高分辨率多波束測(cè)深系統(tǒng)在長(zhǎng)江口河底目標(biāo)物探測(cè)中的應(yīng)用

付五洲　舒國(guó)棟　李濤　陸彬

摘要：多波束測(cè)深系統(tǒng)分辨率高、覆蓋范圍較大，廣泛應(yīng)用于航道維護(hù)、工程施工、水下目標(biāo)物探測(cè)中。通過(guò)采用Reson SeaBat 7125 SV2多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)江太倉(cāng)段河道進(jìn)行掃測(cè)，能夠精準(zhǔn)定位沉船、集裝箱、機(jī)器吊臂的位置以及其形態(tài)，能夠識(shí)別小尺寸（3.5mx3.5m）的構(gòu)筑物，可為救助打撈提供科學(xué)指導(dǎo)。結(jié)果表明，多波束系統(tǒng)可為河道應(yīng)急搶險(xiǎn)、小尺寸目標(biāo)物探測(cè)以及形態(tài)分析提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：高分辨率多波束測(cè)深系統(tǒng);河道掃描;小尺寸目標(biāo)探測(cè);河道應(yīng)急搶險(xiǎn);長(zhǎng)江太倉(cāng)段

中圖法分類(lèi)號(hào)：U675.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.10.003

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種條帶式測(cè)深系統(tǒng)，是當(dāng)前進(jìn)行水下地形測(cè)量最先進(jìn)的技術(shù)之一，具有覆蓋范圍廣、精度高、自動(dòng)化、效率高的特點(diǎn)。隨著電子技術(shù)、新材料、新工藝的飛速發(fā)展，多波束測(cè)深系統(tǒng)朝著小型化、集成化發(fā)展，突破了傳統(tǒng)單波束測(cè)深的局限，能夠高效獲取水下面狀數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)由“點(diǎn)”向“面”的跨越[1-3]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，內(nèi)河航運(yùn)需求愈來(lái)愈大，航道日益繁忙，船舶總噸位逐漸增大，船舶的通航安全得到高度重視。長(zhǎng)江口內(nèi)河航道具有流速多變、水位變化大、河道彎曲、河床地形復(fù)雜、含沙量高的特點(diǎn)，遇到應(yīng)急情況時(shí)，需要快速、準(zhǔn)確地探測(cè)礙航物的位置、形態(tài)等，以便快速打撈，確保通航安全[4-5]。

常用礙航物探測(cè)方法是側(cè)掃聲吶，但因其以平面影像方式呈現(xiàn)，只能對(duì)河床地貌做描述性區(qū)分，無(wú)法有效辨別礙航物的形態(tài)，而多波束測(cè)深系統(tǒng)不僅能夠獲取平面位置，還能夠通過(guò)測(cè)深點(diǎn)云對(duì)河底進(jìn)行三維成像，并實(shí)現(xiàn)三維可視化，更加直觀地確定礙航物屬性及形態(tài)[6]。

1 多波束測(cè)深原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)主要由發(fā)射基陣、接收基陣和數(shù)據(jù)處理器組成，發(fā)射基陣多與接收基陣垂直，發(fā)射基陣平行于船縱向排列，接收基陣沿船橫向排列[7]。

圖1為多波束測(cè)深系統(tǒng)工作原理示意圖。通過(guò)換能器發(fā)射和接收信號(hào)分別在某一方向上形成較小的方向角，而在垂直的另一方向形成較寬的方向角，不停地發(fā)射與接收信號(hào)[8-9]。在測(cè)深原理上，多波束測(cè)深系統(tǒng)分為束控法和相干法[10]。

1.1 束控法

束控法是指接收基陣對(duì)發(fā)射波束進(jìn)行定向接收，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的檢測(cè)，記錄反射波束傳播的時(shí)間t和已知聲路角θ，其各聲路角對(duì)應(yīng)的各測(cè)點(diǎn)示意見(jiàn)圖2。

在忽略波束射線(xiàn)彎曲的條件下，各波束測(cè)點(diǎn)的水深Di和距離中心點(diǎn)的水平距離Xi公式為式中，C為聲波在水中平均傳播速度;t為傳播時(shí)間;θ為聲路角。

束控法易受已知聲路角數(shù)量制約，聲路角越多，換能器陣列越大，當(dāng)前最多為512個(gè)波束接收陣列。

1.2 相干法

相干法又稱(chēng)虛擬波束，是指多波束換能器在進(jìn)行一次短脈沖水底掃描后，反射的回波信號(hào)被換能器的接收陣列按照一定的相位差接收。根據(jù)相干原理，換能器的固定相位差和反射波束聲路角存在固定關(guān)系，從而計(jì)算出聲路角大小，再結(jié)合公式（1），可計(jì)算測(cè)點(diǎn)水深及偏置[11]。

多波束測(cè)深系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)在于斜距和聲路角兩個(gè)變量的計(jì)算。通過(guò)計(jì)算兩個(gè)變量能獲得垂直方向波束覆蓋范圍內(nèi)的水深值，快速測(cè)出沿航跡線(xiàn)方向一定范圍內(nèi)水下目標(biāo)尺寸。

2 Reson SeaBat 7125多波束測(cè)深系統(tǒng)工作方式

丹麥Reson SeaBat 7125 SV2多波束測(cè)深系統(tǒng)屬于中水深雙頻高分辨率多波束系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的束控法工作原理，接收陣列可接收512個(gè)波束。其主要通過(guò)7-P高性能聲吶處理器，運(yùn)用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)和信號(hào)處理[12]，其具體參數(shù)見(jiàn)表1。

Reson SeaBat 7125多波束測(cè)深系統(tǒng)獲取精確地水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還需要一些外部傳感器（如GNSS、姿態(tài)傳感器、表面聲速儀、聲速剖面儀），以及數(shù)據(jù)采集及處理軟件PDS2000。SeaBat 7125多波束測(cè)深系統(tǒng)在野外安裝和數(shù)據(jù)后處理中擁有一套嚴(yán)格的流程，以保障數(shù)據(jù)質(zhì)量。

換能器常采用舷側(cè)安裝，一般安裝在距船首1/3處，可減小船體震動(dòng)和噪聲對(duì)儀器的影響。通過(guò)外部GNSS提供定位信息和lpps進(jìn)行時(shí)鐘同步，外部Octans光纖羅經(jīng)提供橫搖/縱搖/艏搖0.10，涌浪5cm的動(dòng)態(tài)精度數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)修正多波束姿態(tài)，保證發(fā)射和接收在同一基準(zhǔn);多波束校準(zhǔn)的橫搖、縱搖、艏向直接決定著數(shù)據(jù)質(zhì)量，數(shù)據(jù)后處理通過(guò)吃水改正、潮位改正、聲速剖面改正，最終獲得一定基面下水深值。

3 應(yīng)用實(shí)例

長(zhǎng)江太倉(cāng)段呈現(xiàn)上游窄、下游寬的格局，整個(gè)河勢(shì)呈喇叭型，航道水深約15m，底質(zhì)組成主要由粉質(zhì)黏土、細(xì)砂和粉砂。該區(qū)域碼頭密布、航道繁忙，散落的水下構(gòu)筑物為安全通航埋下了隱患。該區(qū)段內(nèi)時(shí)有沉船、集裝箱落水等事故發(fā)生，可使用ResonSeaBat 7125 SV2多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急處理。

3.1 沉船

在某次貨船碰撞中，其中一艘貨船沉沒(méi)，船長(zhǎng)53.6 m，寬15 m，通過(guò)掃測(cè)發(fā)現(xiàn)沉船位置，具體見(jiàn)圖3。沉船處水深約22 m，沉船形態(tài)為正面朝上，能夠清晰判別船頭船尾及貨倉(cāng)位置，貨倉(cāng)內(nèi)貨物清晰可見(jiàn);沉船后最淺區(qū)域深13 m，對(duì)通航造成潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)多波束測(cè)量，精確地確定沉船位置及形態(tài)，為船體打撈工作提供依據(jù)。

3.2 集裝箱

在某次貨輪傾覆中，集裝箱散落江中，集裝箱尺寸為5.8 mx2.3 mx2.3 m，均為鋼性結(jié)構(gòu)。通過(guò)多波束測(cè)深系統(tǒng)掃測(cè)精確定位，具體見(jiàn)圖4。集裝箱具有強(qiáng)烈的反向散射特性，且強(qiáng)于底質(zhì)[13]，在天然的河床上呈現(xiàn)一個(gè)規(guī)則矩形凸起，有助于快速對(duì)其位置進(jìn)行判別和實(shí)施打撈。

3.3 機(jī)器吊臂

在江蘇省太倉(cāng)市石化碼頭前沿掃測(cè)中，發(fā)現(xiàn)一散落已久的機(jī)械吊臂，水深7m，經(jīng)多波束掃測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖中可清晰看到吊臂形狀，且吊臂部分與淤泥融為一體，吊臂兩端對(duì)水流有一定影響，形成兩個(gè)小沖刷坑。

3.4 混凝土構(gòu)筑物

在江蘇省太倉(cāng)市武港碼頭內(nèi)側(cè)，水深4m處，發(fā)現(xiàn)一個(gè)3.5 mx3.5 m混凝土方塊，輪廓清晰可見(jiàn)，具體見(jiàn)圖6。

4 結(jié)論與建議

本文結(jié)合多波束測(cè)深技術(shù)全覆蓋、高精度的特點(diǎn)展開(kāi)，多波束系統(tǒng)能夠高效、精確地顯示河底三維地貌，通過(guò)一定的人工干預(yù)，可對(duì)河底地物的屬性、形態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)判別。

（1） SeaBat7125 SV2型多波束測(cè)深系統(tǒng)能夠在淺水區(qū)域得到較好的回波信號(hào)，如混凝土構(gòu)筑物的掃測(cè)清晰可見(jiàn)。

（2）多波束測(cè)深系統(tǒng)分辨率高，能夠清晰地掃測(cè)出小尺寸目標(biāo)，為應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供有效的技術(shù)支撐，如掃測(cè)散落的集裝箱。

（3）粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粉砂底質(zhì)具有較強(qiáng)的反向散射特性，而鐵質(zhì)物品的反向散射更強(qiáng)烈，能夠被區(qū)分辨別。

多波束測(cè)深系統(tǒng)發(fā)展至今，已成為水下地貌測(cè)量的重要方式，但仍有許多問(wèn)題需要深入研究，如姿態(tài)自校準(zhǔn)及多波束數(shù)據(jù)后處理自動(dòng)化，噪聲濾波去除等。

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（編輯：唐湘茜）