鄭暉

摘? 要：多波束探測與側(cè)掃聲吶掃測作為水下障礙物探測的2種常用技術(shù)手段各有優(yōu)勢。就多波束探測技術(shù)而言，其優(yōu)勢在于通過獲得精確的水深數(shù)據(jù)，實現(xiàn)水下障礙物的精準定位。側(cè)掃聲吶在大范圍快速獲取地貌性質(zhì)、形狀判斷中優(yōu)勢更顯著?；诖?，該文以某水庫救援項目為研究案例，對水下障礙物側(cè)掃聲吶掃測和多波束探測的具體應用過程進行分析。結(jié)合這2種技術(shù)對水下地形環(huán)境、水下地貌進行描繪，可以實現(xiàn)高效互補，從而獲得精確的水下地形數(shù)據(jù)和水底地貌影像。

關(guān)鍵詞：多波束探測;側(cè)掃聲吶掃測;水下障礙物

中圖分類號：P229? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

水下障礙物探測是水資源開發(fā)利用的基礎(chǔ)和前提，其能在現(xiàn)代化探測技術(shù)的應用下，實現(xiàn)水下地形及障礙物的測量，這不僅確保了水域船舶通行的安全性，而且為水下救援工作的開展提供了有效指導。在當前的水下探測中，多波束與側(cè)掃聲吶是2種較為有效且常用的探測方式。從本質(zhì)上講，這2種障礙物探測方式均為條帶式掃海系統(tǒng)，其能實現(xiàn)水底地形的全覆蓋無遺漏掃測。但是在實際掃測中，多波束與側(cè)掃聲吶的工作原理和工作方式仍有一定差異，該文以某水庫救援-測試項目為例，對多波束與側(cè)掃聲吶的實際應用要點及效果進行分析[1]。

1 系統(tǒng)的組成及原理

1.1 多波束測深系統(tǒng)組成及原理

1.1.1 多波束測深系統(tǒng)組成

多波束探測系統(tǒng)在水下測深中得到廣泛應用。從設(shè)備結(jié)構(gòu)單元來看，其包含測深設(shè)備、定位設(shè)備、羅經(jīng)運動傳感器、聲速剖面儀和輔助設(shè)備5 個單元[2]。

其中探測設(shè)備多波束換能器決定了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分辨率。差分GNSS接收機是全系統(tǒng)的定位裝置，其在障礙物定位測量中發(fā)揮著控制測量的作用。在多波束測深作業(yè)中，羅經(jīng)運動傳感器能實現(xiàn)測量船實時姿態(tài)及航向數(shù)據(jù)的有效采集。聲速剖面儀用來測量海區(qū)的聲速剖面數(shù)據(jù)，用于校正聲速曲線。潮位信息將實測水深值換算成與國家高程系統(tǒng)同一的高程數(shù)據(jù)。此外，輔助設(shè)備包含了導航和數(shù)據(jù)處理軟件。通常水深探測的數(shù)據(jù)采集、顯示和處理均是通過工作站操作完成的。

1.1.2 多波束測深系統(tǒng)工作原理

利用聲吶換能器向水底發(fā)射寬扇區(qū)聲脈沖并接收回波信號，是多波束測深系統(tǒng)應用的基本原理（如圖1所示）。就發(fā)射寬扇區(qū)聲脈沖而言，其聲波的頻率多處于100 kHz以上，當發(fā)出的聲波經(jīng)水底障礙物反射形成返回波束時，換能器能對這些返回波束進行有效地接收和處理。此時，通過同步獲取的潮位和聲迷剖面數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)探測水域底部狀況的有效檢測。具體來說，結(jié)合獲取的波束旅行時間和波束角，控制軟件能實現(xiàn)波束腳印的水深和位置的有效計算，根據(jù)計算結(jié)果，即可獲得具有較高精度都的水深條帶數(shù)據(jù)，在計算機系統(tǒng)級及相關(guān)建模軟件的支撐下，可以建立水下地形數(shù)字高程模型。

從測量結(jié)果來看，多波束測深系統(tǒng)所獲取的是隨身數(shù)據(jù)，經(jīng)過編輯和處理形成關(guān)于水底地形的高程模型文件。在測量數(shù)據(jù)未經(jīng)處理前，原始數(shù)據(jù)信息總量較多，且內(nèi)容形式較為繁雜。其中，條帶水深數(shù)據(jù)是較為主要的測量數(shù)據(jù)內(nèi)容，而聲速剖面數(shù)據(jù)、運動傳感器數(shù)據(jù)、羅經(jīng)數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)是輔助數(shù)據(jù)的重要組成部分。

1.2 側(cè)掃聲吶系統(tǒng)組成及原理

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在地貌性質(zhì)、形狀判斷中具有突出優(yōu)勢，其主要組成單元包括工作站、換能器基陣、拖纜和差分GNSS接收機等。

采用側(cè)掃聲吶系統(tǒng)進行水下障礙物測量時，系統(tǒng)換能器能向兩側(cè)水底發(fā)射出超過100 kHz的聲波，該聲波無穿透能力，因此回波信號較強，且完全來源于水底面的反射。采用換能器接受并處理返回波束，按照強度、時間對返回波束進行處理，可獲得具體的像素值。就返回波束強度而言，其不僅包含了水底起伏信息，而且還涉及水底底質(zhì)信息。通常，回波束信號較強的區(qū)域，其水底較為堅硬、粗糙。而回波束信號較弱的地區(qū)，水底較為柔軟、平坦或呈下凹趨勢?；夭ㄐ盘柦?jīng)由工作站進行處理，最終形成側(cè)掃聲吶圖像（如圖2所示）。

需注意的是，側(cè)掃聲吶采用的是斜距成像原理，其數(shù)據(jù)的采集過程較為特殊，這使得在形成側(cè)掃聲吶圖像的過程中，圖像是按照發(fā)射Ping排列的掃描序列圖像轉(zhuǎn)換而來，因此存在一定的缺陷。如速度失真、斜距變形、目標距離變形、水底坡度變形等，此外，側(cè)掃聲吶圖像還容易出現(xiàn)雙曲變形、隨機變形和拖魚高度變化引起的變形等缺陷。可見側(cè)掃聲吶系統(tǒng)不具備整體的地理方位和可量測性，其在反應水底對象的空間分布狀況的能力上還有待提高[3]。

2 應用案例

2.1 工程概況

某水庫救援-測試項目，作為大山里修建水壩攔截自然河流形成的水庫，該水庫作業(yè)區(qū)域剖面呈漏斗形。在實際測量調(diào)查中，采用多波束測量事發(fā)區(qū)域水庫的三維水下地形，并為側(cè)掃聲吶作業(yè)航線提供參考，為疑似目標比對提供參考。通過側(cè)掃聲吶作業(yè)辨識水下的地貌情況，搜尋可疑目標物。通過2種數(shù)據(jù)的結(jié)合進行目標精細辨識，期望能為今后水庫救援工作提供有效參考。

2.2 水下目標多波束掃測

在水庫救援水下目標多波束掃測作業(yè)中，將多波束換能器安置在船舶右舷，同時在駕駛甲板右側(cè)欄桿上固定GNSS天線，此外將IMU安裝在中央通道拐角。在具體作業(yè)時，先進行各子系統(tǒng)船體坐標的準確定位。其中，X、Y、Z三軸分別代表船艏向、右舷方向和垂直向水底方向，參考點選在IMU處，其坐標為（0，0，0）。該項目采用浙海巡0728作為工作船舶。

如圖3所示，水下目標多波束掃測通過多波束安裝調(diào)試、導航定位安和多波束作業(yè)的方式開展外業(yè)探測作業(yè)。要求多波束安裝調(diào)試、導航定位安裝符合水下目標多波束掃測基本原理，同時符合現(xiàn)有設(shè)備工作的系統(tǒng)指標和物理控制指標。作業(yè)時遵循水下目標多波束掃測原理，開展水下障礙物探測[4]。

完成水下目標多波束掃測后，需要規(guī)范化的進行數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理。內(nèi)業(yè)工作具體流程如圖4所示。

在使用多波束測量數(shù)據(jù)前，需要按照格式轉(zhuǎn)換、參數(shù)校正、數(shù)據(jù)編輯和數(shù)據(jù)輸出的形式進行數(shù)據(jù)處理。整個數(shù)據(jù)處理中有3個要點。 1）進行水庫聲速剖面數(shù)據(jù)的處理，該項目調(diào)查水庫中心位置，并拉取聲速剖面，根據(jù)檢測結(jié)果可知，該區(qū)域的聲速變化較大，10 m～27 m處存在溫躍層。2）開展多波束數(shù)據(jù)校準工作。前期作業(yè)中，為從源頭上確保多波束數(shù)據(jù)的準確性，要求對多波束換能器的安裝姿態(tài)進行校正，通過GPS時間同步脈沖（1PPS）保證多波束系統(tǒng)各設(shè)備間的時間同步，要求同步誤差在1 ms以內(nèi)。在測量數(shù)據(jù)校準中，于特定的水底地形上展開校準工作。橫搖參數(shù)校準時水底地形坡度應﹤2°，校準數(shù)據(jù)選擇垂直于航線方向的橫截面數(shù)據(jù)。縱搖參數(shù)、艏向參數(shù)校準中，水底地形坡度需﹥5°，前者采用同一條測線往返測量，后者通過2條平行測線進行同向測量。實際測量中，要求往返測量中的航速保持一致。需要注意的是，在艏向參數(shù)校準中，要求2個波束條帶的重疊率保持在20%～50%，避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)疏漏。3）在數(shù)據(jù)后處理中，添加聲速剖面、潮位等數(shù)據(jù)。將所測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為水深基準面數(shù)值，最終通過數(shù)據(jù)編輯手段的應用，有效地進行聲波濾波計算、數(shù)據(jù)清洗，獲取更加清晰的水下地形情況。并將所測數(shù)據(jù)繪制成圖件形，再與當?shù)氐木用駵贤?，確保水下地形圖識圖工作的有序開展。

2.3 側(cè)掃聲吶測量

側(cè)掃聲吶測量作業(yè)主要分為側(cè)掃聲吶安裝調(diào)試、側(cè)掃聲吶測量作業(yè)2個環(huán)節(jié)。該項目側(cè)掃聲吶測量作業(yè)中，采用SS3060型側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，該設(shè)備可同時發(fā)射300 kHz和600 kHz 2個頻率的聲波，采用CW信號和Chirp信號對聲波信號進行調(diào)制，有效地提升了作業(yè)幅寬和成像清晰度。在側(cè)掃聲吶安裝調(diào)試過程中，重點對其設(shè)備的技術(shù)參數(shù)進行調(diào)試，為水下障礙物的精準測量創(chuàng)造良好條件。

側(cè)掃聲吶測量作業(yè)過程中，采用船尾拖曳式布放方式（如圖5所示）。

具體操作要點有3個。1） 在GNSS定位系統(tǒng)天線布放時，將其設(shè)置在拖點附近，并使得天線四周無遮擋，可以保證定位誤差較小，同時確保了拖纜姿態(tài)觀察時視野的開闊性。2）基于側(cè)掃聲吶工作的基本原理，進行水下相關(guān)數(shù)據(jù)測量，初步獲得水下障礙物的原始數(shù)據(jù)。3）對側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)進行處理，整個數(shù)據(jù)處理按照底跟蹤修正、增益修正、水柱修正和圖像鑲嵌4個步驟處理。就底跟蹤修正而言，其能在勾勒底跟蹤線的基礎(chǔ)上，正確識別水底邊緣，實現(xiàn)水底與水體的區(qū)分。而增益修正是對圖像各部圖像進行濾波調(diào)諧，這樣能確保聲吶圖像回波強度的均勻性，同時，顯著提升了水底地物、地貌的辨識程度。

該項目按照固定增益、時變增益、吸收損失和擴散損失等方式進行參數(shù)調(diào)整，獲得了良好的圖形結(jié)果。最后，經(jīng)過水柱修正、圖像鑲嵌有效地提升了側(cè)掃圖像的可讀性。需注意的是，在水柱修正、水體圖像去除階段，主要是依據(jù)底跟蹤修正方式對水體圖像與水底圖像邊緣進行區(qū)分的。

2.4 測試過程影響分析

在具體測試過程中，由于作業(yè)船只為當?shù)氐胤胶Ｊ卵策壨?，吃?0 cm，在進行多波束調(diào)查時發(fā)現(xiàn)當?shù)厮钭畲蟪^70 m，水庫岸邊落差極大，岸邊緩坡水深1 m，前行不到4 m水深達到20 m，再前行10 m水深就能達到60 m。水下還有未進行砍伐的樹林等地物，未砍伐的樹林會對側(cè)掃聲吶作業(yè)造成影響。這是因為為獲取穩(wěn)定、連續(xù)和良好的側(cè)掃聲吶影像，作業(yè)船采取低速直線航行以此來確保側(cè)掃聲吶距底距離為最佳作業(yè)距離，且側(cè)掃聲吶拖魚是拖曳式作業(yè)，拖魚通過電纜拖在作業(yè)船尾部，在作業(yè)船進行航行機動時，拖魚反應會較作業(yè)船有延時，因此會勾掛樹木造成設(shè)備損毀。

3 結(jié)語

結(jié)合該項目測試及調(diào)查形成過程可知，多波束與側(cè)掃聲吶均能實現(xiàn)水下障礙物的有效探測，2種測量聯(lián)合的方式可以實現(xiàn)水下地形及障礙物的精準測量，這不僅確保了水域船舶通行的安全性，而且為水下救援工作的開展提供了有效指導，在水庫救援中收效良好。

參考文獻

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