浅地层剖面仪在深海搜寻中的应用

张基荧 南海救助局

随着国际海运和航空事业的发展，飞机坠毁和沉船事故发生的概率增加，马航MH370事件的发生暴露了我国在深海搜寻领域的短板，凸显出未来深海搜寻设备的重要性，深海海域的搜寻能力建设受到国家重视。深海搜寻作业中，常规侧扫声声呐和多波束等设备无法扫测到被海底淤泥掩埋的船舶和飞机残骸等目标物，为此南海救助局于2018年购置了一套搭载浅地层剖面仪（以下简称“浅剖仪”）的6000米级自主式无缆潜航器（以下简称“AUV”），浅剖仪常用于探测海底底部地层结构，根据其工作原理和AUV的作业特性，我们可以通过大范围多测线的作业方式来扫测搜寻掩埋于海底以下的目标物。

1.浅地层剖面仪的工作原理

浅剖仪发射的低频率声波，能够通过海水穿透海底后向更深处传播，不同介质的分层存在声速差和密度差，采集并处理这些发射声波就能得到具有差异的灰度剖面分界线，最后在浅剖仪上得到能够反映不同分层特征的图像。我们在进行搜寻任务时，被掩埋的目标物如飞机残骸和周围海底介质间存在强分层，AUV在执行经过目标物正上方多条测线任务后，我们将会得到多个特征明显的图像点，对这些数据进行处理和判读后最终识别出是否为目标物。

图1 浅剖仪搜寻目标物示意图

2.在深海搜寻过程中的应用

本文假设以南海某处沉船为目标做推演，现已知目标为21.3米玻璃钢材质标准拖网渔船，目标沉没区域底质未知，范围约200平方海里，区域水深在300米至500米之间，因已沉没多年，不排除被淤泥掩埋的可能性。

2.1 设备配置

母船为“南海救102”轮，设备为冰岛Gavia公司SeaRaptor 6000米级AU V,最大巡航航速为4k n，最大续航力约为400km；搭载的是Benthos公司的ChirpIII浅剖仪，频带范围1.5～8kHz,垂向分辨率大于15cm；EdgeTech2205型号的双频同步侧扫声呐以及SeaBat T50-S 型双频多波束；配置有两个15万流明闪光灯的水下照相机；导航由光纤惯性导航和多普勒计程仪组成，定位由超短基线和GPS组成。

2.2 扫测作业

为减少作业时间，对目标海域已有数据进行收集分析，包括目标区域地形地貌数据、水深和海底底质等，根据地形及底质将目标海域划分出浅剖区。

完成作业区域划分后，开展第一轮航次任务，我们首先使用侧扫声呐和多波束对整个目标海域进行搜寻，根据已有的地形数据规划合适的起始点、测线数量、测线间隔和长度，设置AUV离底高度、下潜速度、巡航航速，设置侧扫声呐和多波束的频率、扫宽和采集数据格式等参数。作业完成后对采集的图像进行判读，若发现可疑目标，则开展降低AUV作业高度并启用水下照相机的航次来确定可疑目标物。假设本次推演没有在海底表面发现目标。

完成海底表面搜寻作业后开展第二轮航次任务，我们使用浅剖仪对浅剖区进行搜寻，根据已知目标物尺寸和目标区域面积规划间隔合适、一定数量的测线，根据材质设置浅剖仪脉冲类型和脉冲功率，在搜寻前开展一条测试测线，目的是为了调整参数来使图像数据质量达到最优。以上作业需要充分考虑AUV作业时长、电池电量和布放海况等因素，以及AUV需要浮至海面通过WIFI传输数据或回收至甲板面连接控制终端下载数据的特点，我们可以将扫测测线分组进行，确定不存在可疑目标物之后再进行下一组测线，实现高效准确的搜寻。

2.3 数据采集和判读

一组测线作业完毕后，我们通过Triton软件对采集的数据回放观察并收集可疑点或强分层线段，记录这些点或线的经纬度坐标后在AUV操作软件Control Center上标记，最后对标记点形成的图像进行综合判读。当已有图像无法确定是否为目标物时，如图3所示，我们可以对高度疑似目标区域进行补充扫测作业，减小测线间距或调整测线方向来进行精细搜寻，最终确定目标物。

图2 作业区域划分

图3 疑似目标

3.发展趋势

利用浅剖仪进行搜寻目标物作业时，采集的数据质量影响操作人员对图像的判读，从而影响整体搜寻作业效率和时长。目前常规浅剖技术有Chirp浅剖仪和参量阵浅剖仪，利用它们采集的数据为二维图像且分辨率有限，在搜寻体积较小的目标物时会出现确认可疑目标的额外布放航次，增加整体作业时间的情况。目前浅剖技术向着合成孔径方向发展，技术成熟后能够大大提高分辨率；部分厂家发布了三维浅剖仪产品，如SES-2000 quattro三维参量阵浅剖仪和SBI三维Chirp浅剖仪，根据采集的三维图像能够更准确地对目标物进行判读。

4.结束语

海上安全事故发生的概率随着海洋资源开发和航空航运事业发展不断增加，海上搜寻能力建设逐渐受到各方重视。浅地层剖面仪的工作原理和优点使其在搜寻海底掩埋的目标物上能够发挥巨大作用，配合自主式无缆潜航器作业拥有不俗的搜寻效率，未来合成孔径技术和三维浅剖仪的发展能改善图像数据分辨率低和小目标物判读难的情况。