深拖系統(tǒng)在深遠(yuǎn)海調(diào)查中的應(yīng)用

田春和，王 敏，楊 鯤

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；3.山東科技大學(xué)，青島 266510)

中國(guó)是海洋大國(guó)，開發(fā)、利用和保護(hù)海洋是國(guó)家發(fā)展的硬性需求，也是“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。在深遠(yuǎn)海探測(cè)方面，發(fā)展集成度高、水下操控便捷、數(shù)據(jù)采集及傳輸能力強(qiáng)的深拖系統(tǒng)尤為重要。深拖系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行水下作業(yè)，適用于深遠(yuǎn)海搜救，也適用于大范圍海底目標(biāo)的探測(cè)、海洋測(cè)繪、海洋地質(zhì)勘探、輔助海洋工程作業(yè)等。目前，國(guó)內(nèi)深拖系統(tǒng)僅有幾十臺(tái)套，數(shù)量難以匹配我國(guó)在深遠(yuǎn)海域探索的需求。

深拖系統(tǒng)是一種拖纜式聲學(xué)深潛器，它將側(cè)掃聲吶、多波束測(cè)深系統(tǒng)、淺地層剖面儀多種海洋調(diào)查儀器組合安裝在深水拖體上。其主要功能是近海底對(duì)海底地形地貌、淺地層剖面和水體物理化學(xué)參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)時(shí)探測(cè)，可應(yīng)用于海洋開發(fā)和礦產(chǎn)資源調(diào)查、海上油田區(qū)域探測(cè)、海洋工程等領(lǐng)域，還可用于深海特征物調(diào)查和配合大型設(shè)備作業(yè)[1-6]。在實(shí)施調(diào)查時(shí)，為避免船生噪聲和海面湍流的影響，將拖體沉放到一定深度，一方面減少水體對(duì)儀器探測(cè)效果的影響，另一方面減少了海水的吸收和聲束散射引起的信號(hào)損失，最大程度降低了虛假反射，提高了聲學(xué)采樣密度和采樣精度。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)于深拖系統(tǒng)的研究較少，主要限于作業(yè)流程、定位方法和數(shù)據(jù)處理等方面。湯民強(qiáng)與畢永良[7]總結(jié)了深海路由勘察項(xiàng)目中深拖系統(tǒng)與AUV系統(tǒng)的作業(yè)方法與技術(shù)難點(diǎn)，比較了二者的優(yōu)缺點(diǎn)。朱友生與羅進(jìn)華[8]對(duì)深拖系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的定位誤差、聲圖畸變等問題進(jìn)行了研究，給出了有效的解決方法。陳小冬[9]總結(jié)了深拖系統(tǒng)水下USBL定位和精度提升方法。

本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)深拖系統(tǒng)的組成、定位方法和作業(yè)流程做進(jìn)一步探討，并結(jié)合實(shí)際調(diào)查案例，說明深拖系統(tǒng)多波束測(cè)深數(shù)據(jù)的反演方法和淺地層剖面聲圖畸變的校正方法。

1 深拖系統(tǒng)組成

以Teledyne Benthos TTV-303深拖系統(tǒng)為例，來說明深拖系統(tǒng)的主要組成。

2.培養(yǎng)業(yè)務(wù)人員和財(cái)務(wù)人員稅務(wù)籌劃意識(shí)及業(yè)務(wù)能力，最大限度地節(jié)約采購成本。餐飲行業(yè)進(jìn)項(xiàng)稅發(fā)票的取得直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)營(yíng)成本及利潤(rùn)的多寡，營(yíng)改增后在企業(yè)里應(yīng)對(duì)相關(guān)政策進(jìn)行宣傳和培訓(xùn)，尤其要對(duì)業(yè)務(wù)人員和財(cái)務(wù)人員加強(qiáng)增值稅及發(fā)票知識(shí)的培訓(xùn)，讓他們清楚地知道能否取得可抵扣發(fā)票及取得發(fā)票的稅率對(duì)于經(jīng)營(yíng)成本和企業(yè)利潤(rùn)都產(chǎn)生直接的影響。采購人員應(yīng)減少向小規(guī)模納稅人的供應(yīng)商采購，因?yàn)樾∫?guī)模納稅人一般只能開具增值稅普通發(fā)票，即使到稅務(wù)局代開發(fā)票也只是3%的稅率。在和供應(yīng)商的價(jià)格談判過程中，除了要考慮采購總價(jià)還要考慮可抵扣的稅金對(duì)于成本的影響。

深拖系統(tǒng)由拖甲板通訊供電單元、拖曳載體、壓載器、布放回收裝置四部分組成(圖1)，包括耐壓6 000 m級(jí)的側(cè)掃聲吶、多波束測(cè)深系統(tǒng)、淺地層剖面儀、超短基線水下定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、溫鹽深儀、多普勒計(jì)程儀、表面聲速儀、高度計(jì)以及故障應(yīng)急回收裝置，并配備有萬米數(shù)控液壓絞車和光電復(fù)合纜、伸縮式A架施放系統(tǒng)等國(guó)際先進(jìn)的輔助設(shè)備。

圖1 Benthos TTV-303深拖系統(tǒng)組成示意圖

拖曳載體主要搭載聲學(xué)測(cè)量組件、傳感器、導(dǎo)航定位裝置和緊急回收裝置。壓載器搭載高度計(jì)、濕端光電/以太網(wǎng)電子艙、光電復(fù)合纜承重拖曳終端及破斷卸扣，作業(yè)時(shí)位置低于拖曳載體，可為拖曳載體作業(yè)提供保護(hù)。布放回收裝置主要包括A架和絞車，絞車上纏繞光電鎧裝復(fù)合纜，為拖曳載體提供配套的機(jī)械連接，并滿足拖曳載體供電及數(shù)據(jù)傳輸要求。甲板通訊供電單元除提供供電和通訊之外，還包含數(shù)據(jù)處理工作站，安裝配套軟件，提供數(shù)據(jù)采集和后處理功能。該系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行水下作業(yè)，并獲取信噪比較高的海底及地層聲學(xué)反射圖像。

甲板通信供電電源同步系統(tǒng)是深拖系統(tǒng)集成的核心設(shè)備，其主要功能是作為系統(tǒng)水上與水下之間供電、通信和同步的轉(zhuǎn)換設(shè)備，完成水下聲吶設(shè)備和傳感器數(shù)據(jù)與水上船載設(shè)備數(shù)據(jù)的交互傳輸、多部聲吶設(shè)備的協(xié)調(diào)、水上水下同步信號(hào)的傳送、水上高壓直流電源到拖曳平臺(tái)設(shè)備所需供電的轉(zhuǎn)換等功能。

甲板通信供電電源同步系統(tǒng)主要包括電源系統(tǒng)、光纖多路復(fù)用器和同步系統(tǒng)三部分，每個(gè)部分又各自包含水下單元和水上單元。主要包括水下通信供電同步單元、水上通信同步單元和水上供電單元3個(gè)設(shè)備，其中水上供電單元又包括水上供電單元、不間斷電源和220 V插座三個(gè)部件。

拖曳載體主要由聲學(xué)測(cè)量組件、傳感器、導(dǎo)航定位裝置和應(yīng)急裝置組成。其中聲學(xué)測(cè)量組件主要包括UUV-3500側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、多波束測(cè)深儀；傳感器主要有溫鹽深傳感器、高度計(jì)和表面聲速儀；導(dǎo)航定位裝置主要包括超短基線定位信標(biāo)、慣性導(dǎo)航(Phins)和多普勒計(jì)程儀(DVL)；應(yīng)急裝置主要包括銥星信標(biāo)、頻閃燈、聲學(xué)釋放器等。

深拖系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，測(cè)量母船航行至目標(biāo)水域，上線測(cè)量時(shí)航速保持在1 kn左右。數(shù)據(jù)采集前，要打開定位體系閥門開啟超短基線定位系統(tǒng)，使得超短基線水聽器伸出船底，與此同時(shí)，通過布放回收裝置布放拖體，使拖曳體逐步下放至指定位置。值得一提的是，拖曳體下放過程中要適當(dāng)勻速加快航速至2～4 kn，以防線纜絞纏在船尾槳中。拖曳體數(shù)據(jù)采集過程中，壓載器和拖體的最小離海底高度不應(yīng)小于20 m。

壓載器采用鐵和鉛作為主要材質(zhì)，重量約為908 kg，其搭載高度計(jì)、濕端光電/以太網(wǎng)電子艙、光電復(fù)合纜承重拖曳終端及破斷卸扣。

布放回收裝置包括A架、數(shù)控絞車、萬米光電復(fù)合鎧裝纜。A型門架固定安裝在母船船尾，用于深拖布放回收，并在作業(yè)過程中為鎧裝纜提供支撐。萬米光電復(fù)合纜長(zhǎng)度為10 000 m，主要用于深拖的拖曳作業(yè)和數(shù)據(jù)的通信傳輸。

2 工作方法及流程

此解決方案絕對(duì)定位精度為或略優(yōu)于超短基線定位系統(tǒng)的定位精度，即約0.2%斜距(或1 m)。相對(duì)定位精度一般可達(dá)到約為0.5%航程[11-13]。

石羊河流域高效節(jié)水灌溉與農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整…………………………………………… 李元紅，王以兵(5.52)

人耳對(duì)語音信號(hào)的相位信息不是很敏感,可以認(rèn)為語音信號(hào)的相位在處理過程中不改變,因此的相位譜可用Y(m,k)的相位譜近似代替,最后對(duì)其進(jìn)行傅里葉逆變換便可得到增強(qiáng)后的語音信號(hào)的時(shí)域表示。由此可見,在維納濾波算法中,對(duì)G(m,k)的求解至關(guān)重要?；谧钚【秸`差準(zhǔn)則,定義增益函數(shù)G(m,k)為:

圖2 6 000 m級(jí)深拖系統(tǒng)作業(yè)方法示意圖

深拖系統(tǒng)用于海底目標(biāo)的探測(cè)，需要較高的探測(cè)精度，因此采用船載星際差分GNSS+超短基線定位系統(tǒng)+聲信標(biāo)+慣性導(dǎo)航單元+聲多普勒測(cè)速儀+壓力傳感器的方式進(jìn)行定位。定位系統(tǒng)主要包含慣性導(dǎo)航單元、聲多普勒測(cè)速儀、壓力傳感器、超短基線定位系統(tǒng)、聲信標(biāo)和GNSS系統(tǒng)6個(gè)設(shè)備。其中聲信標(biāo)包含聲信標(biāo)和聲信標(biāo)換能器兩個(gè)部件，GNSS系統(tǒng)包含GNSS接收機(jī)和GNSS天線兩個(gè)部件，超短基線定位系統(tǒng)則包含USBL系統(tǒng)接線單元和USBL系統(tǒng)水下基陣兩個(gè)部件，而且USBL由于其便捷性，是目前水下定位的主流[10]。

船載星際差分GNSS用于獲得船舶的絕對(duì)位置，結(jié)合超短基線定位系統(tǒng)(USBL)和聲信標(biāo)可以獲得拖體在大地坐標(biāo)系下的位置，如果加入壓力傳感器數(shù)據(jù)可以提高其水下定位精度。由于有慣性導(dǎo)航單元，以其為核心部件組成慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可以大大提高系統(tǒng)定位的穩(wěn)定性，也能夠獲得良好的定位精度和載體姿態(tài)數(shù)據(jù)。此時(shí)如果部分傳感器出現(xiàn)短時(shí)無數(shù)據(jù)，慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)能夠在一定時(shí)間內(nèi)保持較高的定位精度。USBL定位系統(tǒng)和聲信標(biāo)用于提供水下拖體的絕對(duì)位置。并可用于修正慣性導(dǎo)航單元產(chǎn)生的漂移?？紤]系統(tǒng)輕便性的總體要求，需要所使用的USBL系統(tǒng)能夠方便部署、便攜安裝，并且能通過將專用姿態(tài)測(cè)量設(shè)備與USBL陣安裝在一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)校正過程的簡(jiǎn)化。

拖體就位后，船舶按照預(yù)先布設(shè)的測(cè)線進(jìn)行線上作業(yè)航行，作業(yè)航速保持2～3 kn，最大航速不超過4 kn。換線作業(yè)母船需轉(zhuǎn)彎時(shí)，應(yīng)快速收緊拖纜，使其長(zhǎng)度小于水深，母船轉(zhuǎn)彎半徑一般為拖纜長(zhǎng)度的2～3倍為宜。作業(yè)結(jié)束后，船舶減速，航速保持在1～2 kn，通過絞車收纜將拖曳體回收至安全高度(纜長(zhǎng)不低于50 m)，且收回超短基線水聽器，關(guān)閉超短基線定位系統(tǒng)。

深拖系統(tǒng)在作業(yè)時(shí)，作業(yè)母船通過一條鎧裝光電復(fù)合纜與壓載器相連，壓載器和拖曳載體之間由一條長(zhǎng)約50 m的中性浮力以太網(wǎng)臍帶纜連接，使拖曳載體位于距離海底一定高度的海水中勻速航行。甲板通訊供電單元通過鎧裝光電復(fù)合拖纜向拖曳載體提供電源和通信，拖曳載體將采集到的數(shù)據(jù)通過臍帶纜、鎧裝光電復(fù)合纜傳回甲板單元，并顯示于數(shù)據(jù)采集電腦(圖2)。

3）合理修剪。梨園要適度密植，通過合理修剪改善通風(fēng)透光條件，對(duì)減輕病害發(fā)生非常重要。修剪時(shí)要剪除密擠、冗長(zhǎng)的內(nèi)膛枝，疏除外圍過密、過旺、直立生長(zhǎng)枝條，對(duì)發(fā)病較重的樹要適當(dāng)重剪。同時(shí)調(diào)整好負(fù)載，以提高樹體抗性。

在高產(chǎn)創(chuàng)建示范區(qū)內(nèi)積極引進(jìn)優(yōu)質(zhì)抗病性能優(yōu)異、適應(yīng)性廣泛、生育周期短的優(yōu)良品種。最近幾年在瀾滄縣糯福鄉(xiāng)水稻品種推廣應(yīng)用主要有宜香3003、宜香4245、宜香305、兩優(yōu)2161、兩優(yōu)6等品種。當(dāng)然，在高產(chǎn)創(chuàng)建過程中，示范區(qū)內(nèi)的主導(dǎo)品種原則上不能超過3個(gè)，要確保相對(duì)集中連片種植。

根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，放纜過程中，當(dāng)拖曳體距海底距離大于600 m時(shí)，放纜速度應(yīng)小于50 m/min；當(dāng)拖曳體距海底距離小于600 m時(shí)，放纜速度保持10～20 m/min。收纜過程中，當(dāng)拖曳體距海面距離大于300 m時(shí)，收纜速度應(yīng)小于50 m/min，當(dāng)拖曳體距海面距離小于300 m時(shí)，收纜速度保持10～20 m/min。作業(yè)時(shí)，保證拖纜固定在滑輪上，處于張緊狀態(tài)(圖3)，若非緊急情況，不得關(guān)閉絞車。

3-a 深拖系統(tǒng)多波束測(cè)深示意3-b 船載多波束測(cè)深示意

3 成果資料處理解譯

3.1 深拖多波束數(shù)據(jù)處理

與傳統(tǒng)船載測(cè)量方式相比，深拖系統(tǒng)最明顯的特點(diǎn)為：因?yàn)榇钶d多波束換能器的拖體在工作時(shí)沉放到了距離海底面較近的位置，大大縮短了換能器到海底的距離，波束腳印更加收斂，波束點(diǎn)密度更高，從而提高了海底地形測(cè)量精度和目標(biāo)搜尋精度。

式中：hi為某處水深，m；h1i為該處多波束換能器到海面的高度，m；h2i為該處深拖系統(tǒng)多波束測(cè)深值，m；Pi為壓力傳感器于該處測(cè)得的壓強(qiáng)，kPa；ρi為該處壓力傳感器以上所有水體的平均密度，kg/m3；g為重力加速度，kg/s2。

當(dāng)測(cè)區(qū)處于驗(yàn)潮站或水文站的有效作用距離范圍內(nèi)時(shí)，潮位htide的變化可以通過潮位觀測(cè)獲得，否則需通過潮位模型或其他方法獲得。潮位是相對(duì)于某一深度或高程基準(zhǔn)面確定的，經(jīng)過潮汐改正后，即實(shí)現(xiàn)了相對(duì)水深向絕對(duì)高程的轉(zhuǎn)換。

陳洋卻溫和地笑了：“知道嗎？魔術(shù)就是場(chǎng)騙局，騙得過所有人就是最棒的魔術(shù)。我和師父聯(lián)手的實(shí)景魔術(shù)你還滿意嗎？”

hi=h1i+h2i+htide=Pi/ρig+h2i+htide

波束腳印地理坐標(biāo)的計(jì)算，需要用到垂直參考面下的波束到達(dá)角、傳播時(shí)間和聲速剖面3個(gè)參量。由于聲線在海水中不是沿直線傳播，而是在不同介質(zhì)層的界面發(fā)生折射，因此波束在海水中的傳播路徑為一折線。為了得到波束腳印的真實(shí)位置，就必須沿著波束的實(shí)際傳播路線跟蹤波束，該過程為聲線跟蹤。通過聲線跟蹤得到波束投射點(diǎn)在船體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，其計(jì)算過程稱為聲線彎曲改正。在聲線彎曲改正中，聲速剖面起著十分重要的作用。由于溫躍層的存在聲速剖面變得異常復(fù)雜，而深拖系統(tǒng)由于其多波束安裝位置的特點(diǎn)完美的避開了這一麻煩的計(jì)算過程，大大提高了聲速測(cè)量的精度。

由于鎧裝電纜屬于柔性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致搭載于拖體上的多波束換能器的吃水是動(dòng)態(tài)的，動(dòng)吃水深度可通過壓力傳感器的數(shù)據(jù)讀取得到。

與船載多波束測(cè)深相比，深拖多波束確定的深度h2i僅為多波束換能器面到達(dá)海底的距離，實(shí)際深度還應(yīng)考慮換能器的吃水h1i，若潮位htide是根據(jù)某一深度基準(zhǔn)面或高程基準(zhǔn)面確定的，則波束在海底投射點(diǎn)的高程為

3.2 深拖淺地層剖面數(shù)據(jù)處理

深拖調(diào)查時(shí)，拖體高度的起伏變化會(huì)在淺地層剖面資料上造成海底虛假起伏。為了消除這種海底虛假起伏，將地形特征準(zhǔn)確反映在淺地層剖面上，采取了如下方法進(jìn)行海底歸位矯正：先從多波束測(cè)深數(shù)據(jù)中提取淺地層剖面每道處的水深值，用實(shí)測(cè)聲速剖面轉(zhuǎn)換為時(shí)間間隔；然后利用軟件拾取淺地層剖面海底的初至反射波，根據(jù)每道處的實(shí)際水深與海底初至波之間的關(guān)系計(jì)算出每道應(yīng)延遲的時(shí)間，在每道采樣數(shù)據(jù)前填充“空白”數(shù)據(jù)，或以時(shí)延方式寫入淺地層剖面數(shù)據(jù)道頭中[14-16]。

圖4與圖5展示的是在我國(guó)水深約150 m的某海域采集到的淺地層剖面處理前后的效果。采集海域地形平緩，基本沒有起浮。

在采集過程中，由于深拖拖體在水下起伏變化，造成海底在淺地層剖面上產(chǎn)生了虛假起伏，海底面反射波倒置在海表面反射波之上(圖4)。使用本文方法對(duì)該地區(qū)深拖系統(tǒng)采集的淺地層剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行海底歸位矯正處理后，消除了淺地層剖面上的海底虛假起伏，使海表面反射信號(hào)和海底面反射信號(hào)各自歸位，而且修正了地層內(nèi)部發(fā)生的畸變(圖5)，有利于地層層位對(duì)比和解釋分析。

淺地層剖面縱向采樣時(shí)間間隔很小(數(shù)十微秒)，而地震道中以整數(shù)毫秒為單位記錄延遲，因精度不夠會(huì)造成鋸齒狀海底及地層。選擇將時(shí)間延遲轉(zhuǎn)換為采樣點(diǎn)的方法，避免了這種情況的發(fā)生，圖像質(zhì)量得到了大幅改善。

活性炭?jī)?nèi)部含有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，各種孔對(duì)活性炭吸附性能的貢獻(xiàn)有著很大的差異。一般認(rèn)為，大孔容積在0.2～0.8 cm3/g，比表面積小于0.5 m2/g；中孔容積介于0.1～0.5 cm3/g，比表面積在20～70 m2/g，不超過總面積的5%；微孔容積介于0.2～0.6 cm3/g，比表面積在400～1 000 m2/g，甚至更高，占總面積的95%以上[7]。

圖4 拖體上下起伏時(shí)采集到的淺地層剖面圖像

4 結(jié)語

作為深遠(yuǎn)海調(diào)查的一種重要手段，深拖系統(tǒng)具有可長(zhǎng)航時(shí)作業(yè)、水下定位相對(duì)容易、回收便捷安全等特點(diǎn)，特別適用于海上目標(biāo)搜尋，并且也難以被AUV等其他調(diào)查手段所取代。今后隨著深遠(yuǎn)海調(diào)查需求的不斷增多，深拖系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

營(yíng)造舒適的工作環(huán)境、優(yōu)化辦公環(huán)境、物品放置有序、標(biāo)識(shí)明確。同時(shí)培養(yǎng)護(hù)士積極向上的情感,提高心理承受能力。盡力豐富業(yè)余生活,比如科室一起郊游、召開談心會(huì)、互送小卡片等,讓護(hù)士得到歸屬感。

深拖系統(tǒng)的未來發(fā)展要從兩方面加強(qiáng)，一是深拖裝備及搭載設(shè)備要全面國(guó)產(chǎn)化，過度依賴進(jìn)口會(huì)在關(guān)鍵技術(shù)上受制于人，而國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵在于要深入了解深拖系統(tǒng)的部件組成和作業(yè)原理；二是要加大應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，受限于深拖系統(tǒng)的數(shù)量和應(yīng)用機(jī)會(huì)，目前其使用經(jīng)驗(yàn)與應(yīng)用體系仍未發(fā)展成熟，需要進(jìn)一步加大技術(shù)人才隊(duì)伍的建設(shè)力度，盡快解決深拖系統(tǒng)在深遠(yuǎn)海應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問題，形成全面的深遠(yuǎn)海調(diào)查應(yīng)用技術(shù)體系。