一种多波束声呐在船舶水下安检系统中的应用＊

陈孟君

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

随着国际战略形势的变化，敌对冲突模式也在不断发展。“9.11事件”的发生，彻底改变了传统意义上的恐怖袭击方式，多元化、隐蔽性的特点日趋突出。港口、码头及江河水坝等是我国重要的水上交通及水利设施，来往船舶众多。目前，该类区域虽拥有完善的陆上和水面安全检查措施，但船舶水面以下部分的安检手段极度匮乏。恐怖分子控制民用船舶后，一旦将水下爆炸物放置在船舶底部水下（附着在船底或拖曳在船底），就可能顺利通过现有的水面安全检查，对该类设施发动恐怖袭击，引起经济损失、造成政治和社会影响，打击民众心理安全、甚至造成社会动乱。

另一方面，内河航运有部分船舶为追求经济利益，超过航道维护水深标准配载航行（称为船舶“超吃水”），当这些“超吃水”船舶冒险通过航道的浅险航段时，容易在航道内搁浅，阻塞航道，从而影响航运畅通，危害严重。这些单体货船大都是个体或民营船舶，部分船员的素质不高且信息渠道闭塞，船主常常只考虑自身经济利益，盲目冒险航行，这是造成“超吃水”搁浅的主要原因。另据了解，也有一些自航货驳船为了防止因船舶碰撞或搁浅对船体造成损坏，在船舶底部安装有护底板，主要是用于保护船舶底部的舵叶和螺旋桨。护底板大都安装在舵叶和螺旋桨下部，并与船舶底部牢固地焊接，这些护底板一般突出船底龙骨0.4m～0.5m，结构坚固，当船舶出现搁浅时，这部分装置首先搁浅，从而造成整个船体搁浅，对航道的破坏影响非常大［1～2］。

此外，船只通过船底非法夹带或拖带走私物品，现场肉眼不易发现，往往容易躲过海关缉私部门的检查，给国家造成较大的经济损失。

鉴于此，了解并开展船舶的水下安检方面的工作是十分有意义和必要的。

2 船舶水下安检的发展现状

对于船舶吃水检测，目前检测手段主要有人工检测和自动检测两种。人工观测船舶吃水线标尺读数是人工检测船舶吃水量的主要方式。检测时，被测船舶需要保持相对静止状态，测量人员登船测量或是乘坐检测用小艇靠近被测船舶测量。测量人员需要分别读取被测船舶左右舷船首、中、尾共六处吃水线标尺的读数，然后据此计算出被测船舶的实际吃水量。该测量方法有很大的局限性。一方面由于天气，水面波动等环境因素影响，导致读取水尺读数时存在一定的误差，甚至个别船舶吃水线受水力侵蚀、氧化、磨损、脱落，或泥砂、油垢污染，字符模糊后很难读认；另一方面，测量时被测船舶需要停泊，测量时间也较长，大大影响了航道的通航效率［3～4］。

目前用于船舶吃水自动检测的技术手段大致包括以下几种［5］：

1）超声波水尺和载重测量就是依据超声波测距原理，以船体舷边甲板为基准测量船舶吃水，通过测量超声波回波返回的时间，根据当时当地声速，测得船体主甲板至水面的距离等参数，计算出吃水值；

2）压力传感器安装在船舶空载吃水线的位置上，利用水压的变化反映出水深的变化这一特性，当船舶载货后吃水变深，根据压力传感器获得的数值，经过换算后，即可得出船舶的吃水深度；

3）电子水尺的基本工作原理是利用水的导电性，采用类似于人工观测水位的方法，它是自上而下依次读取每个感应触点（即探针）的电导，在探测到探针和水面接触的位置，探针间的电导会突变增大从而确定水位值；

4）激光水位计的测量原理类似于超声波测量，利用光速的不变性，通过测量激光束往返的时间，间接获得当时的水位信息。

这些检测手段主要使用目的是船主通过对船舶自身的检验，了解船舶的载重量，用于计算其所获经济效益。这些设备一般安装在船体上，设备的管理及其维修与船员的能力有很大关系，其检测效果受船体、船速的影响较大，其检测结果的可靠性受人为因素影响。所以，从某种程度上讲，这些检测手段并不能满足船舶监督管理和船舶吃水控制现实的需要。经文献查询可知，目前国内外尚无船舶吃水动态检测的成套系统设备的相关报道，但相类似的专题研究仍处于技术研究和开发阶段。

另外，对于船底水下物品走私，文献［6］提出了一种“反走私水下取证系统”，该系统主要包括安装于缉私艇上水下机器人和探测声呐，能够对改装过的船只进行识别，对船底走私物进行检查和辨识，达到现场取证，打击走私的目的。

综上分析，由于在水中很难采用常规的光学或其它测量方法对船舶吃水及底部情况进行有效监测，而声探在水中是唯一有效的信息载体，为船舶水下安检的开展带来了可能。本文介绍一种多波束声呐在船舶水下安检系统中的应用。

3 多波束声呐系统

3.1 基本原理

多波束测深声呐又称为条带测深声呐或多波束回声测深仪，其原理是利用发射换能器基阵向海底发射宽覆盖扇区的声波，并由接收换能器基阵对海底回波进行窄波束接收，如图1所示。通过发射、接收波束相交在海底与船行方向垂直的条带区域形成数以百计的照射脚印，对这些脚印内的反向散射信号同时进行到达时间和到达角度的估计，再进一步通过获得的声速剖面数据由公式计算就能得到该点的水深值。当多波束测深声呐沿指定测线连续测量并将多条测线测量结果合理拼接后，便可得到该区域的海底地形图［7～9］。

图1 多波束测深原理图

同理，如果声呐安装在水下朝水面发射声波，那么当水面船只通过声呐上方时，亦可得到船底形状图，从而完成对船舶的水下安检，本文所述的多波束声呐就是这种使用方法。

3.2 系统组成

多波束声呐系统主要由发射换能器、接收换能器、干端声呐接口模块（SIM）组成，配套辅助设备包含声速探头和罗经运动传感器。

所用的是美国R2SONIC公司开发生产的SONIC 2024多波束声呐系统。该声呐具有在线连续调频的能力，可以在200kHz～400kHz范围内实时在线选择20多个工作频率，沿航迹方向和垂直航迹方向波束角分别为1°和0.5°，具有256个波束，覆盖宽度可以根据实际作业情况在10°～160°范围内灵活选择，最大量程500m。声速探头主要用于测量系统工作水域的声速，以修正水温、压力不均匀引起声速的变化，以便声呐得到更好的测量效果。罗经运动传感器将平台的三维运动姿态信息输入到综合处理计算机，用于对声呐数据进行补偿［10］。

图2 多波束声呐外形图

4 工作模式

多波束声呐系统及配套的声速探头和罗经运动传感器安装在水下平台上，平台布放在安检区域航道水下一定深度，声波朝水面发射，当受检船只从其上方通过时，声呐系统对经过船只的水下部分进行扫描，声呐接收到的原始数据通过复合缆实时传送到岸上的综合处理计算机形成窄带图像，并由专用图像后处理软件将窄带图像拼接成完整的船底三维图像。

4.1 单头工作模式

对于较窄的航道，在满足深度的情况下，在水下只需布置单套多波束声呐即可实现相应的水面覆盖宽度，图3为单套多波束声呐工作示意图。为防止受检船只偏离声呐扫描区域，可在航道扫描区域两端水面各设置一个航标进行标识，以引导受检船只准确通过声呐扫描区域。对于航道水深合适，且水位变化不大的区域，可将多波束声呐座底固定安装在水下。对于航道水深较大或水位变化较大的水域，就不适合座底安装，可通过水下浮动平台安装，这种水下浮动平台既能调节工作水深，又给后期维护带来了便利，使用水下浮动平台安装时，声呐数据的处理需要罗经运动传感器进行姿态补偿。

图3 单头工作示意图

4.2 双头工作模式

对于较宽阔的航道，在水下布置单套多波束声呐难以实现相应的水面覆盖宽度，所以需增加多波束声呐的数量，以增加水面覆盖宽度。图4为两套多波束声呐工作示意图。两套声呐间隔一定距离同向安装在平直的水下平台上，确保拼图效果，两套声呐设置成不同的工作频率，避免相互干扰［11］。

图4 双头工作示意图

5 试验结果分析

本文涉及的多波束声呐系统经过了多次湖上实船试验验证，试验结果表明，由多波束声呐扫描船底测量得出的结果与真实船只情况相符合。在船底未携带目标物和携带目标物的情况下，船只先后通过声呐上方，分别得到图5和图6所示的实测船底效果图。图5为船只底部未携带任何目标物从声呐上方完全通过时的扫描效果图，从图中可以看出船底比较干净，无异物。图6为船只底部携带目标物从声呐上方完全通过时的扫描效果图，图中船底圆圈标记内目标即为探测到的目标物，图中右下角为水下相机拍摄的放置于船底的其中一个水下目标实物照片。

图5 实船测试效果图（船底无模拟目标）

图6 实船测试效果图（船底两个模拟目标）

该多波束声呐系统除了可以检查船只整个船底情况，形成完整的船底三维图像，实时检测船底异物之外，还可以通过二维轮廓图结合船底三维图得到船只吃水信息。当然，测量结果会因为船只通过时螺旋桨噪声及水面波浪干扰存在一定的误差，控制船只低速通过，测量误差大大减小，可以忽略。

6 结语

针对船舶水下安检技术现状，本文介绍了一种应用于船舶水下安检的多波束声呐系统，该系统可望建设成一套自动、智能、集成、高效的船底测量和报警系统。即当船舶通过指定位置后，该系统既能自动测量经过船舶的吃水，又能测量船舶水下部分形状，自动提取船舶的吃水深度，界定船舶吃水深度是否符合航道通行要求，对发现的“超吃水”船舶自动报警，同时还能发现船底异常，能有效检查船底走私物品或携带危险品，协助海关缉私取证或海事部门船底检查，实现陆上人员肉眼无法完成的安检任务。

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