KHz）、Reson 7125 多波束（200/400KHz），還搭載了EdgeTech 2205側(cè)掃聲納（850KHz以上）。在使用多波束精掃沉船附近水域后，根據(jù)淺點(diǎn)分布細(xì)劃掃測區(qū)域，于2016年4月底發(fā)現(xiàn)VDR。

（2）湛江臺(tái)風(fēng)彩虹應(yīng)急掃測于2015年10月3日開始，投入5條船舶，3套多波束，2套側(cè)掃聲納，完成約50㎞2面積水域掃測。湛港拖3船配備EdgeTech 42 0 0 M P、湛港引3船配備K l e i n HydroScan側(cè)掃聲納分別掃測沉船和集裝箱，海巡1761船攜Reson SeaBat 7101、租用船舶安裝R2SONIC SONIC 2024多波束進(jìn)行全港池航道掃測，RBN/ DGPS定位。在航道內(nèi)掃測到兩處沉船影像，參考失事船舶的AIS路徑制定計(jì)劃進(jìn)行集裝箱掃測后，沿軌跡方向發(fā)現(xiàn)五十余個(gè)集裝箱影像（圖一右下）。

3.項(xiàng)目特點(diǎn)和設(shè)備應(yīng)用發(fā)展趨勢

（1）對目標(biāo)特征點(diǎn)探測要求變高。IHO S-44、LINZ、USACE、CHS等規(guī)范對目標(biāo)探測和覆蓋率的規(guī)定都越來越嚴(yán)格，IHO特等測量要求在40m以淺水深，大于1m3的特征物必須被探測到；而USACE硬底質(zhì)探測目標(biāo)要求0.5m3，命中波束數(shù)大于3個(gè)。業(yè)內(nèi)較為嚴(yán)格的LINZ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定特等水域需200%覆蓋，并且：1）為描述海底特征，必須縱橫各3次命中探測目標(biāo)；2）為達(dá)到上述要求，Ping與Ping中心的距離不能超過被探測目標(biāo)的一半。而CHS則考慮CUBE建面的需要（如15m以淺0.25m分辨率），網(wǎng)格內(nèi)至少要有5個(gè)波束以保證數(shù)據(jù)密度。基于以上條件，目標(biāo)探測對船速控制和覆蓋率等都有更高要求。

（2）探測設(shè)備的分辨率也越來越高。①現(xiàn)水下探測主流設(shè)備仍然是淺水多波束和側(cè)掃聲納，但UHR（Ultra High Resolution）設(shè)備開始推廣應(yīng)用，高頻多波束如R2SONIC SONIC 2024 （700KHz），高頻側(cè)掃聲納（900KHz-2400KHz）如Sea Scan HDS、EdgeTech 4125、Klein 5900等，其他高頻三維聲納如Echoscope、BV5000等，新技術(shù)設(shè)備如SAS和水下激光掃描儀等，對目標(biāo)特征探測更加詳細(xì)；②動(dòng)態(tài)聚焦、多脈沖、姿態(tài)穩(wěn)定等新技術(shù)普遍應(yīng)用在各種探測設(shè)備上；③定位設(shè)備的精度也逐漸提高，RTK、PPK等技術(shù)成熟，OmniStar G4、Veripos、StarFire等星基差分應(yīng)用陸續(xù)開始支持北斗系統(tǒng)，水下USBL、DVL、INS廣泛應(yīng)用在ROV、AUV導(dǎo)航上。

（3）成果格式要求由多樣化日趨一致。以NOAA多波束提交成果為例，在2014年之前要考慮Fledermaus面、ESRI Arc ASCII、KML、GeoTIFF、XYZ、TXT等各種軟件支持格式的需求，現(xiàn)則只需要提交符合S-102規(guī)范的BAG（水深屬性網(wǎng)格）和GeoTIFF格式文件，BAG格式已被CARIS、ARCGIS等海洋GIS類軟件支持。

（4）平臺(tái)多樣化，USV、AUV、ROV應(yīng)用越來越廣泛。近年來，水上USV和水下AUV、ROV等新技術(shù)在海道測量、應(yīng)急搜索、科學(xué)探測等方面的應(yīng)用有所進(jìn)展。ATLAS、Kongsberg、LRI等公司的產(chǎn)品推廣很快，多可同時(shí)搭載測深儀、多波束、側(cè)掃聲納、SAS、照相機(jī)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同的功能，大量節(jié)省時(shí)間和成本，還達(dá)到了更準(zhǔn)確探測的目的。

（5）設(shè)備向小型化、集成化發(fā)展。多波束設(shè)備的應(yīng)用尤為明顯，如2014 年Teledyne Odom、LRI、CARIS在夏威夷進(jìn)行的海試，使用波浪滑翔者SV3無人船搭載Odom MB1多波束集成剖面聲速儀、GPS、姿態(tài)、羅經(jīng)進(jìn)行測量，CARIS開發(fā)的Onboard模塊自動(dòng)生成BASE Surface，輸出BAG文件上傳，全程無需人工參與，極大地解放了人力。

（6）設(shè)備擴(kuò)展開發(fā)、綜合和組合應(yīng)用越來越多。擴(kuò)展應(yīng)用方面，多波束測深系統(tǒng)的側(cè)掃聲納/Snippets、WCI數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于沉船掃測中；綜合應(yīng)用如船載激光和多波束三維測量等方面的研究技術(shù)成熟，EdgeTech 6205和2000-DSS等組合設(shè)備的使用頻率增多。

7、IT技術(shù)的發(fā)展影響明顯。SSD固態(tài)硬盤、4G通訊技術(shù)等新技術(shù)產(chǎn)品的推廣普及，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)确矫?，極大推動(dòng)了水下探測技術(shù)的發(fā)展。以3D打印為例，在2014年的HMS Erebus（幽冥號）掃測項(xiàng)目中有典型的應(yīng)用。

圖二、幽冥號沉船掃測圖像和3D模型

4.結(jié)語

通過比較不難發(fā)現(xiàn)：①合理利用已有資料進(jìn)行分析、計(jì)劃，針對項(xiàng)目要求選用合適設(shè)備，對微小障礙物采用多種方法綜合判斷等都有助于提高目標(biāo)探測的效率；②水下探測設(shè)備和技術(shù)的更新應(yīng)用越來越快，也不在局限于傳統(tǒng)的保障航海安全范圍，我們在探測技術(shù)和設(shè)備的推廣應(yīng)用上還有待提高。

參考文獻(xiàn)：

［1］POERBANDONO. Seafloor Swathe Survey for Search and Rescue Mission of Air Asia QZ8501 ［J］. Geodesy and Geomatics Engineering.2015.