聲學(xué)水面無(wú)人艇在淺水海底地貌調(diào)查中的應(yīng)用

李勇航，單晨晨，蘇明，劉文濤，雷亞平，溫明明，蔡鵬捷

1. 中山大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，珠海 519082

2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760

海洋與陸地交互的近岸海域，其地形、地貌的形態(tài)結(jié)構(gòu)和演化過(guò)程同時(shí)受構(gòu)造沉降、海平面變化、海洋水動(dòng)力、氣候、生物及人類活動(dòng)的影響。查明海底地形地貌特征，掌握其形成與演化機(jī)制，不但為海洋經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)、海洋科學(xué)研究和數(shù)字海洋等方面提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且可為近海資源勘探開(kāi)發(fā)、海岸工程建設(shè)、海上交通運(yùn)輸和國(guó)防安全提供精細(xì)的基礎(chǔ)資料[1-2]。由于常規(guī)大船吃水深不能進(jìn)入淺水區(qū)，小船又過(guò)于簡(jiǎn)陋而不具備多源聲學(xué)綜合測(cè)量條件，造成近岸淺水區(qū)（特別是5 m 水深內(nèi)）一直是海底地形地貌及淺層結(jié)構(gòu)等聲學(xué)調(diào)查的難點(diǎn)[3]。水面無(wú)人艇具有吃水淺、功能多樣、小巧靈活、隱蔽性好、快速機(jī)動(dòng)、經(jīng)濟(jì)成本低的特點(diǎn)，利用水面無(wú)人艇進(jìn)行軍事、海洋測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)、水質(zhì)取樣、港口監(jiān)控、海事搜救等方面的應(yīng)用，已成為近年來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[4-10]。受水面無(wú)人艇平臺(tái)空間小及多源聲學(xué)系統(tǒng)同步測(cè)量互相干擾的制約，目前海洋測(cè)繪無(wú)人艇多為搭載單聲源系統(tǒng)，多聲源綜合型無(wú)人艇應(yīng)用較少，因此，發(fā)展針對(duì)地質(zhì)調(diào)查的多源聲學(xué)無(wú)人艇測(cè)量技術(shù)顯得尤為急迫。

近年來(lái)廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局開(kāi)展了一系列近岸綜合調(diào)查研究，依托這些項(xiàng)目形成了一系列淺水地形地貌探測(cè)技術(shù)方法，其中水面無(wú)人艇測(cè)量技術(shù)由于集成的測(cè)量手段多、技術(shù)復(fù)雜、應(yīng)用前景廣闊而成為最重要的技術(shù)之一。2019 年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局使用C-Worker 4 聲學(xué)水面無(wú)人艇在海南島澄邁灣進(jìn)行多波束測(cè)深、側(cè)掃聲吶、淺層剖面數(shù)據(jù)同步采集，旨在驗(yàn)證和評(píng)價(jià)方法的可行性和數(shù)據(jù)的可用性，揭示淺水海底地貌類型及聲學(xué)特征，以期為未來(lái)使用水面無(wú)人艇進(jìn)行地貌調(diào)查提供參考。

1 調(diào)查背景

調(diào)查區(qū)位于海南島北部澄邁灣近岸，水深范圍約1.2～22 m，為典型火山熔巖海岸，地質(zhì)構(gòu)造上屬雷瓊坳陷的南緣，在晚更新世低海面時(shí)形成下切谷地，隨著冰后期海面上升，河流的侵蝕作用和搬移泥沙的能力減弱，河谷被充填并覆蓋，成為埋藏谷地。在灣口中部和西部存在水下沉積沙體，為東西向，長(zhǎng)度約為6 km，由東往西被淹沒(méi)在海面下2～5 m的不同深度，被認(rèn)為是在海面上升過(guò)程中，在波浪作用下一些粗顆粒泥沙沿水下岸坡逐漸地向岸推移，在波能輻散的灣口區(qū)形成[11]。調(diào)查區(qū)周邊存在較大規(guī)模的人工建筑，如港口、航道、漁碼頭、電廠等，水上工業(yè)、漁業(yè)活動(dòng)頻繁。

海底地貌分類方法較多，本文根據(jù)地貌成因?qū)\水海底地貌類型分為自然地貌和人工地貌兩類。自然地貌指由自然因素，如氣候、海平面、生物、古人類和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等引起并形成的地貌，包括沙脊、沙帶、沙波、波紋、沙席等水下沉積沙體以及階地、滑坡、斷層、溝槽、凹凸地、麻坑、巖石、陡坎、埋藏河道等[12]。人工地貌是指因人類作用（直接或間接影響地表過(guò)程）形成的地球表面的起伏形態(tài)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)[13]。人類活動(dòng)對(duì)地貌形態(tài)和過(guò)程影響非常廣泛，海底人工地貌包括航道、港池、挖掘坑槽、海底拖痕、海底管線、沉船、水下石堤、人工魚(yú)礁、人工堆積物等。多波束測(cè)深、側(cè)掃聲吶、淺層剖面等是海底地形地貌調(diào)查研究常用聲學(xué)方法，具有較高的解譯精度[14]。

2 調(diào)查設(shè)備

本次淺水海底地貌調(diào)查以“粵霞漁90 215”船作為無(wú)人艇支撐母船，使用英國(guó) ASV C-Worker 4 聲學(xué)水面無(wú)人艇系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由無(wú)人艇平臺(tái)和任務(wù)載荷兩大部分組成。無(wú)人艇平臺(tái)搭載了Teledyne T20P 多波束、Klein UUV3500 側(cè)掃聲吶、SES2000 Smart 參量陣淺剖、POS MV WaveMaster 慣導(dǎo)等任務(wù)載荷。慣導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)接收 MarineStar GPS XP 信號(hào)為任務(wù)設(shè)備提供穩(wěn)定精確的定位、航向、姿態(tài)、速度、時(shí)鐘等數(shù)據(jù)，其水平定位和高程精度達(dá)分米級(jí)，橫搖、縱搖和艏搖精度達(dá)到0.01°[15]。無(wú)人艇控制端與遠(yuǎn)程基站控制端通過(guò)IP MESH 無(wú)線電、Wi-Fi 以及特高頻（UHF，Ultrahigh Frequency）3 種通訊方式收發(fā)指令和交換數(shù)據(jù)，主要組成見(jiàn)圖1。無(wú)人艇吃水0.6 m，配備測(cè)深儀、前視聲吶、高清攝像頭、高分辨率4G 寬帶雷達(dá)和AIS 系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水下、水面及周邊環(huán)境的感知和預(yù)警，保障調(diào)查過(guò)程中水面無(wú)人艇的安全[16]。

3 數(shù)據(jù)與方法

無(wú)人艇下水調(diào)查前，根據(jù)前期搜集資料選定諸如沉積沙體、港口碼頭、岸邊淺灘等重點(diǎn)區(qū)，結(jié)合調(diào)查區(qū)錨泊和進(jìn)出港船只、障礙物分布等復(fù)雜作業(yè)條件設(shè)計(jì)測(cè)線。測(cè)線大致平行于等深線布設(shè)，測(cè)線間距根據(jù)調(diào)查區(qū)水深變化靈活調(diào)整（一般為水深的3～4 倍），確保多波束實(shí)現(xiàn)全覆蓋測(cè)量，并同步進(jìn)行高密度、高精度的側(cè)掃聲吶及淺層剖面測(cè)量。水面無(wú)人艇通信基站架設(shè)在支撐母船上，全向天線距海面約 6 m，定位誤差小于 0.5 m，無(wú)人艇速保持約4.5 kn。按布設(shè)測(cè)線自動(dòng)巡線，緊急情況下切換至人工操控，分別對(duì)無(wú)人艇運(yùn)行狀態(tài)、聲學(xué)資料質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。

為避免無(wú)人艇多源聲學(xué)系統(tǒng)互相干擾，使用了基于同步控制器的脈沖同步控制和發(fā)射頻率差異化配置的方法。聲學(xué)同步控制器通過(guò)對(duì)不同聲學(xué)儀器、裝備啟動(dòng)時(shí)刻及運(yùn)行時(shí)序的同步控制，使各設(shè)備分時(shí)發(fā)射信號(hào)以避免相互干擾，從而保證各設(shè)備的正常運(yùn)行[17]。本文以側(cè)掃聲吶輸出脈沖作為主動(dòng)源信號(hào)，為多波束和淺剖設(shè)備提供5 V 觸發(fā)信號(hào)。側(cè)掃聲吶中心頻率為455 和900 kHz，淺剖中心頻率為100 和10 kHz，為使各設(shè)備工作頻率錯(cuò)開(kāi)，多波束中心頻率設(shè)置為260 kHz。經(jīng)海上對(duì)比試驗(yàn)后確定的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 聲學(xué)水面無(wú)人艇主要組成示意圖Fig.1 Main components of acoustic USV

多波束測(cè)深、側(cè)掃聲吶和淺剖數(shù)據(jù)處理分別使用 Caris 11.2、SonarWiz 5.0 及 ISE 2.9.5 等商業(yè)軟件，最后圖表制作使用CorelDRAW X7 軟件完成。

4 結(jié)果

采集獲得836 km 聲學(xué)資料，其中多波束測(cè)深和側(cè)掃聲吶全覆蓋面積超過(guò)12.5 km2，通過(guò)分析數(shù)據(jù)聲學(xué)特征，識(shí)別出不同的地貌類型。

4.1 多波束測(cè)深

根據(jù)多波束測(cè)深數(shù)據(jù)揭示的地形變化及目標(biāo)體形態(tài)參數(shù)特征，在研究區(qū)灣口外識(shí)別出海底沙波、沙紋等自然地貌單元，灣內(nèi)近岸識(shí)別出較多海底拖痕、坑槽、航道、港池等人工地貌單元。圖2為多波束測(cè)深數(shù)據(jù)揭示的典型地貌，其中圖2a 為疊置于水下沙體（海底沙脊）上的沙波，其脊部水深為2 m，波高為 5 m，NE-SW 走向，呈韻律新月形條帶排列。圖2b 顯示海底地形復(fù)雜，物體凸出海底約0.3～1 m 不等，呈不規(guī)則的雜亂分布，據(jù)其形態(tài)特征推斷為海底礁石。圖2c 所示海底坑槽表現(xiàn)為下凹的負(fù)地形，長(zhǎng) 350 m，均寬約 150 m，坑深約 6 m，邊界形態(tài)規(guī)則。圖2d 顯示下凹地形，其平均深度約13 m，邊界形態(tài)規(guī)則，為典型的碼頭港池特征。

4.2 側(cè)掃聲吶

通過(guò)分析側(cè)掃聲吶背散射回波強(qiáng)度變化特征并計(jì)算目標(biāo)體形態(tài)參數(shù)，識(shí)別出海底沙波、波紋、海底礁石、海底拖痕等多種海底地貌單元。圖3 為側(cè)掃聲吶揭示的典型地貌，圖3a 所示海底波紋的回波強(qiáng)度呈強(qiáng)弱相間的韻律條帶狀分布，波高?。凰鏌o(wú)人艇受涌浪影響，海底線表現(xiàn)為鋸齒狀特征。圖3b 揭示海底沙波脊線兩側(cè)回波強(qiáng)度呈明顯的條帶狀強(qiáng)弱變化，海底線變化特征指示其波高約為2 m（圖3c），同時(shí)可見(jiàn)疊置在沙波上的波紋。圖3d可見(jiàn)疊瓦狀目標(biāo)體，其具有強(qiáng)背散射回波特征（亮色指示強(qiáng)回波信號(hào)，暗色指示弱回波強(qiáng)度），結(jié)合水深地形環(huán)境，推斷為海底礁石；圖3e 可見(jiàn)明顯鏈狀目標(biāo)體，寬0.3～1 m，呈弧形展布，鏈狀處背散射強(qiáng)度比兩側(cè)弱，指示其為下凹形態(tài)，推斷為海底拖痕。

表1 水面無(wú)人艇任務(wù)載荷主要調(diào)查參數(shù)Table 1 Main parameters of surveying system of USV

圖2 多波束測(cè)深揭示的典型海底地貌a. 沙波，b. 礁石，c. 坑槽，d. 碼頭港池。Fig.2 Typical submarine geomorphology revealed by multi-beam soundinga. sand waves, b. reefs, c. seafloor pit, d. harbor basin.

4.3 淺地層剖面

對(duì)淺地層剖面的海底地形變化及淺部地層反射特征進(jìn)行分析，識(shí)別出海底沙波、埋藏河道、航道及航槽回淤物等地貌。調(diào)查區(qū)大部分淺水區(qū)海底聲學(xué)穿透淺，伴有明顯多次反射，圖4 為淺剖揭示的典型地貌單元，其中圖4a 揭示海底沙波地貌發(fā)育，雙峰和單峰沙波疊置于沙體之上，沙波波高約2 m，兩翼不對(duì)稱形態(tài)特征明顯，具有明顯指向性。沙波內(nèi)部淺層結(jié)構(gòu)為模糊反射，沙波遷移底界面（紅色虛線）在 12.5～13 m 水深之間。圖 4b 為灣內(nèi)淺水區(qū)埋藏河道，上覆層狀充填物，穿透深度可達(dá)5 m，河道兩側(cè)反射終止界面明顯，河道外為模糊反射。圖4c 所示為航道，地形呈U 形下凹，平均水深約10 m；航道外可見(jiàn)厚約1.5 m 層狀反射層，其下部為模糊反射和二次反射；航槽內(nèi)可見(jiàn)厚約2 m 的層狀反射，為受海岸動(dòng)力影響下淤積于航槽的沉積物。

4.4 多源聲學(xué)數(shù)據(jù)綜合對(duì)比

通過(guò)多源聲學(xué)數(shù)據(jù)的綜合對(duì)比，對(duì)淺水海底微地貌進(jìn)行精細(xì)分析，可減少解釋誤判。以海底沙波和海底礁石兩種典型微地貌單元為例，圖5 為位于測(cè)線A-A’的同一處海底沙波地貌綜合探測(cè)結(jié)果，圖5a 多波束測(cè)深顯示沙波地形呈明顯波狀起伏，呈韻律新月形條帶展布。圖5b 側(cè)掃聲吶則進(jìn)一步揭示了沙波之上發(fā)育的波紋特征，波脊線（綠色虛線）兩側(cè)背散射回波強(qiáng)度有明顯強(qiáng)弱變化。圖5c 淺剖揭示海底沙波地形上波狀起伏明顯，海底為明顯強(qiáng)反射，下部二次反射明顯，波脊下部為模糊反射，平緩的翼部和谷部出現(xiàn)層狀反射。圖6 為位于測(cè)線B-B’的同一處海底礁石綜合探測(cè)結(jié)果，圖6a 多波束測(cè)深揭示海底礁石呈邊界不規(guī)則的凸起，圖6b側(cè)掃聲吶揭示海底礁石背散射回波較強(qiáng)而周圍回波相對(duì)較弱（淺色代表回波強(qiáng)度強(qiáng)），圖6c 淺剖揭示海底強(qiáng)振幅反射，礁石處呈丘狀凸起，其下部難穿透，表現(xiàn)為模糊反射。

圖3 側(cè)掃聲吶揭示的典型海底地貌a. 波紋，b. 沙波，c. 沙波的波高，d. 海底礁石，e. 拖痕。Fig.3 Typical submarine geomorphology revealed by side-scan sonara. sand ripples, b. sand waves, c. height of the sand wave, d. seafloor reefs, e. drag marks.

圖4 淺剖揭示的典型地貌及淺地層結(jié)構(gòu)a. 沙波群，b. 埋藏河道，c. 人工航道。Fig.4 Typical submarine geomorphology and stratigraphic structure revealed by sub-bottom profilea. sand wave group, b. buried channel, c. artificial waterway.

圖5 海底沙波聲學(xué)立體探測(cè)結(jié)果a. 多波束測(cè)深對(duì)沙波的揭示，b. 側(cè)掃聲吶對(duì)沙波的揭示，c. 淺剖對(duì)沙波的揭示。Fig.5 Acoustic images of submarine sandwavesa. sand waves revealed by multi-beam sounding, b. sand waves revealed by side-scan sonar, c. sand waves revealed by sub-bottom profile.

5 討論

5.1 特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

本次使用水面無(wú)人艇對(duì)水深1.2～22 m 的淺水海岸進(jìn)行多波束測(cè)深、側(cè)掃聲吶、淺層剖面同步測(cè)量。無(wú)人艇自動(dòng)巡線、人工監(jiān)控的調(diào)查方法，相比使用常規(guī)載人大船調(diào)查節(jié)省了人力物力，特別是對(duì)常規(guī)載人大船不能進(jìn)入調(diào)查的部分淺水區(qū)（水深小于5 m）進(jìn)行了全覆蓋測(cè)量，突破了大船不能進(jìn)入淺水區(qū)調(diào)查的限制，保證采集數(shù)據(jù)的完整性，淺水區(qū)海底地貌測(cè)量“人下不來(lái)，船上不去”的現(xiàn)狀逐步得到改變。脈沖同步控制及頻率差異化配置方法的運(yùn)用，避免了多源聲學(xué)系統(tǒng)互擾，有利于提高調(diào)查效率和基于多源聲學(xué)數(shù)據(jù)的綜合研究?？傮w而言，應(yīng)用水面無(wú)人艇進(jìn)行海底地貌調(diào)查較為穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)高效。通過(guò)完善作業(yè)方法，水面無(wú)人艇的調(diào)查效率還有提升空間，如改進(jìn)測(cè)線布設(shè)系統(tǒng)、提高船速和通信距離等。

5.2 海底地貌聲學(xué)識(shí)別

應(yīng)用水面無(wú)人艇進(jìn)行海岸地貌調(diào)查的關(guān)鍵和核心是調(diào)查資料的可靠性和可用性。整合淺水區(qū)多源地貌聲學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)海底微地貌的水深、尺寸大小、形態(tài)結(jié)構(gòu)、回波強(qiáng)度、淺層結(jié)構(gòu)等特征進(jìn)行精細(xì)分析，同時(shí)結(jié)合其分布位置及環(huán)境特征進(jìn)行地貌類型判讀和解譯（圖2—圖6）。調(diào)查區(qū)識(shí)別的海底自然或人工微地貌單元主要類型及聲學(xué)特征見(jiàn)表2。

5.3 實(shí)效及前景

對(duì)常規(guī)船只和考察人員不能到達(dá)的淺水環(huán)境的測(cè)量和調(diào)查，無(wú)人艇具有填補(bǔ)甚至替代的價(jià)值和意義，淺水區(qū)獲取的多源地貌聲學(xué)結(jié)果有利于對(duì)調(diào)查區(qū)的科學(xué)研究和工程建設(shè)，揭示諸如地質(zhì)災(zāi)害、海底地貌演變規(guī)律、人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境影響等。以海底沙波、航道港池、坑槽、拖痕等地貌單元為例，圖2a 和圖4a 所示沙波呈新月形展布，波形不對(duì)稱，其疊置于沙脊之上則表明該沙脊可能處于活動(dòng)期[18-19]，研究其遷移方向和速率對(duì)海底管線等工程建設(shè)至關(guān)重要。圖2d 和圖4c 所示碼頭港池和航道，通過(guò)定期重復(fù)測(cè)量并分析其深度、坡度、淤積厚度的變化特征，可為疏浚工程、海上交通安全等提供重要參考信息[20]。圖2c 所示具有規(guī)則邊界坑槽和圖3e所示海底拖痕等，反映該區(qū)存在較大規(guī)模的人工活動(dòng)痕跡。

表2 調(diào)查區(qū)識(shí)別的地貌類型及其聲學(xué)特征Table 2 Geomorphologic types and acoustic characteristics identified in the survey area

圖6 海底礁石聲學(xué)立體探測(cè)結(jié)果a. 多波束測(cè)深對(duì)礁石的揭示，b. 側(cè)掃聲吶對(duì)礁石的揭示，c. 淺剖對(duì)礁石的揭示。Fig.6 Acoustic images of submarine reefsa. reefs revealed by multi-beam sounding, b. reefs revealed by side-scan sonar, c. reefs revealed by sub-bottom profile.

值得一提的是，水面無(wú)人艇在淺水海底流體滲漏、海底微地貌的精細(xì)、立體探測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景。其垂向上可實(shí)現(xiàn)多波束水體、側(cè)掃聲吶背散射回波強(qiáng)度、多波束水深點(diǎn)云和淺地層結(jié)構(gòu)的綜合探測(cè)。不同聲源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)地對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行探測(cè)與解譯，可提高探測(cè)的正確性和準(zhǔn)確性，減少解釋誤判，如圖5 和圖6 利用不同聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對(duì)比，揭示出海底沙波、海底礁石地貌單元精細(xì)和立體的聲學(xué)形態(tài)結(jié)構(gòu)特征。

6 結(jié)論

（1）多源聲學(xué)水面無(wú)人艇測(cè)量技術(shù)在淺水海底地貌調(diào)查中可行可靠，較為經(jīng)濟(jì)高效。運(yùn)用脈沖同步控制和發(fā)射頻率差異化配置的方法避免多源聲學(xué)設(shè)備互相干擾，實(shí)現(xiàn)多波束、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面等多源聲學(xué)的同步測(cè)量。通過(guò)合理布設(shè)測(cè)線，無(wú)人艇自動(dòng)巡線，緊急情況下切換至人工操控的調(diào)查方式，實(shí)現(xiàn)安全高效地對(duì)復(fù)雜淺水區(qū)數(shù)據(jù)的獲取。

（2）水面無(wú)人艇聲學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)果可用可靠。獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，可識(shí)別出海底沙波、波紋、礁石、埋藏河道、港池、航道、拖痕等自然或人工微地貌單元。通過(guò)多源聲學(xué)數(shù)據(jù)的綜合對(duì)比，分析其聲學(xué)特征，可減少解釋誤判，實(shí)現(xiàn)淺水海底微地貌精細(xì)、立體、可靠的探測(cè)。

致謝：廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局為該無(wú)人艇的業(yè)主單位，本次成功應(yīng)用是整個(gè)無(wú)人艇團(tuán)隊(duì)拼搏奉獻(xiàn)的結(jié)果，感謝領(lǐng)導(dǎo)、同事、技術(shù)專家在無(wú)人艇地貌調(diào)查過(guò)程中給予的支持和幫助。