双基地声呐的港口航道水深实时监测技术研究

杨建

摘 要：我国大陆海岸线长达18000多公里，其中淤积质海岸占4000多公里，大多数港口都是建立在淤泥质地的海岸之上，有部分航道具有航程较长、宽度较窄、水深有限、淤积严重等特点。因为缺乏实时的水深监测手段，并且没有从根本上掌握泥沙流和水深变化等动态规律，所以经常会发生因船舶装载量过少而造成经济损失，或发生过装载量过多而导致船舶搁浅、航道阻塞等问题。

关键词：双基地声呐 港口航道 水深 实时监测

双基地声呐的港口航道水深实时监测技术的发展背景与现状和意义

我国大多数港口都是建立在淤泥质地的海岸之上，随着海运事业和沿海地区经济的发展，港口泥沙回淤一直备受关注。淤泥质地海岸岸滩平坦，泥沙颗粒较细，不利于建港，所以迫切需要在这种不利条件下兴建港口。其中较为典型的是天津港和连云港。港池和航道的开挖，特别是大泊位港池和深水航道的开挖，势必在一定程度上打破原有岸滩平衡，导致港池、河道出现泥沙回淤现象，外加港池、河道底部状况随风浪、水流等天气水文情况的改变而发生变化，这给船舶的安全航行带来了威胁。

和淤泥质海岸类似，建立在粉砂淤泥质海岸的港口也面临同样的问题，其中较为典型的是黄骅港。与轻淤港相比，这类港口航道的管理与维护需要付出更多的代价与努力。由于近年来，船舶的大型化及运载量的增大使得泥沙淤积问题更加严重的影响了航道的正常运行。所以，港口的当务之急是提高航道的通航率。

但是以前采取的人为措施都无法从根本上解决这一问题，所以需要我们找到新的解决方法更好的改善这一现状。

保障船舶安全航运和提高航运效益的前提是水深测量。水深数据的实时掌握可以为深入了解航口航道淤积变化规律提供依据。而以前对淤积型港口航道的水深测量主要依靠机载光学设备和船载声学设备来完成，但是这两种手段不能及时的提供水深数据，所以并不能从根本上掌握泥沙流和水深变化的动态规律。因为这样的缺陷与不足经常会给我们的航运事业造成损失与危害，也会给航道疏浚和挖泥船带来许多困难。因此，研究港口航道水深实时监测技术，及时准确的掌握航道水深变化情况，对于增加船舶装载量，减少停泊，避免搁浅，减少航道，港池的维护疏浚工作量，提高港口的通航能力和航运事业的发展具有重要的意义。

双基地声呐的港口航道水深实时监测技术的研究方法

双基地声呐的港口航道水深实时监测技术研究方法主要包括两方面内容：双基地声呐技术研究和港口航道水深测量方法研究。

双基地声呐技术研究综述：传统的声呐设备，基本上都是按单基地模式独立工作的，人们所关心的只是声呐本身的单程或双程探测能力。这种类型的声呐，由于其收发合置，声呐在探测目标的同时也暴露了自己，因而隐蔽性较差，极易被敌方发现。双基地声呐，其收发装置相距一定距离，探测范围是以声源和接收机为焦点的等时椭圆。与单基地声呐相比，这种声纳系统具有探测范围大、隐蔽性能好、抗干扰能力强、优化设计易于实现、机动灵活、作用距离远、定位精度高等优点，一些发达国家纷纷开展有关双基地声呐的课题研究，使双基地声呐技术成为现阶段和未来声呐领域的热点。

港口航道水深测量方法研究概述：早期的水深测量方法主要采用定距绳或六分仪平面定位，测量杆或测深重锤同步测深。这种方法属于机械式测量，也是最原始的测量方法，每次只能测量一个点，仅适用于工程规模比较小的浅水海域，由于原始测深方法费工、费时，精度和效率很低，现在，除了在特殊底质的内河疏浚工程中使用外，已基本不用。为了进一步发展海洋考察工作，急需新的、先进的测探手段和方法。进入二十世纪，随着科技的迅猛发展，各种新型的水深测量方案应运而生，海洋水深测量方法按测量平台所处的位置可以分为：①星载遥感器水下地形测量；②机载激光测探；③船载声呐测探；④潜水器测探。当前，港口航道水深测量方法主要集中在船载声呐测探和机载激光探测，而船载声呐测探，因其成本较低，是我国航道普查的主要手段，此外，张勋等还提出航道侧面多传感器水深测量方法。

双基地声呐的港口航道水深实时监测技术研究内容

针对目前国内外部分港口航道航程较长、宽度较窄、水深有限、淤积严重而又缺乏实时的水深监测手段这一现状，结合工程项目展开研究，我们将对几个关键技术进行比较深入的研究，包括高频双基地海底散射模型、港口河道水深实时监测方法、单频水声信号的高分辨率多径时延估计等，并在以上几个关键技术的研究中给出了比较新颖的模型、方法和算法，主要研究内容如下：

我们首先分析了课题的研究背景与现状和意义，详细介绍了目前港口航道水深测量的主要方法及实现水深实时监测所存在的问题，对国内外有关双基地声呐技术研究的现状进行了综述，基于上述分析，确立了论文的研究方向。

接下来我们研究了：①港口航道中的声信道与声传播特性。讨论了水声信道的多径传播特性，建立了双基地声呐信号传输模型，深入分析了港口航道中的海洋噪声源、噪声普分布以及混响干扰，着重研究了浅海与其边界条件对声波传播所造成的影响，并通过数值仿真分析了声波在港口航道中的传播衰减、反射及散射等特性。②研究了双基地声呐的海底散射问题。给出了一个计算高频双基地海底散射强度的“小斜率-体积”模型。针对几种典型的海底类型进行了数值仿真，并将得到的散射强度结果与经典的APL-UW模型进行了对比。以典型淤泥质港口航道为例，仿真分析了淤泥质海底散射强度与模型中各参数之间的关系，重点研究了小掠射角情况下海底的声散射特性。③研究了港口航道水深实时监测方法。以射线声学理论和双基地海底声散射理论为基础，提出了一种基于双基地声呐的港口航道水深实时监测方法。利用水声信道的多径传播特性，通过求解直达路径声信号和海底反射最短路径声信号的相对时延来计算港口航道的水深，给出了一种解决单频水深信号高分辨率多径时延估计的混合算法，仿真分析了算法的时延估计性能，并通过实验进一步验证了算法的有效性。④设计并研制了一套基于双基地声呐实现港口航道水深实时监测的实用化系统。介绍了系统的总体结构及工作过程，详细讨论了系统中各功能模块参数的合理选择及其具体的电路实现方式，并在室内游泳池内对系统原理样机的性能进行了测试。⑤利用系统原理样机在大连海域某港池内进行了系统性能验证实验。详细介绍了海上实验的实施方案，给出了系统在大连海域环境下和某港口航道淤积环境下的实验结果，重点分析了水深监测系统在不同淤积环境下和不同几何布放关系下的总体性能，深入讨论了系统测量误差。

结语

港口航道淤积现象在世界范围内普遍存在，由于直接影响传播的安全航行和航运效益，各有关国家对此非常重视。因此本文的研究就此问题展开深入讨论，从港口航道水深实时监测技术研究的背景和意义出发，深入分析这一发展技术的现状，然后针对目前港口航道水深实时监测的需求和存在的问题，以射线声学理论和双基地海底声散射理论为基础，提出了一种基于双基地声呐的航道水深实时监测方法，并设计了一套结构合理的水深监测系统，最后通过在大连海域和某港口航道淤积环境下的几组水深监测实验，验证了港口航道水深检测方法的可行性。本文的研究成果为港口航道水深的实时监测提供了理论依据，具有重要的理论意义和实用价值。

至今为止，随着以双或多基地海底反射或散射理论为基础而研制的各种声呐系统在海底目标探测、识别及沉积物地质属性反演等领域的广泛应用，双基地声呐的应用研究一定会引起海洋声学工作者的关注。虽然本文在利用双基地声呐实现港口航道水深实时监测方面做了一定的工作，取得了一些成果，但由于实际航道的复杂性、多变性以及实验条件、时间、经费和水平有限，我们研究还处于初级阶段，仍有许多不足之处。还有很多问题需要我们去研究解决。

参考文献：

[1]张勋，许文海，董丽丽等。《基于GPS同步技术的双址声纳信号传输时间测量》，大连海事大学学报，2007

[2]郭熙业，苏绍璟，王跃科。《基于射线理论的海底混响建模研究》声学技术，2009

[3]侯明，许文海，李瑛，《双基地海底散射建模与仿真分析》声学技术，2010.03

[4]侯明，许文海，《基于双基地声呐的港口航道水深实时监测技术研究》 2010.04

（作者单位：台州市乾坤测绘有限公司）endprint