侧扫声呐在应急测量中的应用——以“穗富航628”轮落水集装箱搜寻为例

徐礼鹏（南海航海保障中心广州海事测绘中心，广东 广州 510320）

一、引言

伴随着微电子技术、计算机技术和数字信号处理技术的飞速发展，上世纪60年代英国海洋研究所研制出第一个实用型侧扫声呐，现已演变成以计算机软硬件一体化为基础，将声呐数据采集、处理、存储和图像显示综合集成的现代侧扫声呐探测系统[1-4]。现代侧扫声呐系统具有高分辨率、图像清晰、操作便捷、工作稳定等优点，目前已在海底目标探测，尤其是在海底礁石、沉船、管道、电缆以及各种水下目标探测方面得到成熟的应用。董庆亮、王久、赖培伟等人利用侧扫声呐系统的高分辨率成像，有效增强海底地形地貌，在海底沉船和飞机残骸的搜寻工作中取得较好的探测效果[5-7]；库安邦则在海底管道检测工程中利用侧扫声呐系统技术进行了相关研究[8]；为探知施工区水下障碍物情况和海底状况，张兴强等人通过水声定位学原理的侧扫声呐技术全覆盖扫测施工区海域，准确获取海底信息，能够有效指导海上风电场施工[9]。将回声测深原理和高分辨率成像结合在一起的侧扫声呐系统能够清晰探测海底地形地貌和水下物体，给海上应急测量带来极大便利，是沉船和落水集装箱等海上搜寻应急测量工作的首选搜寻利器。

2021年11月8日凌晨，从中国香港开往佛山的货轮“穗富航628”轮在航经深圳矾石水道水域时，突发机舱进水，导致货轮沉没。船上67个集装箱货柜落水，漂浮及沉没在珠江口内伶仃水域，给深圳西部辖区海域船舶航行带来安全隐患，粤港澳多条高速客运航线被迫停航，深圳港港口作业存在安全隐患。深圳海事局商请南海航海保障中心广州海事测绘中心派遣应急扫测力量前往事发水域开展紧急扫测工作，确定沉船及集装箱沉没位置，保障水上交通安全。

二、技术路线

（一）侧扫声呐系统组成

侧扫声呐是通过侧方发射声波来探测水体、海底声学结构和介质性质的仪器设备[4]。侧扫声呐系统由数据显示和记录单元、数据传输和拖曳电缆、水下声波发射和接收换能器三大部分组成。如图1所示。

（二）侧扫声呐工作原理

侧扫声纳系统主要是利用海底表面物质背散射特征的差异来判断目标物的沉积属性或形态特征。回波信号较强的目标图像较黑，声波照射不到的区域图像显示色调偏淡，根据影区显示长度可以估算扫侧目标的高度。侧扫声呐工作时向两侧发送宽角度（垂直方向）声波波束，单侧每个条带探测宽度能够达到数十米至数百米，通过接收海底返回的背散射数据对海底进行成像，通过声呐数据处理软件实时呈现海底地形地貌，是否有碍航物和海底底质类型等信息。用户根据不同探测目的，从1 kHz到1 MHz选择不同频率的发射波束进行目标物的探测工作[9]。较低的工作频率可以有较大的探测距离，而较高的工作频率能在有限长度的传感器尺寸下得到高的角度分辨力。一般100 kHz左右的声呐作用距离可达600 m，500 kHz左右的声呐工作距离为150 m左右。

侧扫声呐系统有如下特点：一是测量效率高，满足应急测量要求。扫宽可达10倍多水深，在浅水区域测量，能够大大提高测量效率，减少工作时间与成本。二是测量结果准确率高。侧扫声呐数据获取便捷，影像识别能力好，所见即所得，能够区分目标物底质特征，采集的数据不仅精度高，而且影像随时回放、实时查看。三是简便易操作。侧扫声呐系统组成简洁，只需主机和定位系统即可进行扫测，同时其供电可选用蓄电池或者220 V交流电，不仅可以进行拖曳式测量，也可以固定安装在大型船只、小渔船、皮筏艇等任何船体上进行测量工作。

三、“穗富航628”轮落水集装箱搜寻事例

（一）作业流程

为搜寻散落各处的集装箱，尽快排除深圳西部海域的海上交通安全隐患，应急扫测工作严格遵循安全、快速、科学、准确的原则，应急人员依据《沿海通航水域应急扫海测量管理办法》的要求，第一时间掌握事故沉船位置、报警时间、沉没时间、航速、航向等基本信息，同时结合事发当时海上风速、风向、能见度、海水流向、流速等气象条件，及时获取事发海域水深、潮流、海底地貌、已（疑）存障碍物情况等地理信息，为应急扫测方案的制定提供科学依据。

通过“穗富航628”轮沉船位置，分析研判落水集装箱漂移路线，按照沿海通航水域应急扫测技术要求[10]，一方面确保重要航道及港口优先安全通航，另一方面根据集装箱漂移路径进行科学预判，科学制定扫测方案，集中力量在可能性最大的区域进行扫海作业。此次扫测将水域划分为A、B、C三大区域（如图2所示），分布在深圳海事局珠江口管辖水域，包含矾石水道、大铲水道、铜鼓水道、龙鼓西水道、福永至香港的高速客轮船航线水域、内伶仃岛南北水域。扫测水域长约38 km，宽约12 km，扫测面积约380 km2。按照侧扫声呐测量技术要求[11]，测量人员完成扫测船导航仪器、侧扫声呐设备安装、调试和校准等测前工作准备，为扫测工作的顺利开展提供支撑。应急测量系统组成如图3所示，侧扫声呐系统作业流程如图4所示。

图2 扫测区域及范围

图3 应急测量系统组成

图4 扫测作业流程

四、结语

“穗富航628”轮应急扫测工作中，广州海事测绘中心派出3个应急小组，历时12个昼夜，共完成3 739 km的扫测里程，扫测面积达380 km2，共搜寻到45个落水集装箱，既往历史沉船74艘，通过扫测迅速掌握事故水域水下地形概况，避免发生次生事故，保障来往船舶通航安全。

应急扫测时间紧、任务重、要求高，对参与应急扫测人员的技术和设备的选取都有更高的要求。实践证明，使用先进的侧扫声呐系统搜寻落水集装箱，工作效率高、工期短，预期效果较好，也为海事测绘部门今后科学制定应急扫测方案，快速高效应对海上交通安全事故应急扫测工作提供参考和借鉴。

（二）落水集装箱判读

应急测量采取传统电缆拖曳拖鱼的作业方式，保持船速匀速前行，确保拖鱼姿态更加稳定。在侧扫声呐数据采集过程中，通过侧扫声呐系统综合管理软件进行测线布设和导航、声呐影像显示、轨迹跟踪和区域覆盖、结合数据采集记录和回放、障碍物目标识别和判读，确认海底障碍物是否为落水集装箱。通常，侧扫声呐信号遇到集装箱会返回强反射信号，声波无法穿透的地方则形成阴影部分[12]，可以利用软件实时影像精确量取强反射物体的长、宽、高，从而辅助作业人员精确判断目标物的尺寸。考虑到侧扫声呐会受姿态、扫测方向、扫测速度等因素影响，影像会产生变形，扫测过程中发现疑似目标物，可以多方向、多次反复对疑似目标物进行扫测确认，提高测量结果准确率。如图5、图6所示。

图5 多方向判读疑似落水集装箱影像

图6 疑似落水集装箱变形影像