一種多波束聲吶在船舶水下安檢系統(tǒng)中的應用＊

陳孟君

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

隨著國際戰(zhàn)略形勢的變化，敵對沖突模式也在不斷發(fā)展。“9.11事件”的發(fā)生，徹底改變了傳統(tǒng)意義上的恐怖襲擊方式，多元化、隱蔽性的特點日趨突出。港口、碼頭及江河水壩等是我國重要的水上交通及水利設施，來往船舶眾多。目前，該類區(qū)域雖擁有完善的陸上和水面安全檢查措施，但船舶水面以下部分的安檢手段極度匱乏?？植婪肿涌刂泼裼么昂?，一旦將水下爆炸物放置在船舶底部水下（附著在船底或拖曳在船底），就可能順利通過現(xiàn)有的水面安全檢查，對該類設施發(fā)動恐怖襲擊，引起經(jīng)濟損失、造成政治和社會影響，打擊民眾心理安全、甚至造成社會動亂。

另一方面，內(nèi)河航運有部分船舶為追求經(jīng)濟利益，超過航道維護水深標準配載航行（稱為船舶“超吃水”），當這些“超吃水”船舶冒險通過航道的淺險航段時，容易在航道內(nèi)擱淺，阻塞航道，從而影響航運暢通，危害嚴重。這些單體貨船大都是個體或民營船舶，部分船員的素質不高且信息渠道閉塞，船主常常只考慮自身經(jīng)濟利益，盲目冒險航行，這是造成“超吃水”擱淺的主要原因。另據(jù)了解，也有一些自航貨駁船為了防止因船舶碰撞或擱淺對船體造成損壞，在船舶底部安裝有護底板，主要是用于保護船舶底部的舵葉和螺旋槳。護底板大都安裝在舵葉和螺旋槳下部，并與船舶底部牢固地焊接，這些護底板一般突出船底龍骨0.4m～0.5m，結構堅固，當船舶出現(xiàn)擱淺時，這部分裝置首先擱淺，從而造成整個船體擱淺，對航道的破壞影響非常大［1～2］。

此外，船只通過船底非法夾帶或拖帶走私物品，現(xiàn)場肉眼不易發(fā)現(xiàn)，往往容易躲過海關緝私部門的檢查，給國家造成較大的經(jīng)濟損失。

鑒于此，了解并開展船舶的水下安檢方面的工作是十分有意義和必要的。

2 船舶水下安檢的發(fā)展現(xiàn)狀

對于船舶吃水檢測，目前檢測手段主要有人工檢測和自動檢測兩種。人工觀測船舶吃水線標尺讀數(shù)是人工檢測船舶吃水量的主要方式。檢測時，被測船舶需要保持相對靜止狀態(tài)，測量人員登船測量或是乘坐檢測用小艇靠近被測船舶測量。測量人員需要分別讀取被測船舶左右舷船首、中、尾共六處吃水線標尺的讀數(shù)，然后據(jù)此計算出被測船舶的實際吃水量。該測量方法有很大的局限性。一方面由于天氣，水面波動等環(huán)境因素影響，導致讀取水尺讀數(shù)時存在一定的誤差，甚至個別船舶吃水線受水力侵蝕、氧化、磨損、脫落，或泥砂、油垢污染，字符模糊后很難讀認；另一方面，測量時被測船舶需要停泊，測量時間也較長，大大影響了航道的通航效率［3～4］。

目前用于船舶吃水自動檢測的技術手段大致包括以下幾種［5］：

1）超聲波水尺和載重測量就是依據(jù)超聲波測距原理，以船體舷邊甲板為基準測量船舶吃水，通過測量超聲波回波返回的時間，根據(jù)當時當?shù)芈曀?，測得船體主甲板至水面的距離等參數(shù)，計算出吃水值；

2）壓力傳感器安裝在船舶空載吃水線的位置上，利用水壓的變化反映出水深的變化這一特性，當船舶載貨后吃水變深，根據(jù)壓力傳感器獲得的數(shù)值，經(jīng)過換算后，即可得出船舶的吃水深度；

3）電子水尺的基本工作原理是利用水的導電性，采用類似于人工觀測水位的方法，它是自上而下依次讀取每個感應觸點（即探針）的電導，在探測到探針和水面接觸的位置，探針間的電導會突變增大從而確定水位值；

4）激光水位計的測量原理類似于超聲波測量，利用光速的不變性，通過測量激光束往返的時間，間接獲得當時的水位信息。

這些檢測手段主要使用目的是船主通過對船舶自身的檢驗，了解船舶的載重量，用于計算其所獲經(jīng)濟效益。這些設備一般安裝在船體上，設備的管理及其維修與船員的能力有很大關系，其檢測效果受船體、船速的影響較大，其檢測結果的可靠性受人為因素影響。所以，從某種程度上講，這些檢測手段并不能滿足船舶監(jiān)督管理和船舶吃水控制現(xiàn)實的需要。經(jīng)文獻查詢可知，目前國內(nèi)外尚無船舶吃水動態(tài)檢測的成套系統(tǒng)設備的相關報道，但相類似的專題研究仍處于技術研究和開發(fā)階段。

另外，對于船底水下物品走私，文獻［6］提出了一種“反走私水下取證系統(tǒng)”，該系統(tǒng)主要包括安裝于緝私艇上水下機器人和探測聲吶，能夠對改裝過的船只進行識別，對船底走私物進行檢查和辨識，達到現(xiàn)場取證，打擊走私的目的。

綜上分析，由于在水中很難采用常規(guī)的光學或其它測量方法對船舶吃水及底部情況進行有效監(jiān)測，而聲探在水中是唯一有效的信息載體，為船舶水下安檢的開展帶來了可能。本文介紹一種多波束聲吶在船舶水下安檢系統(tǒng)中的應用。

3 多波束聲吶系統(tǒng)

3.1 基本原理

多波束測深聲吶又稱為條帶測深聲吶或多波束回聲測深儀，其原理是利用發(fā)射換能器基陣向海底發(fā)射寬覆蓋扇區(qū)的聲波，并由接收換能器基陣對海底回波進行窄波束接收，如圖1所示。通過發(fā)射、接收波束相交在海底與船行方向垂直的條帶區(qū)域形成數(shù)以百計的照射腳印，對這些腳印內(nèi)的反向散射信號同時進行到達時間和到達角度的估計，再進一步通過獲得的聲速剖面數(shù)據(jù)由公式計算就能得到該點的水深值。當多波束測深聲吶沿指定測線連續(xù)測量并將多條測線測量結果合理拼接后，便可得到該區(qū)域的海底地形圖［7～9］。

圖1 多波束測深原理圖

同理，如果聲吶安裝在水下朝水面發(fā)射聲波，那么當水面船只通過聲吶上方時，亦可得到船底形狀圖，從而完成對船舶的水下安檢，本文所述的多波束聲吶就是這種使用方法。

3.2 系統(tǒng)組成

多波束聲吶系統(tǒng)主要由發(fā)射換能器、接收換能器、干端聲吶接口模塊（SIM）組成，配套輔助設備包含聲速探頭和羅經(jīng)運動傳感器。

所用的是美國R2SONIC公司開發(fā)生產(chǎn)的SONIC 2024多波束聲吶系統(tǒng)。該聲吶具有在線連續(xù)調(diào)頻的能力，可以在200kHz～400kHz范圍內(nèi)實時在線選擇20多個工作頻率，沿航跡方向和垂直航跡方向波束角分別為1°和0.5°，具有256個波束，覆蓋寬度可以根據(jù)實際作業(yè)情況在10°～160°范圍內(nèi)靈活選擇，最大量程500m。聲速探頭主要用于測量系統(tǒng)工作水域的聲速，以修正水溫、壓力不均勻引起聲速的變化，以便聲吶得到更好的測量效果。羅經(jīng)運動傳感器將平臺的三維運動姿態(tài)信息輸入到綜合處理計算機，用于對聲吶數(shù)據(jù)進行補償［10］。

圖2 多波束聲吶外形圖

4 工作模式

多波束聲吶系統(tǒng)及配套的聲速探頭和羅經(jīng)運動傳感器安裝在水下平臺上，平臺布放在安檢區(qū)域航道水下一定深度，聲波朝水面發(fā)射，當受檢船只從其上方通過時，聲吶系統(tǒng)對經(jīng)過船只的水下部分進行掃描，聲吶接收到的原始數(shù)據(jù)通過復合纜實時傳送到岸上的綜合處理計算機形成窄帶圖像，并由專用圖像后處理軟件將窄帶圖像拼接成完整的船底三維圖像。

4.1 單頭工作模式

對于較窄的航道，在滿足深度的情況下，在水下只需布置單套多波束聲吶即可實現(xiàn)相應的水面覆蓋寬度，圖3為單套多波束聲吶工作示意圖。為防止受檢船只偏離聲吶掃描區(qū)域，可在航道掃描區(qū)域兩端水面各設置一個航標進行標識，以引導受檢船只準確通過聲吶掃描區(qū)域。對于航道水深合適，且水位變化不大的區(qū)域，可將多波束聲吶座底固定安裝在水下。對于航道水深較大或水位變化較大的水域，就不適合座底安裝，可通過水下浮動平臺安裝，這種水下浮動平臺既能調(diào)節(jié)工作水深，又給后期維護帶來了便利，使用水下浮動平臺安裝時，聲吶數(shù)據(jù)的處理需要羅經(jīng)運動傳感器進行姿態(tài)補償。

圖3 單頭工作示意圖

4.2 雙頭工作模式

對于較寬闊的航道，在水下布置單套多波束聲吶難以實現(xiàn)相應的水面覆蓋寬度，所以需增加多波束聲吶的數(shù)量，以增加水面覆蓋寬度。圖4為兩套多波束聲吶工作示意圖。兩套聲吶間隔一定距離同向安裝在平直的水下平臺上，確保拼圖效果，兩套聲吶設置成不同的工作頻率，避免相互干擾［11］。

圖4 雙頭工作示意圖

5 試驗結果分析

本文涉及的多波束聲吶系統(tǒng)經(jīng)過了多次湖上實船試驗驗證，試驗結果表明，由多波束聲吶掃描船底測量得出的結果與真實船只情況相符合。在船底未攜帶目標物和攜帶目標物的情況下，船只先后通過聲吶上方，分別得到圖5和圖6所示的實測船底效果圖。圖5為船只底部未攜帶任何目標物從聲吶上方完全通過時的掃描效果圖，從圖中可以看出船底比較干凈，無異物。圖6為船只底部攜帶目標物從聲吶上方完全通過時的掃描效果圖，圖中船底圓圈標記內(nèi)目標即為探測到的目標物，圖中右下角為水下相機拍攝的放置于船底的其中一個水下目標實物照片。

圖5 實船測試效果圖（船底無模擬目標）

圖6 實船測試效果圖（船底兩個模擬目標）

該多波束聲吶系統(tǒng)除了可以檢查船只整個船底情況，形成完整的船底三維圖像，實時檢測船底異物之外，還可以通過二維輪廓圖結合船底三維圖得到船只吃水信息。當然，測量結果會因為船只通過時螺旋槳噪聲及水面波浪干擾存在一定的誤差，控制船只低速通過，測量誤差大大減小，可以忽略。

6 結語

針對船舶水下安檢技術現(xiàn)狀，本文介紹了一種應用于船舶水下安檢的多波束聲吶系統(tǒng)，該系統(tǒng)可望建設成一套自動、智能、集成、高效的船底測量和報警系統(tǒng)。即當船舶通過指定位置后，該系統(tǒng)既能自動測量經(jīng)過船舶的吃水，又能測量船舶水下部分形狀，自動提取船舶的吃水深度，界定船舶吃水深度是否符合航道通行要求，對發(fā)現(xiàn)的“超吃水”船舶自動報警，同時還能發(fā)現(xiàn)船底異常，能有效檢查船底走私物品或攜帶危險品，協(xié)助海關緝私取證或海事部門船底檢查，實現(xiàn)陸上人員肉眼無法完成的安檢任務。

［1］熊木地，朱四印，李祿，等.通航船舶吃水實時檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法研究［J］.儀器儀表學報，2012，33（1）：173－179.

［2］朱四印.船舶動態(tài)吃水實時檢測與數(shù)據(jù)處理關鍵技術的研究［D］.大連：大連海事大學，2011：2－5.

［3］顧婷婷.船舶吃水檢測系統(tǒng)的設計［D］.南京：南京理工大學，2012：1－2.

［4］周達超.船舶吃水量信息采集處理系統(tǒng)的研究［D］.大連：大連海事大學，2010：2－13.

［5］蘇華.船舶吃水動態(tài)檢測方法的研究［D］.武漢：武漢理工大學，2008：1－33.

［6］彭學倫.反走私水下取證系統(tǒng)［J］.海洋技術，2004，23（2）：75－79.

［7］李海森，周天，徐超.多波束探測聲吶技術研究新進展［J］.聲學技術，2013，32（2）：73－79.

［8］劉曉，李海森，周天等.基于多子陣檢測法的多波束海底成像技術［J］.哈爾濱工程大學學報，2012，33（2）：197－202.

［9］PRESTON J.Automated acoustic seabed classification of multibeam images of Stanton Banks［J］.Applied A－coustics，2009，70（10）：1277－1287.

［10］李啟虎.進入21世紀的聲吶技術［J］.信號處理，2012，28（1）：1－11.

［11］易媛媛，陳孟君，劉棟等.船舶底部水下安全檢測裝置［P］.中國.ZL201120129649.5，2012.