溫志堅　何志敏

摘 要：本文基于筆者從事側(cè)掃聲吶應(yīng)用的工作經(jīng)驗(yàn)，以海底目標(biāo)探測為研究對象，探討了側(cè)掃聲吶與多波束測深系統(tǒng)配合進(jìn)行海底目標(biāo)探測的相關(guān)思路何方法，并結(jié)合具體案例給出了探測流程和結(jié)果評價，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：側(cè)掃聲吶 海底目標(biāo)探測 多波束測深

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（a）-0028-02

多波束測深系統(tǒng)以條帶測量的方式，可以對海底進(jìn)行100%的全覆蓋測量，每個條帶的覆蓋寬度可以達(dá)到水深的數(shù)倍。應(yīng)用這種高新技術(shù)，不僅可以獲得高精度的水深地形數(shù)據(jù)，還可以同時獲得類似側(cè)掃聲納測量的海底聲像圖，為人們提供了直觀的海底形態(tài)；側(cè)掃聲納的出現(xiàn)為海底探測提供了完整的海底聲學(xué)圖像，用于獲得海底形態(tài)，并對海底物質(zhì)的紋理特征進(jìn)行定性的描述。利用側(cè)掃聲納和多波束測深系統(tǒng)能夠探測海底地形、地貌、障礙物的特點(diǎn)，側(cè)掃聲納和多波束測深系統(tǒng)在大陸架測量、港口疏浚、漁業(yè)捕撈、水利和生態(tài)監(jiān)測、海底電纜探測、油氣管道布設(shè)路徑地形測繪以及輪船錨泊海區(qū)檢測等方面均得到了廣泛的應(yīng)用，且取得了明顯的效果，兩者都是開發(fā)和利用海洋資源必需的儀器設(shè)備。在水深測量精度、定位精度、聲像圖分辨率等方面兩者又各有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如果將兩者綜合起來加以應(yīng)用，可有效增強(qiáng)不同觀測數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性，提高工程質(zhì)量。本文以EdgeTech 4200FS型側(cè)掃聲納和SimradEM 1002型多波束測深系統(tǒng)為例來說明其在海洋目標(biāo)探測中的綜合應(yīng)用。

1 側(cè)掃聲納和多波束測深系統(tǒng)的特點(diǎn)

多波束測深系統(tǒng)與側(cè)掃聲納都是實(shí)現(xiàn)海底全覆蓋掃測的水聲設(shè)備，都能夠獲得幾倍于水深的覆蓋范圍。它們具有相似的工作原理，以一定的角度傾斜向海底發(fā)射聲波脈沖，接收海底反向散射回波，從海底反向散射回波中提取所需要的海底幾何信息。

由于接收波束形式的不同以及對所接收回波信號處理方式的不同，多波束測深儀通過接收波束形成技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空間精確定向，利用回波信號的某些特征參量進(jìn)行回波時延檢測以確定回波往返時間，從而確定斜距以獲取精確的水深數(shù)據(jù)，繪制出海底地形圖。側(cè)掃聲納只是實(shí)現(xiàn)了波束空間的粗略定向，依照回波信號在海底反向散射時間的自然順序檢測并記錄回波信號的幅度能量，僅僅顯示海底目標(biāo)的相對回波強(qiáng)度信息，獲得海底地貌聲像圖。

1.1 高精度的水深和定位數(shù)據(jù)

多波束測深系統(tǒng)在處理接收的海底反向散射回波時，有著精密的空間定向，從回波信號時延處理上，有著準(zhǔn)確的回波信號時延檢測，因此多波束測深系統(tǒng)測量的水深數(shù)據(jù)精度高；從回波信號幅度處理上，多波束測深系統(tǒng)雖然也需要幅度的歸一化處理，但不象側(cè)掃聲納的歸一化處理那樣嚴(yán)格，遠(yuǎn)近端回波信號基本均勻，滿足時延檢測即可，因此多波束測深系統(tǒng)在測量水深的同時雖然也能獲得類似側(cè)掃聲納的海底聲像圖，為人們提供直觀的海底形態(tài)，但聲像圖質(zhì)量不高，分辨率較低。另外，Simrad公司的Triton軟件能夠依據(jù)測量的數(shù)據(jù)信息分類出海底沉積物的類型（巖石、泥、沙、粘土），這給工程帶來了很大的方便。多波束測深系統(tǒng)在測量定位上一般采用DGPS或RTK的方式，DGPS定位精度可達(dá)到亞米級，RTK定位精度可達(dá)到厘米級，經(jīng)過定位延遲改正后，多波束系統(tǒng)測得的海底目標(biāo)位置精度很高。

1.2 高分辨率的海底聲像圖

側(cè)掃聲納由拖在水中的拖魚、線纜和船上的處理器三部分組成。其工作時由隨船行進(jìn)的拖魚產(chǎn)生兩束與船行進(jìn)方向垂直的扇形聲束，聲波碰到海底或礁石、沉船等物體就被反射回來，反射回來的信號由拖魚接收系統(tǒng)接收、轉(zhuǎn)換放大，然后由處理器以圖像的形式記錄、顯示反射和散射信號。側(cè)掃聲納在處理接收的海底反向散射回波時，對回波幅度信息的處理要求比較嚴(yán)格，而對回波信號時間延遲不做要求，因此獲得的海底聲像圖質(zhì)量好，分辨率高。掃海時在水中的拖魚與定位天線有一定的方位和距離偏差，這個方位和距離偏差受船速、航向、水的流速和流向的影響很大，這給測得的目標(biāo)定位帶來了困難。另外側(cè)掃聲納不能進(jìn)行聲速和潮汐等改正，無法獲得精確的水深數(shù)據(jù)。因此即使經(jīng)過精密計算，側(cè)掃聲納探測的海底目標(biāo)在定位和水深數(shù)據(jù)的精度上都存在較大的誤差。

2 用兩種設(shè)備共同探測海底目標(biāo)

利用多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行全覆蓋水深測量，獲取精確的水深數(shù)據(jù)，根據(jù)水深變化判斷目標(biāo)范圍和大小，獲得目標(biāo)的精確位置信息，使用軟件分析出目標(biāo)周圍的底質(zhì)情況。利用側(cè)掃聲納進(jìn)行掃測，獲取海底目標(biāo)和地形等聲像圖，通過聲圖判讀確定目標(biāo)的性質(zhì)、大小、范圍。綜合利用多波束測量數(shù)據(jù)和側(cè)掃聲納聲像圖進(jìn)行海底目標(biāo)的探測，有效增強(qiáng)了不同觀測數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性，大大提高了工程質(zhì)量。

某海區(qū)有一沉落的飛機(jī)，海區(qū)水深大約80m左右，海流大。現(xiàn)使用EdgeTech 4200FS側(cè)掃聲納和EM 1002型多波束測深系統(tǒng)來共同探測。

2.1 先用EM 1002型多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行粗掃

在80m水深處，EM 1002型多波束的覆蓋寬度大約有560m，考慮到全覆蓋測量，在該海區(qū)布設(shè)500m寬的測線。首先用聲速剖面儀測量聲速，并把測量的聲速數(shù)據(jù)輸入多波束測深系統(tǒng)以提供聲速實(shí)時改正。利用EM 1002型多波束進(jìn)行全覆蓋測量，航速控制在12kn以內(nèi)。在測量中如使用正常水深測量時的導(dǎo)航質(zhì)量監(jiān)控窗口尋找目標(biāo)比較困難，因?yàn)橘|(zhì)量監(jiān)控窗口展現(xiàn)的波束量少，再加上經(jīng)常出現(xiàn)由噪音引起的假信號，想通過水深的變化尋找目標(biāo)比較困難。EM 1002型多波束測深系統(tǒng)的SeabedImaging窗口在測量中可以實(shí)時獲得像側(cè)掃聲納掃海時一樣的海底聲像圖。在測量船按計劃線上線后可把導(dǎo)航質(zhì)量監(jiān)控窗口轉(zhuǎn)換到SeabedImaging窗口，利用海底聲像圖來尋找可疑目標(biāo)相對比較容易。多波束系統(tǒng)SeabedImaging可在測量中實(shí)時獲得的聲像圖，對發(fā)現(xiàn)的可疑目標(biāo)，記下其位置信息。

2.2 利用多波束測深系統(tǒng)和側(cè)掃聲納進(jìn)行精掃endprint

對于粗掃發(fā)現(xiàn)的所有可疑目標(biāo)，首先使用多波束系統(tǒng)進(jìn)行精掃。由于多波束系統(tǒng)中心波束密，腳印小，精度高，邊緣波束疏，腳印大，精度低，所以在精掃測量時，降低船速，控制在4～6km，扇面開角控制在120°以內(nèi)，中心波束多次通過目標(biāo)進(jìn)行加密測量。測量中使用SeabedImaging窗口尋找目標(biāo)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑是要尋找的目標(biāo)后，即投放側(cè)掃聲納拖魚進(jìn)行進(jìn)一步精掃。

使用EdgeTech 4200FS側(cè)掃聲納進(jìn)行精掃測量時，要降低船速，一般控制在3kn左右，用小量程多次通過目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)一般置于單側(cè)掃描面的中間位置以減少各種失真。在測量中，多波束系統(tǒng)也同時測量作業(yè)，在低速中以獲取更清晰的聲像圖。

2.3 多波束測深系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的處理

對多波束測深系統(tǒng)測量的原始數(shù)據(jù)使用Neptune或Caris軟件進(jìn)行后處理，在進(jìn)行粗差處理時最好先整體察看目標(biāo)附近的數(shù)據(jù)，以區(qū)分真?zhèn)螖?shù)據(jù)，避免粗差處理時把真實(shí)水深刪掉，經(jīng)過潮汐、吃水、聲速改正以及一系列的處理后就可得到水深成果圖，通過水深成果圖也可看到飛機(jī)沉骸處水深比周圍淺4m。使用EM 1002多波束系統(tǒng)配備的SimradTriton軟件對飛機(jī)沉骸周圍的底質(zhì)進(jìn)行分析，可得出泥沙底質(zhì)。圖1為處理的飛機(jī)沉骸水深成果圖，比例尺1∶1000，從成果圖中就可得到飛機(jī)沉骸的精確位置和所處的水深值。圖2為使用多波束系統(tǒng)測量的水深數(shù)據(jù)展示的飛機(jī)殘骸的三維立體圖像，由于當(dāng)時沒有進(jìn)行加密測量，導(dǎo)致多波束系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)量較少，立體圖像并不是很清晰，只是一個大致的輪廓。綜合測量所獲得的數(shù)據(jù)信息，為下一步目標(biāo)的打撈提供了可靠的資料。

3 結(jié)語

側(cè)掃聲納和多波束測深系統(tǒng)在海底目標(biāo)探測中的綜合應(yīng)用，增強(qiáng)了不同設(shè)備之間的互補(bǔ)性。另外，在淺水區(qū)進(jìn)行大面積的水深測量中，利用多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行全覆蓋水深測量，獲得精確的水深數(shù)據(jù)，利用軟件分析出測區(qū)底質(zhì)類別；對于測區(qū)的航行障礙物，根據(jù)測量的水深數(shù)據(jù)可確定其最淺點(diǎn)和精確位置，而對航行障礙精確的性質(zhì)、大小和范圍，可使用側(cè)掃聲納進(jìn)一步掃測，通過掃測獲得的聲像圖來判定。因此，在大面積的水深測量中兩種設(shè)備的綜合應(yīng)用也具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。

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