淺析側(cè)掃聲吶與多波束測深系統(tǒng)在珠海青洲快船航道“粵江城漁運(yùn)85109”沉船應(yīng)急掃測中的應(yīng)用

◎ 賴培偉 張莉莉 廣州海事測繪中心

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淺析側(cè)掃聲吶與多波束測深系統(tǒng)在珠海青洲快船航道“粵江城漁運(yùn)85109”沉船應(yīng)急掃測中的應(yīng)用

◎ 賴培偉 張莉莉 廣州海事測繪中心

摘 要：廣州海事測繪中心利用SIS-1624型側(cè)掃聲吶和Reson Sea Bat 7125多波束測深系統(tǒng)對沉船失事海域進(jìn)行了掃海測量。本文介紹了這兩種設(shè)備在對沉船應(yīng)急掃測中發(fā)揮的重要作用和取得的一些經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：掃海測量 側(cè)掃聲吶 多波束 沉船 應(yīng)急掃測

1.概述

2015年10月14日14：00時，廣州海事測繪中心接廣東海事局應(yīng)急任務(wù)通知書：10月11日15：00時左右，木質(zhì)漁船“粵江城漁運(yùn)85109”輪在概位22-11.576N，113-45.04E處沉沒，據(jù)現(xiàn)場搜尋人員反饋，沉船處于漂移狀態(tài)；至14日12：00時，珠海漁政船仍未搜尋到沉船，經(jīng)協(xié)調(diào)南海預(yù)報(bào)中心對沉船漂移路徑進(jìn)行推算，需對沉船進(jìn)行掃測（漂移路徑推算以供參考），以確保珠海至香港高速客船通航安全。

經(jīng)與廣東海事局值班室和珠海海事局值班室溝通協(xié)調(diào)，對沉船預(yù)測漂移路徑所經(jīng)青洲快船分隔航道以下四點(diǎn)連線范圍內(nèi)水域進(jìn)行掃測：

A∶22-11.81N，113-42.37E

B∶22-12.80N，113-45.94E

C∶22-10.92N，113-45.94E

D∶22-10.72N，113-42.55E

掃測范圍內(nèi)平均水深在6m左右，過往船只特別是快船較多，給掃海測量帶來不小的難度。在本次沉船應(yīng)急掃海測量中，我們主要采用了以下設(shè)備：

（1）側(cè)掃聲吶為美國Benthos公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的SIS-1624型，采用先進(jìn)的Chirp技術(shù)進(jìn)行長距離掃描和短距離分辨率的CW脈沖兩種技術(shù)的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)。該設(shè)備保證用戶可以在不同距離都能獲得高分辨率的側(cè)掃圖像。而且系統(tǒng)拖魚內(nèi)置了姿態(tài)傳感器，以很好的補(bǔ)償由于拖魚的姿態(tài)造成的數(shù)據(jù)質(zhì)量下降問題。

主要技術(shù)指標(biāo)：

側(cè)掃聲吶

掃描范圍： 每個通道25至500米

頻率范圍：

Chirp頻率：110-130Khz，370-390Khz

CW頻率： 123 Khz和382Khz

標(biāo)配傳感器

顛簸和搖擺： 范圍：± 20度

精度：± 0.2度

分辨率：0.1度

航向： 范圍：0至360度

分辨率：0.1度

（2）Reson Sea Bat 7125型多波束測深系統(tǒng)為丹麥Reson公司最新應(yīng)用于500米以內(nèi)的淺水型雙頻高分辨率多波束測深系統(tǒng)。該系統(tǒng)換能器采用T型設(shè)計(jì)，安裝方便簡單，既能永久船底安裝，也能臨時性的側(cè)舷便攜式固定安裝，或ROV和AUV集成固定安裝。

工作深度：0-500m

頻率：200kHz or 400kHz

發(fā)射波束寬：1°（±0.2°）a t 400kHz，2.2°（±0.5°） at 200kHz

接收波束寬：0.54°（±0.03°） at 400kHz，1.1°（±0.05°） at 200kHz

最大ping率：50Hz（±1Hz）

脈長：33μsec到300μsec

波數(shù)：可同時發(fā)射512道波束

最大發(fā)射開角：165°

水深分辨率：6mm

（3）Trimble DGPS定位系統(tǒng)。定位設(shè)備選用美國Trimble公司生產(chǎn)的SPS351型信標(biāo)機(jī)，其標(biāo)稱定位精度≤±1.0米。

技術(shù)參數(shù)：

常規(guī)：12通道，并行跟蹤，載波相位平滑L1C/A碼

更新率：1，2，5，10Hz

差分速度精度：5.6cm/s（0.16km/h）

差分位置精度：＜1m（RMS水平）NMEA信息：ALM，GGA，GLL，GSA，VTG，ZDA，RMC，MSS。

2.掃海測量過程

2.1側(cè)掃聲吶和多波束測深系統(tǒng)的特點(diǎn)

多波束測深系統(tǒng)與側(cè)掃聲吶都是實(shí)現(xiàn)海底全覆蓋掃測的水聲設(shè)備，都能夠獲得幾倍于水深的覆蓋范圍。它們具有相似的工作原理，以一定的角度傾斜向海底發(fā)射聲波脈沖，接收海底反向散射回波，從海底反向散射回波中提取所需要的海底幾何信息。由于接收波束形式的不同以及對所接收回波信號處理方式的不同，多波束測深儀通過接收波束形成技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)空間精確定向，利用回波信號的某些特征參量進(jìn)行回波時延檢測以確定回波往返時間，從而確定斜距以獲取精確的水深數(shù)據(jù)，繪制出海底地形圖。側(cè)掃聲吶只是實(shí)現(xiàn)了波束空間的粗略定向，依照回波信號在海底反向散射時間的自然順序檢測并記錄回波信號的幅度能量，僅僅顯示海底目標(biāo)的相對回波強(qiáng)度信息，獲得海底地貌聲像圖。

圖1　側(cè)掃聲吶沉船圖像

2.2側(cè)掃聲吶掃海

使用側(cè)掃聲吶對失事沉船事故水域進(jìn)行全覆蓋掃測，聲吶采用尾拖方式，拖纜長度10米。沿著東西走向布設(shè)測線，測線間隔180米，聲吶量程（單側(cè)）100米，保證聲吶聲波在兩條測線之間區(qū)域100%重疊，保障不遺漏目標(biāo)。探測時聲吶高低頻同時發(fā)射的模式，保證獲取最佳圖像效果。發(fā)現(xiàn)可疑物體時變換測線方向，使聲吶從不同方向探測目標(biāo)，最終獲取目標(biāo)物體不同方向的影像。

經(jīng)過側(cè)掃聲吶系統(tǒng)對預(yù)定范圍水域進(jìn)行全覆蓋式掃測，經(jīng)過詳細(xì)的影像分析判斷，發(fā)現(xiàn)一艘可疑沉船目標(biāo) 如圖1側(cè)掃聲吶沉船圖像所示?？梢沙链鴺?biāo)：B∶22°11′55.1149″N L∶113°43′27.2649″E。

2.3多波束掃海

根據(jù)側(cè)掃聲吶掃海的結(jié)果，使用多波束對可疑沉船目標(biāo)進(jìn)行了兩個方向掃測，測線間隔為15米。多波束數(shù)據(jù)采集采用Qinsy 8.0系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理采用Caris軟件的HIPS模塊進(jìn)行，在線模式下主要是對數(shù)據(jù)采集軟件采集來的各傳感器數(shù)據(jù)（XTF格式）進(jìn)行處理，對水深數(shù)據(jù)設(shè)定各項(xiàng)合理的過濾參數(shù)刪除大部分的假信號，處理的順序是：①對船姿數(shù)據(jù)與水深數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，刪除質(zhì)量不好的數(shù)據(jù)。②對水深數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正。③對數(shù)據(jù)進(jìn)行潮位改正。④對數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，產(chǎn)生位置及深度。在塊模式下是對線模式里的數(shù)據(jù)合并后產(chǎn)生的水深及位置進(jìn)行精過濾，對兩條相鄰測線重覆蓋的地方的多余觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，刪除，以保留高精度的水深數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)生成水深圖（如圖2所示），在 CARIS 3D 模塊中按輸出的水深數(shù)據(jù)插值建立 DTM，生成三維立體圖（如圖3所示）。

圖2　多波束水深圖

圖3　多波束三維立體圖

由水深成圖可以判斷出，該沉船目標(biāo)比海底高出約1m，沉船目標(biāo)的最淺水深為4.9m，精準(zhǔn)坐標(biāo)為 22°11′55. 3477"N ，113°43′27.0331"E。

3.掃海測量的結(jié)果與分析

（1）以側(cè)掃聲吶結(jié)合多波束測深系統(tǒng)同時進(jìn)行掃測可大幅提高搜尋能力和數(shù)據(jù)可靠性。首先用側(cè)掃聲吶進(jìn)行大面積的搜尋，發(fā)現(xiàn)可疑沉船目標(biāo)概位后，然后利用多波束進(jìn)行多個方向的加密測量，確定沉船的精準(zhǔn)的坐標(biāo)和最淺水深。

（2）利用側(cè)掃聲吶和多波束測深系統(tǒng)在海底目標(biāo)探測中的特點(diǎn)，合理安排掃測順序即能發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了各自的缺陷。側(cè)掃聲吶分辨率相對較高，能夠識別出相對較小的海底目標(biāo)，能夠更加詳細(xì)地反映出海底真實(shí)的地形地貌，能夠更加清晰地分辨出海底目標(biāo)的輪廓或形狀，側(cè)掃聲吶換能器的水平開角相對較大，掃測范圍更加寬，能夠更快速搜尋海底特殊地物，尤其是在水深較淺海域應(yīng)急掃測中優(yōu)勢更加明顯；而多波束測深系統(tǒng)不能直觀地分辨出深度變化不明顯的海底目標(biāo)輪廓，但可以更加準(zhǔn)確地反映深度變化較大海底目標(biāo)的最淺點(diǎn)和精準(zhǔn)位置，可以通過建立 DTM/DEM更加形象反映目標(biāo)的狀態(tài)。多波束的掃寬能力與水深有關(guān)，如本次掃海測量中 Reson Sea Bat 7125有效覆蓋寬度僅約 3.5 倍水深（測線間隔15米），搜尋能力明顯弱于側(cè)掃聲吶（測線間隔180米）。因此，在大面積的掃海測量中多種設(shè)備的綜合應(yīng)用具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，可以大大提高應(yīng)急掃測的效率和質(zhì)量。

（3）隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，多種掃海設(shè)備在失事沉船、集裝箱搜尋和沉船打撈中的綜合應(yīng)用將是大趨勢，將逐漸取代了過去單一的探測手段。

（4）海事沉船應(yīng)急掃測工作時間緊，任務(wù)急，要求高，需要我們科學(xué)應(yīng)用多種掃海設(shè)備，發(fā)揮各種設(shè)備的優(yōu)勢，提高掃測效率，為海事部門決策提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)資料，為海上交通安全提供有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

［1］董慶亮，歐陽永忠，陳岳英，韓文華，曹建波.側(cè)掃聲納和多波束測深系統(tǒng)組合探測海底目標(biāo).海洋測繪. 2009年9月第29卷第5期：51-53.

［2］王久，周健.側(cè)掃聲納和多波束系統(tǒng)在失事沉船掃測中的綜合應(yīng)用.中國水運(yùn).2010年8月第10卷第8期：35-37.