声纳系统在海底障碍物探测中的应用研究

赵阳

摘 要：随着海洋经济的迅速发展，海域使用开发活动日益频繁。该文以平台就位为例，在平台就位前，对该平台周围进行了地貌及海底障碍物状况调查，并为潜水探摸提供障碍物定位。采用GPS定位系统、单波束系统和侧扫声纳系统组合进行扫海测量，以提高声图中海底平台附近的障碍物定位精度。

关键词：声纳系统 海底 障碍物 探测

中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（c）-0079-02

现有的沉船探测步骤为：（1）走访沉船海区所属辖区的海事部门收集资料，按照年代和区域进行分类；（2）以给定的概位为中心划出2 km×2 km的区域先用侧扫声纳进行扫测；（3）若侧扫声纳探测到目标，根据声图像量出沉船的位置、大小和高度，再用多波束在侧扫声纳探明的目标周围测量水深，测出最浅点水深并绘制一定比例尺的水深图，水深测量期间设置临时验潮站用于水位改正；（4）综合分析多波束水深数据和侧扫声图像，并用多波束最浅点修正沉船位置坐标；（5）若侧扫声纳扫测未发现沉船目标，则扩大扫测范围至4 km×4 km，发现目标后用多波束进行水深测量，若仍然没有发现，可用磁力仪进行探测，磁力数据有异常，说明沉船已淤于泥下。若磁力数据无异常，说明沉船未在给定区域或已清除。相对来说，对于疑存雷区和未爆炸弹探测手段很少，现在最有效的手段是磁法探测，用磁力仪定深探明水雷和未爆物的位置，但磁法探测要求高、效率低、探测区域大，只能逐年分块进行探测。

1 仪器工作原理和技术要求

1.1 侧扫声纳工作原理

侧扫声纳利用换能器向船航行方向两侧发射具有一定指向性的高频声波束，声波束照射到左右两侧一定宽度范围内的海底表面，声波触及海底表面上的地物产生返向的散射声波，从声图像中检出海底表面上的地物性质、大小、高度。侧扫声纳拖曳式测量拖鱼远离工作船，可大大降低干扰噪声，工作稳定，不受船体俯仰摇摆影响，传播条件良好。用侧扫声纳探测作业效率高，声图像反映沉船直观，容易判断，是探测沉船的首选方法。

1.2 技术要求

探测时要遵守以下技术要求。

测线布设：测线布设要全覆盖。

航速：测船的航速不超过6 kn，测量时尽量保持匀速直线行驶。

海况：风速5级以下，波浪轻浪。风浪大时侧扫声纳拖鱼在水中起伏，影响声图像质量，同时水体噪声增强。

定位精度：使用高精度的DGPS。

拖鱼高度：拖鱼离海底的高度控制在侧扫量程的10%～15%。

量程：一般粗扫测用150 m量程档，精扫测用75 m量程档。

加密测量：对探测目标不少于2个取向加密，可以减少目标位置中误差，提高沉船位置精度，加密测量时测船航速控制在2～3 kn，以增加探测目标的声图像素。

2 侧扫声纳系统拖鱼的精确定位

侧扫声纳的扫海测量涉及以下几个坐标系统：拖鱼坐标系、船体坐标系、测量坐标系。简述如下。

（1）拖鱼坐标系是以拖鱼中心为坐标原点，拖鱼前进方向为x轴，以垂直向下为y轴。（2）船体坐标系主要是以船体中心或GPS定位点为坐标原点，船艏方向为x轴方向，垂直于船体方向为y轴方向（右舷为正），垂直向下为z轴方向，组成右手坐标系。船体坐标系主要是利用船舶导航定位系统确定拖体的坐标。测量时需要有船舶艏向和GPS点与拖体之间的相对位置关系。（3）测量坐标系是海洋施工定位测量，一般情况下使用WGS84坐标系或1954北京坐标系。如果测量范围不大，可以采用三参数法进行坐标转换，如果范围较大，则需要七参数。如果需要更高精度的定位，可以采用GPS RTK的定位模式。在侧扫声纳扫海测量中，一般认为海底平坦，且拖鱼位于测船正后方。基于这两点假设，可采用单波束测深信息确定拖鱼位置，使障碍物精确定位成为可能，如图1所示。

3 测线的技术设计

根据调查目的，为保证调查区域侧扫声纳全覆盖，此次调查过程中分别布设东西向和南北向侧线。其中东西向按照靠近平台处按照10 m间距布设，远离平台区按20 m间距布设。南北向按100 m间距布设了两条检查线。调查中，尽量保持TVG不变，以保证图像的灰度一致，每条测线图像清晰。高低频单侧量程均使用100 m，保证海底全覆盖调查。航行时实际测线偏移没有超过设计间隔的20%，航速保持稳定，船速5 kn左右。资料采集过程中解释人员进行现场解释，发现如洼地、障碍物为特殊地貌地物时，现场分析判断，做出是否进一步探测的决定，并做好记录。采用Discover软件回放现场采集的地貌数据，提取平台桩腿、管线和钻井平台遗留洼地实际坐标以及海底可疑物坐标和尺寸，并对侧扫声纳数据进行偏移量改正、倾斜改正、TVG调节等必要的处理，计算海底可疑物体准确位置。

4 应用实例分析

该文结合某工程实践——平台障碍物调查工程，调查宽80 m、长100 m范围的某平台预就位区域内，是否有影响平台就位的海底障碍物。主要仪器有DSM232GPS/信标接收机（Trimble）、HY1600型精密回声测深仪和EdgeTech 4200-FS双频侧扫声纳系统。利用Hypack_MAX软件，依据测深记录模拟打印卷，对数字化采集的水深值进行检查比对。在比对水深时，对因受风浪影响测深回波信号呈波浪状时的水深值从距波峰1/3波峰波谷之差处量取，水深摘录精确至0.1 m。水深摘录完毕后，进行主测线与检查测线的水深比对，两测线相交处水深差值为0～0.1 m，符合规范要求。100%的检查完毕确定无误后进行水位改正。此次测量过程中，水位采用预报潮位，然后输出成图。

表1为平台角点坐标，表2为钻井船遗留洼地中心坐标。表3为障碍物的中心坐标。根据侧扫声纳扫海设备对平台北侧100 m×80 m范围进行的水深测量和地貌调查，发现洼地9个，明显障碍物1个。洼地1、洼地2、洼地3紧靠平台；其宽度分别为24.5 m、26.2 m、33.1 m；其深度分别为0.9 m、0.9 m、0.6 m。洼地4～洼地9离QK172E平台较远，其中洼地4、洼地5与洼地6紧密相连，洼地7与洼地8也相互连接，估计为以前施工痕迹；各个洼地宽度分别为33.2 m、27.3 m、20.8 m、25.8 m、35.7 m、25.3 m；各个洼地深度分别为0.7 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.7 m、0.6 m。障碍物位于洼地1中，其图像显示为一个点状物体，突出海底约1.3 m。经过潜水探摸后，确定为一堆废弃渔网。

5 结语

侧扫声纳系统在扫海测量时，能够给出高分辨率的声强信息，但其位置信息精度低。该文采用GPS定位系统、单波束系统和侧扫声纳系统组合进行扫海测量，可提高拖鱼的位置推算精度，改善以往单一侧扫系统目标位置精度低的问题。结果表明了该方法对海底目标物扫测有较高的适用性，有效提高目标位置精度。

参考文献

[1] 赵建虎.现代海洋测绘[M].武汉：武汉大学出版社，2007.

[2] 叶久长，刘家伟.海道测量学[M].北京：海潮出版社，1993.