基于超短基線的側(cè)掃聲吶水下目標(biāo)定位技術(shù)

楊立文，焦永強，徐健

（1.中交第三航務(wù)工程局第二工程有限公司，上海 200122；2.上海達華測繪有限公司，上海 200136）

基于超短基線的側(cè)掃聲吶水下目標(biāo)定位技術(shù)

楊立文1，焦永強2，徐健2

（1.中交第三航務(wù)工程局第二工程有限公司，上海 200122；2.上海達華測繪有限公司，上海 200136）

側(cè)掃聲吶測量技術(shù)是探測、搜尋水下目標(biāo)的最有效的手段之一，在許多海洋工程、海事保障項目中都用到側(cè)掃聲吶測量技術(shù)。然而，因其拖曳式的測量工藝特點，無法對所探測到的水下目標(biāo)進行精確的測量定位。實際作業(yè)時，往往需要通過采用多方向探測并輔以其它手段來確定水下目標(biāo)的準(zhǔn)確位置，降低了水下目標(biāo)的探測效率。文中提出采用側(cè)掃聲吶與超短基線相結(jié)合的方式進行水下目標(biāo)的探測方法，不但能夠有效提高水下目標(biāo)的測量定位精度，而且可以大大提高側(cè)掃作業(yè)效率、降低作業(yè)成本，實用性強。

側(cè)掃聲吶；超短基線；目標(biāo)；定位；測量

0 引言

在許多海洋工程、海事搜救、海洋勘察等項目中，往往需要利用側(cè)掃聲吶對目標(biāo)水域進行工前掃海測量、水下目標(biāo)的探測，為后期的施工展布、目標(biāo)打撈及清除提供準(zhǔn)確的位置信息。然而，側(cè)掃聲吶的測量作業(yè)方式常采用拖曳式，拖曳長度根據(jù)測區(qū)水深的不同有5 m、20 m也可能更長，這種作業(yè)方式?jīng)Q定了側(cè)掃聲吶的測量定位精度不可能很高，加之受波浪、風(fēng)力、水流的綜合影響，最終的定位精度要在1 m或數(shù)米以上，無法滿足實際的生產(chǎn)需要，往往還需要采用其它的測量技術(shù)手段進一步確認，造成經(jīng)濟與時間成本的浪費[1]。

通過超短基線（USBL）水下定位技術(shù)與側(cè)掃聲吶測量相結(jié)合，將基于GPS的水面以上間接定位方式轉(zhuǎn)換為水下信標(biāo)的實時定位，很好地解決水下掃測目標(biāo)的高精度定位問題，從而可以快速有效確定水下目標(biāo)的真實位置，不再輔以其它手段就可以達到預(yù)期的目標(biāo)[2]。這種工藝的改進也是對側(cè)掃聲吶定位技術(shù)一次變革，有利于推動行業(yè)的技術(shù)進步。

1 傳統(tǒng)側(cè)掃測量定位技術(shù)特點

1.1 側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的工作原理

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)是基于回聲探測原理進行水下目標(biāo)探測，根據(jù)水下目標(biāo)反射回波時間的先后來反映水下目標(biāo)的位置及陰影信息。在常規(guī)的側(cè)掃作業(yè)中，通常采用拖曳式測量方式，水下目標(biāo)的位置通過GPS、繩纜與船的相關(guān)位置確定。顯然，水中的拖魚與定位天線有一定的方位和距離偏差，這個方位和距離偏差受船速、航向、波浪、水的流速和流向的影響往往會很大，無法滿足水下目標(biāo)精確定位的要求，不利于后續(xù)工作的有效展開，也就無法滿足施工生產(chǎn)的需求[2-3]。

1.2 水下目標(biāo)位置確定

1.2.1 目標(biāo)的位置確定方法

常用的計算方法：以GPS位置為中心，分別沿船舶縱軸線和橫軸線建立船體坐標(biāo)系，量取拖魚在正常拖曳情況下距離船舶坐標(biāo)系的縱橫向偏距，將GPS的測量位置換算至拖魚的位置。

1.2.2 目標(biāo)位置的誤差來源

1）GPS定位誤差

GPS的測量精度與其接收到的差分類型密切相關(guān)，有偽距差分、載波相位差分等；常用的RTK-DGPS模式就是載波相關(guān)差分的一種，其定位精度可達到厘米級[4]，定位誤差相對較小，對目標(biāo)掃測的整體精度影響非常有限，不是需要考慮的重點。

2）GPS與拖魚間的位置差

海底目標(biāo)掃測的定位結(jié)果都是以GPS的測量定位數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的，側(cè)掃聲吶的水下拖魚與GPS間相對位置的準(zhǔn)確性直接影響到水下目標(biāo)的準(zhǔn)確性。測量過程中，側(cè)掃聲吶水下拖魚的位置處于動態(tài)變化中，并隨拖纜的長度、海況的復(fù)雜程度沿掃測軸線的縱、橫向及垂向發(fā)生位移，掃測軟件計算的位置與聲吶的水下實際位置相差數(shù)米乃至數(shù)十米都是可能的。顯然，這樣的定位精度是無法滿足水下目標(biāo)的精確探測要求的，需要采用新的、高精度的技術(shù)手段來實現(xiàn)水下目標(biāo)的實時定位。

1.2.3 提高水下目標(biāo)定位精度的方法及措施

針對傳統(tǒng)的掃測方式，提高水下目標(biāo)的定位精度要解決以下3方面的問題：

1）盡量縮短側(cè)掃聲吶拖魚與船舶的距離，降低拖魚在水下自由活動的空間；

2）選擇在風(fēng)平浪靜、海況較好的時間段進行測量；

3）降低拖魚與掃測目標(biāo)間的垂向距離，提高目標(biāo)的成像質(zhì)量。

顯然，上面的第1）、3）條是矛盾的，要同時解決這兩方面的問題就要改變原有的測量模式，超短基線的引入正是解決以上問題的關(guān)鍵。

2 基于超短基線的側(cè)掃聲吶測量工藝

2.1 超短基線的測量工作原理

超短基線測量系統(tǒng)主要由2部分組成：發(fā)射接收單元及水下應(yīng)答信標(biāo)。系統(tǒng)根據(jù)聲波在水中傳播的往返時間及聲速來測量水聲換能器到水下信標(biāo)的距離；利用安裝在水聲換能器探頭中的多個水聽器接收陣接收水下信標(biāo)的應(yīng)答信號的相位差來確定發(fā)射接收機相對船首的方位；通過距離與方位的測量來確定水下目標(biāo)的位置[5]。

2.2 基于超短基線的側(cè)掃聲吶測量實施方案

定位方式：采用GPS與水下超短基線相結(jié)合的方式進行；水面船舶及設(shè)備的位置采用RTKDGPS方式定位，水下側(cè)掃拖魚采用高精度的超短基線進行實時定位；利用GPS與超短基線相結(jié)合的水下定位技術(shù)為側(cè)掃聲吶提供更加準(zhǔn)確的定位信息。

如圖1所示，測量船上同時安裝側(cè)掃聲吶設(shè)備與超短基線測量定位設(shè)備，將超短基線的水下定位信標(biāo)固定在側(cè)掃聲吶的拖魚上。

為了不影響拖魚姿態(tài)，將水下定位信標(biāo)固定在承載拖魚拉力的連接桿上。超短基線的發(fā)射接收機安裝在測量船上，利用GPS與水下信標(biāo)進行聯(lián)合定位，從而大大提高側(cè)掃聲吶的掃測作業(yè)的測量定位精度，將傳統(tǒng)的數(shù)米乃至數(shù)十米的定位精度提高到20 cm左右。

整個側(cè)掃系統(tǒng)由GPS、側(cè)掃聲吶拖魚、側(cè)掃聲吶甲板控制單元、超短基線發(fā)射接收機、水下信標(biāo)及信號控制單元組成，整個系統(tǒng)的信號流程如圖2所示。

船舶及船載設(shè)備定位采用高精度RTK-DGPS模式，側(cè)掃聲吶的水下拖魚的位置信息由水下定位信標(biāo)提供。

為提高側(cè)掃聲吶對水下目標(biāo)位置的探測精度，主要解決2個問題：

1）實時獲取拖魚在水下運動軌跡；

2）為水下目標(biāo)提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)位置信息。

2.3 現(xiàn)場應(yīng)用案例

應(yīng)用項目：長江南京以下12.5 m深水航道二期工程福姜沙整治工程。

測量對象：大型水下齒形構(gòu)件結(jié)構(gòu)及位置。

2.3.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)比對

為了確保測量成果的準(zhǔn)確，在進行齒形構(gòu)件的測量前，對超短基線進行了系統(tǒng)的校準(zhǔn)，利用雙RTK-DGPS工作模式對安裝在測量船上的超短基線發(fā)射接收機的方向進行了校準(zhǔn)[6]；同時，選擇一個固定的直立樁碼頭進行了測量比對。

1）在側(cè)掃聲吶的常規(guī)工作模式與超短基線工作模式下分別采集目標(biāo)位置信息，并對所測水下目標(biāo)位置進行比較分析；

2）RTK-DGPS測量成果與側(cè)掃聲吶在超短基線工作模式所測水下目標(biāo)的比對。

首先，在碼頭上采用RTK-DGPS定位模式對碼頭前沿的直立樁（共16根）進行了準(zhǔn)確的測量，將該結(jié)果作為比對的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；然后，先用傳統(tǒng)的拖曳式側(cè)掃方式對碼頭樁進行了測量；最后，利用載有超短基線水下定位信標(biāo)的側(cè)掃方式對碼頭前沿16根樁進行了測量。

測量結(jié)束后，分別對所測的水下樁的位置進行求差，得到2組差值數(shù)據(jù)：傳統(tǒng)拖曳式掃測與RTK測量結(jié)果的差值、基于超短基線掃測與RTK測量結(jié)果的差值。基于超短基線的側(cè)掃聲吶測量結(jié)果偏移量基本都保持都在0.5 m以內(nèi)；而傳統(tǒng)掃測方式所測的樁位差異較大，最大的差值已經(jīng)超過3 m。

2.3.2 水下齒形構(gòu)件的測量

長江南京以下12.5 m深水航道整治項目是國家重特大項目，水下大型齒形構(gòu)件的準(zhǔn)確測量一直是施工難題，傳統(tǒng)的側(cè)掃、水下潛摸方式量測的準(zhǔn)確率及工作效率都比較低，無法滿足水下齒形構(gòu)件施工的檢測精度需求。

為提高檢測精度及便于比對，現(xiàn)場的掃測測線為垂直水流方向布設(shè)，并在兩種不同的工作模式下分別采用往返測量方式、同向測量方式對水下齒形構(gòu)件進行了掃測及坐標(biāo)比對。水下齒形構(gòu)件的掃測影像圖3所示。

從圖3可以看出：基于超短基線的側(cè)掃聲吶測量技術(shù)對水下齒形構(gòu)件進行測量時，可以清楚地測量出水下目標(biāo)的具體位置及排列位置形態(tài)。

為了提高檢測精度，以利于對測量結(jié)果進行系統(tǒng)分析，現(xiàn)場測量時，在側(cè)掃拖魚的兩種定位模式下分別采用同向測量比對、反向測量比對；利用專業(yè)的測量軟件提取了水下齒形構(gòu)件的41個特征點進行坐標(biāo)比對，其比對結(jié)果如圖4、圖5所示。通過圖4可以看出：無論是同向測量比對及反向測量比對，其位置差都相對較小，很少有大于30 cm的，且偏差呈隨機性變化，對水下目標(biāo)的定位可靠性較高。從圖5可以看出：傳統(tǒng)的拖曳式測量，其定位偏差比較大，絕大部分偏差都超過50 cm，且反向比對差異更大，大部份偏差已經(jīng)超過1.5 m，這可能是由于受長江縱向水流作用拖魚上下起伏所致。如果加長側(cè)掃聲吶水下拖魚的拖曳長度、或在環(huán)境比較差的海里進行測量，所產(chǎn)生的定位誤差可能會更大。

3 結(jié)語

側(cè)掃聲吶的水下實時精確定位是目前側(cè)掃作業(yè)中急需解決、較難解決的技術(shù)難題，如何將清晰的水下圖像與精確定位相結(jié)合是水下目標(biāo)探測的關(guān)鍵。

利用超短基線水下定位技術(shù)為側(cè)掃聲吶的拖魚提供實時的位置信息，有效提高了水下目標(biāo)的掃測精度。與傳統(tǒng)多波束配合側(cè)掃聲吶的探測技術(shù)相比，具有投入設(shè)備少、作業(yè)時間短、定位精度高等優(yōu)點，對后續(xù)工序的有效展開具有較強的支撐作用。該項技術(shù)的應(yīng)用將進一步改變側(cè)掃聲吶的掃測工藝，有利于促進施工監(jiān)測、掃海測量的技術(shù)進步。

[1]王化仁，李春風(fēng)，林康力.海流對聲吶目標(biāo)定位精度影響分析[J].水道港口，2007（4）：297-299. WANG Hua-ren,LI Chun-feng,LIN Kang-li.Analysis on influence of sea current on target location accuracy[J].Journal of Waterway and Harbor,2007(4):297-299.

[2] 趙巍.側(cè)掃聲吶換能器水下定位方法研究[C]//全國第二十二屆海洋測繪綜合性學(xué)術(shù)研討會論文集.2010：102-104. ZHAO Wei.A study on underwater positioning method of side scan sonar transducer[C]//Proceedings of the 22nd national comprehensive symposium on the marine survey,2010:102-104.

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Underwater target positioning technology of side scan sonar based on ultra short baseline

YANG Li-wen1,JIAO Yong-qiang2,XU Jian2
（1.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China;
2.Shanghai Dahua Surveying&Mapping Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China）

Side scan sonar measuring technique is one of the most effective means to detect and search the underwater target, it is used in many marine engineering and marine security projects.However,due to the characteristics of the towed measurement process,it is not able to accurately measure the underwater target.The actual operation,it is often need to use the multi direction detection and other means to determine the accurate position of the underwater target,reduce the detection efficiency of the underwater target.We proposed the method of combining the side scan sonar with the ultra short baseline, which can effectively improve the accuracy of measurement and positioning of the underwater target,and can greatly improve the efficiency of side scan operation,reduce the operating cost,and has strong practicability.

side scan sonar;ultra short baseline;target;location;survey

U652.2；P753

A

2095-7874（2017）03-0006-04

10.7640/zggwjs201703002

2016-10-24

2016-11-21

楊立文（1978— ），男，上海市人，工程師，長期從事碼頭、港口與深水航道治理的施工及研究工作。E-mail：yangy7612@163.com