雙基地聲吶的港口航道水深實(shí)時監(jiān)測技術(shù)研究

楊建

摘 要：我國大陸海岸線長達(dá)18000多公里，其中淤積質(zhì)海岸占4000多公里，大多數(shù)港口都是建立在淤泥質(zhì)地的海岸之上，有部分航道具有航程較長、寬度較窄、水深有限、淤積嚴(yán)重等特點(diǎn)。因?yàn)槿狈?shí)時的水深監(jiān)測手段，并且沒有從根本上掌握泥沙流和水深變化等動態(tài)規(guī)律，所以經(jīng)常會發(fā)生因船舶裝載量過少而造成經(jīng)濟(jì)損失，或發(fā)生過裝載量過多而導(dǎo)致船舶擱淺、航道阻塞等問題。

關(guān)鍵詞：雙基地聲吶 港口航道 水深 實(shí)時監(jiān)測

雙基地聲吶的港口航道水深實(shí)時監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展背景與現(xiàn)狀和意義

我國大多數(shù)港口都是建立在淤泥質(zhì)地的海岸之上，隨著海運(yùn)事業(yè)和沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，港口泥沙回淤一直備受關(guān)注。淤泥質(zhì)地海岸岸灘平坦，泥沙顆粒較細(xì)，不利于建港，所以迫切需要在這種不利條件下興建港口。其中較為典型的是天津港和連云港。港池和航道的開挖，特別是大泊位港池和深水航道的開挖，勢必在一定程度上打破原有岸灘平衡，導(dǎo)致港池、河道出現(xiàn)泥沙回淤現(xiàn)象，外加港池、河道底部狀況隨風(fēng)浪、水流等天氣水文情況的改變而發(fā)生變化，這給船舶的安全航行帶來了威脅。

和淤泥質(zhì)海岸類似，建立在粉砂淤泥質(zhì)海岸的港口也面臨同樣的問題，其中較為典型的是黃驊港。與輕淤港相比，這類港口航道的管理與維護(hù)需要付出更多的代價(jià)與努力。由于近年來，船舶的大型化及運(yùn)載量的增大使得泥沙淤積問題更加嚴(yán)重的影響了航道的正常運(yùn)行。所以，港口的當(dāng)務(wù)之急是提高航道的通航率。

但是以前采取的人為措施都無法從根本上解決這一問題，所以需要我們找到新的解決方法更好的改善這一現(xiàn)狀。

保障船舶安全航運(yùn)和提高航運(yùn)效益的前提是水深測量。水深數(shù)據(jù)的實(shí)時掌握可以為深入了解航口航道淤積變化規(guī)律提供依據(jù)。而以前對淤積型港口航道的水深測量主要依靠機(jī)載光學(xué)設(shè)備和船載聲學(xué)設(shè)備來完成，但是這兩種手段不能及時的提供水深數(shù)據(jù)，所以并不能從根本上掌握泥沙流和水深變化的動態(tài)規(guī)律。因?yàn)檫@樣的缺陷與不足經(jīng)常會給我們的航運(yùn)事業(yè)造成損失與危害，也會給航道疏浚和挖泥船帶來許多困難。因此，研究港口航道水深實(shí)時監(jiān)測技術(shù)，及時準(zhǔn)確的掌握航道水深變化情況，對于增加船舶裝載量，減少停泊，避免擱淺，減少航道，港池的維護(hù)疏浚工作量，提高港口的通航能力和航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

雙基地聲吶的港口航道水深實(shí)時監(jiān)測技術(shù)的研究方法

雙基地聲吶的港口航道水深實(shí)時監(jiān)測技術(shù)研究方法主要包括兩方面內(nèi)容：雙基地聲吶技術(shù)研究和港口航道水深測量方法研究。

雙基地聲吶技術(shù)研究綜述：傳統(tǒng)的聲吶設(shè)備，基本上都是按單基地模式獨(dú)立工作的，人們所關(guān)心的只是聲吶本身的單程或雙程探測能力。這種類型的聲吶，由于其收發(fā)合置，聲吶在探測目標(biāo)的同時也暴露了自己，因而隱蔽性較差，極易被敵方發(fā)現(xiàn)。雙基地聲吶，其收發(fā)裝置相距一定距離，探測范圍是以聲源和接收機(jī)為焦點(diǎn)的等時橢圓。與單基地聲吶相比，這種聲納系統(tǒng)具有探測范圍大、隱蔽性能好、抗干擾能力強(qiáng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)、機(jī)動靈活、作用距離遠(yuǎn)、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，一些發(fā)達(dá)國家紛紛開展有關(guān)雙基地聲吶的課題研究，使雙基地聲吶技術(shù)成為現(xiàn)階段和未來聲吶領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

港口航道水深測量方法研究概述：早期的水深測量方法主要采用定距繩或六分儀平面定位，測量桿或測深重錘同步測深。這種方法屬于機(jī)械式測量，也是最原始的測量方法，每次只能測量一個點(diǎn)，僅適用于工程規(guī)模比較小的淺水海域，由于原始測深方法費(fèi)工、費(fèi)時，精度和效率很低，現(xiàn)在，除了在特殊底質(zhì)的內(nèi)河疏浚工程中使用外，已基本不用。為了進(jìn)一步發(fā)展海洋考察工作，急需新的、先進(jìn)的測探手段和方法。進(jìn)入二十世紀(jì)，隨著科技的迅猛發(fā)展，各種新型的水深測量方案應(yīng)運(yùn)而生，海洋水深測量方法按測量平臺所處的位置可以分為：①星載遙感器水下地形測量；②機(jī)載激光測探；③船載聲吶測探；④潛水器測探。當(dāng)前，港口航道水深測量方法主要集中在船載聲吶測探和機(jī)載激光探測，而船載聲吶測探，因其成本較低，是我國航道普查的主要手段，此外，張勛等還提出航道側(cè)面多傳感器水深測量方法。

雙基地聲吶的港口航道水深實(shí)時監(jiān)測技術(shù)研究內(nèi)容

針對目前國內(nèi)外部分港口航道航程較長、寬度較窄、水深有限、淤積嚴(yán)重而又缺乏實(shí)時的水深監(jiān)測手段這一現(xiàn)狀，結(jié)合工程項(xiàng)目展開研究，我們將對幾個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行比較深入的研究，包括高頻雙基地海底散射模型、港口河道水深實(shí)時監(jiān)測方法、單頻水聲信號的高分辨率多徑時延估計(jì)等，并在以上幾個關(guān)鍵技術(shù)的研究中給出了比較新穎的模型、方法和算法，主要研究內(nèi)容如下：

我們首先分析了課題的研究背景與現(xiàn)狀和意義，詳細(xì)介紹了目前港口航道水深測量的主要方法及實(shí)現(xiàn)水深實(shí)時監(jiān)測所存在的問題，對國內(nèi)外有關(guān)雙基地聲吶技術(shù)研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，基于上述分析，確立了論文的研究方向。

接下來我們研究了：①港口航道中的聲信道與聲傳播特性。討論了水聲信道的多徑傳播特性，建立了雙基地聲吶信號傳輸模型，深入分析了港口航道中的海洋噪聲源、噪聲普分布以及混響干擾，著重研究了淺海與其邊界條件對聲波傳播所造成的影響，并通過數(shù)值仿真分析了聲波在港口航道中的傳播衰減、反射及散射等特性。②研究了雙基地聲吶的海底散射問題。給出了一個計(jì)算高頻雙基地海底散射強(qiáng)度的“小斜率-體積”模型。針對幾種典型的海底類型進(jìn)行了數(shù)值仿真，并將得到的散射強(qiáng)度結(jié)果與經(jīng)典的APL-UW模型進(jìn)行了對比。以典型淤泥質(zhì)港口航道為例，仿真分析了淤泥質(zhì)海底散射強(qiáng)度與模型中各參數(shù)之間的關(guān)系，重點(diǎn)研究了小掠射角情況下海底的聲散射特性。③研究了港口航道水深實(shí)時監(jiān)測方法。以射線聲學(xué)理論和雙基地海底聲散射理論為基礎(chǔ)，提出了一種基于雙基地聲吶的港口航道水深實(shí)時監(jiān)測方法。利用水聲信道的多徑傳播特性，通過求解直達(dá)路徑聲信號和海底反射最短路徑聲信號的相對時延來計(jì)算港口航道的水深，給出了一種解決單頻水深信號高分辨率多徑時延估計(jì)的混合算法，仿真分析了算法的時延估計(jì)性能，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了算法的有效性。④設(shè)計(jì)并研制了一套基于雙基地聲吶實(shí)現(xiàn)港口航道水深實(shí)時監(jiān)測的實(shí)用化系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及工作過程，詳細(xì)討論了系統(tǒng)中各功能模塊參數(shù)的合理選擇及其具體的電路實(shí)現(xiàn)方式，并在室內(nèi)游泳池內(nèi)對系統(tǒng)原理樣機(jī)的性能進(jìn)行了測試。⑤利用系統(tǒng)原理樣機(jī)在大連海域某港池內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。詳細(xì)介紹了海上實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方案，給出了系統(tǒng)在大連海域環(huán)境下和某港口航道淤積環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，重點(diǎn)分析了水深監(jiān)測系統(tǒng)在不同淤積環(huán)境下和不同幾何布放關(guān)系下的總體性能，深入討論了系統(tǒng)測量誤差。

結(jié)語

港口航道淤積現(xiàn)象在世界范圍內(nèi)普遍存在，由于直接影響傳播的安全航行和航運(yùn)效益，各有關(guān)國家對此非常重視。因此本文的研究就此問題展開深入討論，從港口航道水深實(shí)時監(jiān)測技術(shù)研究的背景和意義出發(fā)，深入分析這一發(fā)展技術(shù)的現(xiàn)狀，然后針對目前港口航道水深實(shí)時監(jiān)測的需求和存在的問題，以射線聲學(xué)理論和雙基地海底聲散射理論為基礎(chǔ)，提出了一種基于雙基地聲吶的航道水深實(shí)時監(jiān)測方法，并設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)合理的水深監(jiān)測系統(tǒng)，最后通過在大連海域和某港口航道淤積環(huán)境下的幾組水深監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了港口航道水深檢測方法的可行性。本文的研究成果為港口航道水深的實(shí)時監(jiān)測提供了理論依據(jù)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

至今為止，隨著以雙或多基地海底反射或散射理論為基礎(chǔ)而研制的各種聲吶系統(tǒng)在海底目標(biāo)探測、識別及沉積物地質(zhì)屬性反演等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，雙基地聲吶的應(yīng)用研究一定會引起海洋聲學(xué)工作者的關(guān)注。雖然本文在利用雙基地聲吶實(shí)現(xiàn)港口航道水深實(shí)時監(jiān)測方面做了一定的工作，取得了一些成果，但由于實(shí)際航道的復(fù)雜性、多變性以及實(shí)驗(yàn)條件、時間、經(jīng)費(fèi)和水平有限，我們研究還處于初級階段，仍有許多不足之處。還有很多問題需要我們?nèi)パ芯拷鉀Q。

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（作者單位：臺州市乾坤測繪有限公司）endprint