側(cè)掃聲吶在應(yīng)急測(cè)量中的應(yīng)用
——以“穗富航628”輪落水集裝箱搜尋為例

徐禮鵬（南海航海保障中心廣州海事測(cè)繪中心，廣東 廣州 510320）

一、引言

伴隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，上世紀(jì)60年代英國(guó)海洋研究所研制出第一個(gè)實(shí)用型側(cè)掃聲吶，現(xiàn)已演變成以計(jì)算機(jī)軟硬件一體化為基礎(chǔ)，將聲吶數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和圖像顯示綜合集成的現(xiàn)代側(cè)掃聲吶探測(cè)系統(tǒng)[1-4]。現(xiàn)代側(cè)掃聲吶系統(tǒng)具有高分辨率、圖像清晰、操作便捷、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前已在海底目標(biāo)探測(cè)，尤其是在海底礁石、沉船、管道、電纜以及各種水下目標(biāo)探測(cè)方面得到成熟的應(yīng)用。董慶亮、王久、賴培偉等人利用側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的高分辨率成像，有效增強(qiáng)海底地形地貌，在海底沉船和飛機(jī)殘骸的搜尋工作中取得較好的探測(cè)效果[5-7]；庫(kù)安邦則在海底管道檢測(cè)工程中利用側(cè)掃聲吶系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究[8]；為探知施工區(qū)水下障礙物情況和海底狀況，張興強(qiáng)等人通過(guò)水聲定位學(xué)原理的側(cè)掃聲吶技術(shù)全覆蓋掃測(cè)施工區(qū)海域，準(zhǔn)確獲取海底信息，能夠有效指導(dǎo)海上風(fēng)電場(chǎng)施工[9]。將回聲測(cè)深原理和高分辨率成像結(jié)合在一起的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)能夠清晰探測(cè)海底地形地貌和水下物體，給海上應(yīng)急測(cè)量帶來(lái)極大便利，是沉船和落水集裝箱等海上搜尋應(yīng)急測(cè)量工作的首選搜尋利器。

2021年11月8日凌晨，從中國(guó)香港開(kāi)往佛山的貨輪“穗富航628”輪在航經(jīng)深圳礬石水道水域時(shí)，突發(fā)機(jī)艙進(jìn)水，導(dǎo)致貨輪沉沒(méi)。船上67個(gè)集裝箱貨柜落水，漂浮及沉沒(méi)在珠江口內(nèi)伶仃水域，給深圳西部轄區(qū)海域船舶航行帶來(lái)安全隱患，粵港澳多條高速客運(yùn)航線被迫停航，深圳港港口作業(yè)存在安全隱患。深圳海事局商請(qǐng)南海航海保障中心廣州海事測(cè)繪中心派遣應(yīng)急掃測(cè)力量前往事發(fā)水域開(kāi)展緊急掃測(cè)工作，確定沉船及集裝箱沉沒(méi)位置，保障水上交通安全。

二、技術(shù)路線

（一）側(cè)掃聲吶系統(tǒng)組成

側(cè)掃聲吶是通過(guò)側(cè)方發(fā)射聲波來(lái)探測(cè)水體、海底聲學(xué)結(jié)構(gòu)和介質(zhì)性質(zhì)的儀器設(shè)備[4]。側(cè)掃聲吶系統(tǒng)由數(shù)據(jù)顯示和記錄單元、數(shù)據(jù)傳輸和拖曳電纜、水下聲波發(fā)射和接收換能器三大部分組成。如圖1所示。

（二）側(cè)掃聲吶工作原理

側(cè)掃聲納系統(tǒng)主要是利用海底表面物質(zhì)背散射特征的差異來(lái)判斷目標(biāo)物的沉積屬性或形態(tài)特征?；夭ㄐ盘?hào)較強(qiáng)的目標(biāo)圖像較黑，聲波照射不到的區(qū)域圖像顯示色調(diào)偏淡，根據(jù)影區(qū)顯示長(zhǎng)度可以估算掃側(cè)目標(biāo)的高度。側(cè)掃聲吶工作時(shí)向兩側(cè)發(fā)送寬角度（垂直方向）聲波波束，單側(cè)每個(gè)條帶探測(cè)寬度能夠達(dá)到數(shù)十米至數(shù)百米，通過(guò)接收海底返回的背散射數(shù)據(jù)對(duì)海底進(jìn)行成像，通過(guò)聲吶數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)時(shí)呈現(xiàn)海底地形地貌，是否有礙航物和海底底質(zhì)類(lèi)型等信息。用戶根據(jù)不同探測(cè)目的，從1 kHz到1 MHz選擇不同頻率的發(fā)射波束進(jìn)行目標(biāo)物的探測(cè)工作[9]。較低的工作頻率可以有較大的探測(cè)距離，而較高的工作頻率能在有限長(zhǎng)度的傳感器尺寸下得到高的角度分辨力。一般100 kHz左右的聲吶作用距離可達(dá)600 m，500 kHz左右的聲吶工作距離為150 m左右。

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：一是測(cè)量效率高，滿足應(yīng)急測(cè)量要求。掃寬可達(dá)10倍多水深，在淺水區(qū)域測(cè)量，能夠大大提高測(cè)量效率，減少工作時(shí)間與成本。二是測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確率高。側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)獲取便捷，影像識(shí)別能力好，所見(jiàn)即所得，能夠區(qū)分目標(biāo)物底質(zhì)特征，采集的數(shù)據(jù)不僅精度高，而且影像隨時(shí)回放、實(shí)時(shí)查看。三是簡(jiǎn)便易操作。側(cè)掃聲吶系統(tǒng)組成簡(jiǎn)潔，只需主機(jī)和定位系統(tǒng)即可進(jìn)行掃測(cè)，同時(shí)其供電可選用蓄電池或者220 V交流電，不僅可以進(jìn)行拖曳式測(cè)量，也可以固定安裝在大型船只、小漁船、皮筏艇等任何船體上進(jìn)行測(cè)量工作。

三、“穗富航628”輪落水集裝箱搜尋事例

（一）作業(yè)流程

為搜尋散落各處的集裝箱，盡快排除深圳西部海域的海上交通安全隱患，應(yīng)急掃測(cè)工作嚴(yán)格遵循安全、快速、科學(xué)、準(zhǔn)確的原則，應(yīng)急人員依據(jù)《沿海通航水域應(yīng)急掃海測(cè)量管理辦法》的要求，第一時(shí)間掌握事故沉船位置、報(bào)警時(shí)間、沉沒(méi)時(shí)間、航速、航向等基本信息，同時(shí)結(jié)合事發(fā)當(dāng)時(shí)海上風(fēng)速、風(fēng)向、能見(jiàn)度、海水流向、流速等氣象條件，及時(shí)獲取事發(fā)海域水深、潮流、海底地貌、已（疑）存障礙物情況等地理信息，為應(yīng)急掃測(cè)方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。

通過(guò)“穗富航628”輪沉船位置，分析研判落水集裝箱漂移路線，按照沿海通航水域應(yīng)急掃測(cè)技術(shù)要求[10]，一方面確保重要航道及港口優(yōu)先安全通航，另一方面根據(jù)集裝箱漂移路徑進(jìn)行科學(xué)預(yù)判，科學(xué)制定掃測(cè)方案，集中力量在可能性最大的區(qū)域進(jìn)行掃海作業(yè)。此次掃測(cè)將水域劃分為A、B、C三大區(qū)域（如圖2所示），分布在深圳海事局珠江口管轄水域，包含礬石水道、大鏟水道、銅鼓水道、龍鼓西水道、福永至香港的高速客輪船航線水域、內(nèi)伶仃島南北水域。掃測(cè)水域長(zhǎng)約38 km，寬約12 km，掃測(cè)面積約380 km2。按照側(cè)掃聲吶測(cè)量技術(shù)要求[11]，測(cè)量人員完成掃測(cè)船導(dǎo)航儀器、側(cè)掃聲吶設(shè)備安裝、調(diào)試和校準(zhǔn)等測(cè)前工作準(zhǔn)備，為掃測(cè)工作的順利開(kāi)展提供支撐。應(yīng)急測(cè)量系統(tǒng)組成如圖3所示，側(cè)掃聲吶系統(tǒng)作業(yè)流程如圖4所示。

圖2 掃測(cè)區(qū)域及范圍

圖3 應(yīng)急測(cè)量系統(tǒng)組成

圖4 掃測(cè)作業(yè)流程

四、結(jié)語(yǔ)

“穗富航628”輪應(yīng)急掃測(cè)工作中，廣州海事測(cè)繪中心派出3個(gè)應(yīng)急小組，歷時(shí)12個(gè)晝夜，共完成3 739 km的掃測(cè)里程，掃測(cè)面積達(dá)380 km2，共搜尋到45個(gè)落水集裝箱，既往歷史沉船74艘，通過(guò)掃測(cè)迅速掌握事故水域水下地形概況，避免發(fā)生次生事故，保障來(lái)往船舶通航安全。

應(yīng)急掃測(cè)時(shí)間緊、任務(wù)重、要求高，對(duì)參與應(yīng)急掃測(cè)人員的技術(shù)和設(shè)備的選取都有更高的要求。實(shí)踐證明，使用先進(jìn)的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)搜尋落水集裝箱，工作效率高、工期短，預(yù)期效果較好，也為海事測(cè)繪部門(mén)今后科學(xué)制定應(yīng)急掃測(cè)方案，快速高效應(yīng)對(duì)海上交通安全事故應(yīng)急掃測(cè)工作提供參考和借鑒。

（二）落水集裝箱判讀

應(yīng)急測(cè)量采取傳統(tǒng)電纜拖曳拖魚(yú)的作業(yè)方式，保持船速勻速前行，確保拖魚(yú)姿態(tài)更加穩(wěn)定。在側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，通過(guò)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)綜合管理軟件進(jìn)行測(cè)線布設(shè)和導(dǎo)航、聲吶影像顯示、軌跡跟蹤和區(qū)域覆蓋、結(jié)合數(shù)據(jù)采集記錄和回放、障礙物目標(biāo)識(shí)別和判讀，確認(rèn)海底障礙物是否為落水集裝箱。通常，側(cè)掃聲吶信號(hào)遇到集裝箱會(huì)返回強(qiáng)反射信號(hào)，聲波無(wú)法穿透的地方則形成陰影部分[12]，可以利用軟件實(shí)時(shí)影像精確量取強(qiáng)反射物體的長(zhǎng)、寬、高，從而輔助作業(yè)人員精確判斷目標(biāo)物的尺寸。考慮到側(cè)掃聲吶會(huì)受姿態(tài)、掃測(cè)方向、掃測(cè)速度等因素影響，影像會(huì)產(chǎn)生變形，掃測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)疑似目標(biāo)物，可以多方向、多次反復(fù)對(duì)疑似目標(biāo)物進(jìn)行掃測(cè)確認(rèn)，提高測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確率。如圖5、圖6所示。

圖5 多方向判讀疑似落水集裝箱影像

圖6 疑似落水集裝箱變形影像