高分辨率多波束测深系统在长江口河底目标物探测中的应用

付五洲　舒国栋　李涛　陆彬

摘要：多波束测深系统分辨率高、覆盖范围较大，广泛应用于航道维护、工程施工、水下目标物探测中。通过采用Reson SeaBat 7125 SV2多波束测深系统对长江太仓段河道进行扫测，能够精准定位沉船、集装箱、机器吊臂的位置以及其形态，能够识别小尺寸（3.5mx3.5m）的构筑物，可为救助打捞提供科学指导。结果表明，多波束系统可为河道应急抢险、小尺寸目标物探测以及形态分析提供精准数据。

关键词：高分辨率多波束测深系统;河道扫描;小尺寸目标探测;河道应急抢险;长江太仓段

中图法分类号：U675.4

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.10.003

多波束测深系统是一种条带式测深系统，是当前进行水下地形测量最先进的技术之一，具有覆盖范围广、精度高、自动化、效率高的特点。随着电子技术、新材料、新工艺的飞速发展，多波束测深系统朝着小型化、集成化发展，突破了传统单波束测深的局限，能够高效获取水下面状数据，从而实现由“点”向“面”的跨越[1-3]。

随着我国经济的快速发展，内河航运需求愈来愈大，航道日益繁忙，船舶总吨位逐渐增大，船舶的通航安全得到高度重视。长江口内河航道具有流速多变、水位变化大、河道弯曲、河床地形复杂、含沙量高的特点，遇到应急情况时，需要快速、准确地探测碍航物的位置、形态等，以便快速打捞，确保通航安全[4-5]。

常用碍航物探测方法是侧扫声呐，但因其以平面影像方式呈现，只能对河床地貌做描述性区分，无法有效辨别碍航物的形态，而多波束测深系统不仅能够获取平面位置，还能够通过测深点云对河底进行三维成像，并实现三维可视化，更加直观地确定碍航物属性及形态[6]。

1 多波束测深原理

多波束测深系统主要由发射基阵、接收基阵和数据处理器组成，发射基阵多与接收基阵垂直，发射基阵平行于船纵向排列，接收基阵沿船横向排列[7]。

图1为多波束测深系统工作原理示意图。通过换能器发射和接收信号分别在某一方向上形成较小的方向角，而在垂直的另一方向形成较宽的方向角，不停地发射与接收信号[8-9]。在测深原理上，多波束测深系统分为束控法和相干法[10]。

1.1 束控法

束控法是指接收基阵对发射波束进行定向接收，通过对回波信号的检测，记录反射波束传播的时间t和已知声路角θ，其各声路角对应的各测点示意见图2。

在忽略波束射线弯曲的条件下，各波束测点的水深Di和距离中心点的水平距离Xi公式为式中，C为声波在水中平均传播速度;t为传播时间;θ为声路角。

束控法易受已知声路角数量制约，声路角越多，换能器阵列越大，当前最多为512个波束接收阵列。

1.2 相干法

相干法又称虚拟波束，是指多波束换能器在进行一次短脉冲水底扫描后，反射的回波信号被换能器的接收阵列按照一定的相位差接收。根据相干原理，换能器的固定相位差和反射波束声路角存在固定关系，从而计算出声路角大小，再结合公式（1），可计算测点水深及偏置[11]。

多波束测深系统关键技术在于斜距和声路角两个变量的计算。通过计算两个变量能获得垂直方向波束覆盖范围内的水深值，快速测出沿航迹线方向一定范围内水下目标尺寸。

2 Reson SeaBat 7125多波束测深系统工作方式

丹麦Reson SeaBat 7125 SV2多波束测深系统属于中水深双频高分辨率多波束系统，采用传统的束控法工作原理，接收阵列可接收512个波束。其主要通过7-P高性能声呐处理器，运用FPGA技术实现专业数据和信号处理[12]，其具体参数见表1。

Reson SeaBat 7125多波束测深系统获取精确地水下点云数据，还需要一些外部传感器（如GNSS、姿态传感器、表面声速仪、声速剖面仪），以及数据采集及处理软件PDS2000。SeaBat 7125多波束测深系统在野外安装和數据后处理中拥有一套严格的流程，以保障数据质量。

换能器常采用舷侧安装，一般安装在距船首1/3处，可减小船体震动和噪声对仪器的影响。通过外部GNSS提供定位信息和lpps进行时钟同步，外部Octans光纤罗经提供横摇/纵摇/艏摇0.10，涌浪5cm的动态精度数据，实时修正多波束姿态，保证发射和接收在同一基准;多波束校准的横摇、纵摇、艏向直接决定着数据质量，数据后处理通过吃水改正、潮位改正、声速剖面改正，最终获得一定基面下水深值。

3 应用实例

长江太仓段呈现上游窄、下游宽的格局，整个河势呈喇叭型，航道水深约15m，底质组成主要由粉质黏土、细砂和粉砂。该区域码头密布、航道繁忙，散落的水下构筑物为安全通航埋下了隐患。该区段内时有沉船、集装箱落水等事故发生，可使用ResonSeaBat 7125 SV2多波束测深系统进行应急处理。

3.1 沉船

在某次货船碰撞中，其中一艘货船沉没，船长53.6 m，宽15 m，通过扫测发现沉船位置，具体见图3。沉船处水深约22 m，沉船形态为正面朝上，能够清晰判别船头船尾及货仓位置，货仓内货物清晰可见;沉船后最浅区域深13 m，对通航造成潜在安全风险。通过多波束测量，精确地确定沉船位置及形态，为船体打捞工作提供依据。

3.2 集装箱

在某次货轮倾覆中，集装箱散落江中，集装箱尺寸为5.8 mx2.3 mx2.3 m，均为钢性结构。通过多波束测深系统扫测精确定位，具体见图4。集装箱具有强烈的反向散射特性，且强于底质[13]，在天然的河床上呈现一个规则矩形凸起，有助于快速对其位置进行判别和实施打捞。

3.3 机器吊臂

在江苏省太仓市石化码头前沿扫测中，发现一散落已久的机械吊臂，水深7m，经多波束扫测，结果见图5。从图中可清晰看到吊臂形状，且吊臂部分与淤泥融为一体，吊臂两端对水流有一定影响，形成两个小冲刷坑。

3.4 混凝土构筑物

在江苏省太仓市武港码头内侧，水深4m处，发现一个3.5 mx3.5 m混凝土方块，轮廓清晰可见，具体见图6。

4 结论与建议

本文结合多波束测深技术全覆盖、高精度的特点展开，多波束系统能够高效、精确地显示河底三维地貌，通过一定的人工干预，可对河底地物的属性、形态进行精准判别。

（1） SeaBat7125 SV2型多波束测深系统能够在浅水区域得到较好的回波信号，如混凝土构筑物的扫测清晰可见。

（2）多波束测深系统分辨率高，能够清晰地扫测出小尺寸目标，为应急监测提供有效的技术支撑，如扫测散落的集装箱。

（3）粉质黏土、细砂、粉砂底质具有较强的反向散射特性，而铁质物品的反向散射更强烈，能够被区分辨别。

多波束测深系统发展至今，已成为水下地貌测量的重要方式，但仍有许多问题需要深入研究，如姿态自校准及多波束数据后处理自动化，噪声滤波去除等。

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（编辑：唐湘茜）