多波束與側(cè)掃聲吶在水下探測(cè)中的應(yīng)用

鄭暉

摘? 要：多波束探測(cè)與側(cè)掃聲吶掃測(cè)作為水下障礙物探測(cè)的2種常用技術(shù)手段各有優(yōu)勢(shì)。就多波束探測(cè)技術(shù)而言，其優(yōu)勢(shì)在于通過獲得精確的水深數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水下障礙物的精準(zhǔn)定位。側(cè)掃聲吶在大范圍快速獲取地貌性質(zhì)、形狀判斷中優(yōu)勢(shì)更顯著?；诖?，該文以某水庫(kù)救援項(xiàng)目為研究案例，對(duì)水下障礙物側(cè)掃聲吶掃測(cè)和多波束探測(cè)的具體應(yīng)用過程進(jìn)行分析。結(jié)合這2種技術(shù)對(duì)水下地形環(huán)境、水下地貌進(jìn)行描繪，可以實(shí)現(xiàn)高效互補(bǔ)，從而獲得精確的水下地形數(shù)據(jù)和水底地貌影像。

關(guān)鍵詞：多波束探測(cè);側(cè)掃聲吶掃測(cè);水下障礙物

中圖分類號(hào)：P229? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

水下障礙物探測(cè)是水資源開發(fā)利用的基礎(chǔ)和前提，其能在現(xiàn)代化探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用下，實(shí)現(xiàn)水下地形及障礙物的測(cè)量，這不僅確保了水域船舶通行的安全性，而且為水下救援工作的開展提供了有效指導(dǎo)。在當(dāng)前的水下探測(cè)中，多波束與側(cè)掃聲吶是2種較為有效且常用的探測(cè)方式。從本質(zhì)上講，這2種障礙物探測(cè)方式均為條帶式掃海系統(tǒng)，其能實(shí)現(xiàn)水底地形的全覆蓋無(wú)遺漏掃測(cè)。但是在實(shí)際掃測(cè)中，多波束與側(cè)掃聲吶的工作原理和工作方式仍有一定差異，該文以某水庫(kù)救援-測(cè)試項(xiàng)目為例，對(duì)多波束與側(cè)掃聲吶的實(shí)際應(yīng)用要點(diǎn)及效果進(jìn)行分析[1]。

1 系統(tǒng)的組成及原理

1.1 多波束測(cè)深系統(tǒng)組成及原理

1.1.1 多波束測(cè)深系統(tǒng)組成

多波束探測(cè)系統(tǒng)在水下測(cè)深中得到廣泛應(yīng)用。從設(shè)備結(jié)構(gòu)單元來(lái)看，其包含測(cè)深設(shè)備、定位設(shè)備、羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器、聲速剖面儀和輔助設(shè)備5 個(gè)單元[2]。

其中探測(cè)設(shè)備多波束換能器決定了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分辨率。差分GNSS接收機(jī)是全系統(tǒng)的定位裝置，其在障礙物定位測(cè)量中發(fā)揮著控制測(cè)量的作用。在多波束測(cè)深作業(yè)中，羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器能實(shí)現(xiàn)測(cè)量船實(shí)時(shí)姿態(tài)及航向數(shù)據(jù)的有效采集。聲速剖面儀用來(lái)測(cè)量海區(qū)的聲速剖面數(shù)據(jù)，用于校正聲速曲線。潮位信息將實(shí)測(cè)水深值換算成與國(guó)家高程系統(tǒng)同一的高程數(shù)據(jù)。此外，輔助設(shè)備包含了導(dǎo)航和數(shù)據(jù)處理軟件。通常水深探測(cè)的數(shù)據(jù)采集、顯示和處理均是通過工作站操作完成的。

1.1.2 多波束測(cè)深系統(tǒng)工作原理

利用聲吶換能器向水底發(fā)射寬扇區(qū)聲脈沖并接收回波信號(hào)，是多波束測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用的基本原理（如圖1所示）。就發(fā)射寬扇區(qū)聲脈沖而言，其聲波的頻率多處于100 kHz以上，當(dāng)發(fā)出的聲波經(jīng)水底障礙物反射形成返回波束時(shí)，換能器能對(duì)這些返回波束進(jìn)行有效地接收和處理。此時(shí)，通過同步獲取的潮位和聲迷剖面數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)探測(cè)水域底部狀況的有效檢測(cè)。具體來(lái)說，結(jié)合獲取的波束旅行時(shí)間和波束角，控制軟件能實(shí)現(xiàn)波束腳印的水深和位置的有效計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，即可獲得具有較高精度都的水深條帶數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)級(jí)及相關(guān)建模軟件的支撐下，可以建立水下地形數(shù)字高程模型。

從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，多波束測(cè)深系統(tǒng)所獲取的是隨身數(shù)據(jù)，經(jīng)過編輯和處理形成關(guān)于水底地形的高程模型文件。在測(cè)量數(shù)據(jù)未經(jīng)處理前，原始數(shù)據(jù)信息總量較多，且內(nèi)容形式較為繁雜。其中，條帶水深數(shù)據(jù)是較為主要的測(cè)量數(shù)據(jù)內(nèi)容，而聲速剖面數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)、羅經(jīng)數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)是輔助數(shù)據(jù)的重要組成部分。

1.2 側(cè)掃聲吶系統(tǒng)組成及原理

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在地貌性質(zhì)、形狀判斷中具有突出優(yōu)勢(shì)，其主要組成單元包括工作站、換能器基陣、拖纜和差分GNSS接收機(jī)等。

采用側(cè)掃聲吶系統(tǒng)進(jìn)行水下障礙物測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)換能器能向兩側(cè)水底發(fā)射出超過100 kHz的聲波，該聲波無(wú)穿透能力，因此回波信號(hào)較強(qiáng)，且完全來(lái)源于水底面的反射。采用換能器接受并處理返回波束，按照強(qiáng)度、時(shí)間對(duì)返回波束進(jìn)行處理，可獲得具體的像素值。就返回波束強(qiáng)度而言，其不僅包含了水底起伏信息，而且還涉及水底底質(zhì)信息。通常，回波束信號(hào)較強(qiáng)的區(qū)域，其水底較為堅(jiān)硬、粗糙。而回波束信號(hào)較弱的地區(qū)，水底較為柔軟、平坦或呈下凹趨勢(shì)。回波信號(hào)經(jīng)由工作站進(jìn)行處理，最終形成側(cè)掃聲吶圖像（如圖2所示）。

需注意的是，側(cè)掃聲吶采用的是斜距成像原理，其數(shù)據(jù)的采集過程較為特殊，這使得在形成側(cè)掃聲吶圖像的過程中，圖像是按照發(fā)射Ping排列的掃描序列圖像轉(zhuǎn)換而來(lái)，因此存在一定的缺陷。如速度失真、斜距變形、目標(biāo)距離變形、水底坡度變形等，此外，側(cè)掃聲吶圖像還容易出現(xiàn)雙曲變形、隨機(jī)變形和拖魚高度變化引起的變形等缺陷。可見側(cè)掃聲吶系統(tǒng)不具備整體的地理方位和可量測(cè)性，其在反應(yīng)水底對(duì)象的空間分布狀況的能力上還有待提高[3]。

2 應(yīng)用案例

2.1 工程概況

某水庫(kù)救援-測(cè)試項(xiàng)目，作為大山里修建水壩攔截自然河流形成的水庫(kù)，該水庫(kù)作業(yè)區(qū)域剖面呈漏斗形。在實(shí)際測(cè)量調(diào)查中，采用多波束測(cè)量事發(fā)區(qū)域水庫(kù)的三維水下地形，并為側(cè)掃聲吶作業(yè)航線提供參考，為疑似目標(biāo)比對(duì)提供參考。通過側(cè)掃聲吶作業(yè)辨識(shí)水下的地貌情況，搜尋可疑目標(biāo)物。通過2種數(shù)據(jù)的結(jié)合進(jìn)行目標(biāo)精細(xì)辨識(shí)，期望能為今后水庫(kù)救援工作提供有效參考。

2.2 水下目標(biāo)多波束掃測(cè)

在水庫(kù)救援水下目標(biāo)多波束掃測(cè)作業(yè)中，將多波束換能器安置在船舶右舷，同時(shí)在駕駛甲板右側(cè)欄桿上固定GNSS天線，此外將IMU安裝在中央通道拐角。在具體作業(yè)時(shí)，先進(jìn)行各子系統(tǒng)船體坐標(biāo)的準(zhǔn)確定位。其中，X、Y、Z三軸分別代表船艏向、右舷方向和垂直向水底方向，參考點(diǎn)選在IMU處，其坐標(biāo)為（0，0，0）。該項(xiàng)目采用浙海巡0728作為工作船舶。

如圖3所示，水下目標(biāo)多波束掃測(cè)通過多波束安裝調(diào)試、導(dǎo)航定位安和多波束作業(yè)的方式開展外業(yè)探測(cè)作業(yè)。要求多波束安裝調(diào)試、導(dǎo)航定位安裝符合水下目標(biāo)多波束掃測(cè)基本原理，同時(shí)符合現(xiàn)有設(shè)備工作的系統(tǒng)指標(biāo)和物理控制指標(biāo)。作業(yè)時(shí)遵循水下目標(biāo)多波束掃測(cè)原理，開展水下障礙物探測(cè)[4]。

完成水下目標(biāo)多波束掃測(cè)后，需要規(guī)范化的進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理。內(nèi)業(yè)工作具體流程如圖4所示。

在使用多波束測(cè)量數(shù)據(jù)前，需要按照格式轉(zhuǎn)換、參數(shù)校正、數(shù)據(jù)編輯和數(shù)據(jù)輸出的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。整個(gè)數(shù)據(jù)處理中有3個(gè)要點(diǎn)。 1）進(jìn)行水庫(kù)聲速剖面數(shù)據(jù)的處理，該項(xiàng)目調(diào)查水庫(kù)中心位置，并拉取聲速剖面，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，該區(qū)域的聲速變化較大，10 m～27 m處存在溫躍層。2）開展多波束數(shù)據(jù)校準(zhǔn)工作。前期作業(yè)中，為從源頭上確保多波束數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，要求對(duì)多波束換能器的安裝姿態(tài)進(jìn)行校正，通過GPS時(shí)間同步脈沖（1PPS）保證多波束系統(tǒng)各設(shè)備間的時(shí)間同步，要求同步誤差在1 ms以內(nèi)。在測(cè)量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)中，于特定的水底地形上展開校準(zhǔn)工作。橫搖參數(shù)校準(zhǔn)時(shí)水底地形坡度應(yīng)﹤2°，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)選擇垂直于航線方向的橫截面數(shù)據(jù)?？v搖參數(shù)、艏向參數(shù)校準(zhǔn)中，水底地形坡度需﹥5°，前者采用同一條測(cè)線往返測(cè)量，后者通過2條平行測(cè)線進(jìn)行同向測(cè)量。實(shí)際測(cè)量中，要求往返測(cè)量中的航速保持一致。需要注意的是，在艏向參數(shù)校準(zhǔn)中，要求2個(gè)波束條帶的重疊率保持在20%～50%，避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)疏漏。3）在數(shù)據(jù)后處理中，添加聲速剖面、潮位等數(shù)據(jù)。將所測(cè)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為水深基準(zhǔn)面數(shù)值，最終通過數(shù)據(jù)編輯手段的應(yīng)用，有效地進(jìn)行聲波濾波計(jì)算、數(shù)據(jù)清洗，獲取更加清晰的水下地形情況。并將所測(cè)數(shù)據(jù)繪制成圖件形，再與當(dāng)?shù)氐木用駵贤?，確保水下地形圖識(shí)圖工作的有序開展。

2.3 側(cè)掃聲吶測(cè)量

側(cè)掃聲吶測(cè)量作業(yè)主要分為側(cè)掃聲吶安裝調(diào)試、側(cè)掃聲吶測(cè)量作業(yè)2個(gè)環(huán)節(jié)。該項(xiàng)目側(cè)掃聲吶測(cè)量作業(yè)中，采用SS3060型側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，該設(shè)備可同時(shí)發(fā)射300 kHz和600 kHz 2個(gè)頻率的聲波，采用CW信號(hào)和Chirp信號(hào)對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，有效地提升了作業(yè)幅寬和成像清晰度。在側(cè)掃聲吶安裝調(diào)試過程中，重點(diǎn)對(duì)其設(shè)備的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，為水下障礙物的精準(zhǔn)測(cè)量創(chuàng)造良好條件。

側(cè)掃聲吶測(cè)量作業(yè)過程中，采用船尾拖曳式布放方式（如圖5所示）。

具體操作要點(diǎn)有3個(gè)。1） 在GNSS定位系統(tǒng)天線布放時(shí)，將其設(shè)置在拖點(diǎn)附近，并使得天線四周無(wú)遮擋，可以保證定位誤差較小，同時(shí)確保了拖纜姿態(tài)觀察時(shí)視野的開闊性。2）基于側(cè)掃聲吶工作的基本原理，進(jìn)行水下相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量，初步獲得水下障礙物的原始數(shù)據(jù)。3）對(duì)側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，整個(gè)數(shù)據(jù)處理按照底跟蹤修正、增益修正、水柱修正和圖像鑲嵌4個(gè)步驟處理。就底跟蹤修正而言，其能在勾勒底跟蹤線的基礎(chǔ)上，正確識(shí)別水底邊緣，實(shí)現(xiàn)水底與水體的區(qū)分。而增益修正是對(duì)圖像各部圖像進(jìn)行濾波調(diào)諧，這樣能確保聲吶圖像回波強(qiáng)度的均勻性，同時(shí)，顯著提升了水底地物、地貌的辨識(shí)程度。

該項(xiàng)目按照固定增益、時(shí)變?cè)鲆妗⑽論p失和擴(kuò)散損失等方式進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，獲得了良好的圖形結(jié)果。最后，經(jīng)過水柱修正、圖像鑲嵌有效地提升了側(cè)掃圖像的可讀性。需注意的是，在水柱修正、水體圖像去除階段，主要是依據(jù)底跟蹤修正方式對(duì)水體圖像與水底圖像邊緣進(jìn)行區(qū)分的。

2.4 測(cè)試過程影響分析

在具體測(cè)試過程中，由于作業(yè)船只為當(dāng)?shù)氐胤胶Ｊ卵策壨?，吃?0 cm，在進(jìn)行多波束調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)厮钭畲蟪^70 m，水庫(kù)岸邊落差極大，岸邊緩坡水深1 m，前行不到4 m水深達(dá)到20 m，再前行10 m水深就能達(dá)到60 m。水下還有未進(jìn)行砍伐的樹林等地物，未砍伐的樹林會(huì)對(duì)側(cè)掃聲吶作業(yè)造成影響。這是因?yàn)闉楂@取穩(wěn)定、連續(xù)和良好的側(cè)掃聲吶影像，作業(yè)船采取低速直線航行以此來(lái)確保側(cè)掃聲吶距底距離為最佳作業(yè)距離，且側(cè)掃聲吶拖魚是拖曳式作業(yè)，拖魚通過電纜拖在作業(yè)船尾部，在作業(yè)船進(jìn)行航行機(jī)動(dòng)時(shí)，拖魚反應(yīng)會(huì)較作業(yè)船有延時(shí)，因此會(huì)勾掛樹木造成設(shè)備損毀。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合該項(xiàng)目測(cè)試及調(diào)查形成過程可知，多波束與側(cè)掃聲吶均能實(shí)現(xiàn)水下障礙物的有效探測(cè)，2種測(cè)量聯(lián)合的方式可以實(shí)現(xiàn)水下地形及障礙物的精準(zhǔn)測(cè)量，這不僅確保了水域船舶通行的安全性，而且為水下救援工作的開展提供了有效指導(dǎo)，在水庫(kù)救援中收效良好。

參考文獻(xiàn)

[1]殷憲峰.一型海上支持/維護(hù)船安裝深水多波束的可行性研究[J].中國(guó)水運(yùn)，2020（5）：82-84.

[2]馬深.依賴多波束合成孔徑側(cè)掃聲吶圖像的水底障礙物研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2020，43（5）：102-106.

[3]張惟河.海洋物探技術(shù)在近岸水底礁石探測(cè)中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2020（3）：186-188，191.

[4]別偉平，郭志勇，于永寬.多波束與側(cè)掃聲吶在水下障礙物探測(cè)中的綜合應(yīng)用[J].港工技術(shù)，2019，56（1）：157-159.