側(cè)掃聲納、多波束掃測在航道應(yīng)急搜尋中的綜合應(yīng)用

劉愛華

(福建省港航勘察設(shè)計院有限公司，福建福州 350002)

0 引言

隨著我國航運(yùn)行業(yè)的發(fā)展，水路貨運(yùn)量不斷上升，航道中貨運(yùn)船舶往來越來越密集，這便不可避免地會出現(xiàn)集裝箱掉落等不可預(yù)見的事故。為最大限度地降低這些事故對航道正常運(yùn)行的影響，需要以最快速、最高效的辦法準(zhǔn)確確定集裝箱掉落的位置，進(jìn)而為打撈集裝箱、促進(jìn)通航順暢提供保障。在進(jìn)行應(yīng)急測量時，綜合利用現(xiàn)有的技術(shù)手段可以提高應(yīng)急搜尋效率。

在應(yīng)急測量中，常用的測量設(shè)備有單波束測深儀、多波束測深儀、側(cè)掃聲納系統(tǒng)等。單波束測深儀可獲得線狀水深，按照常規(guī)集裝箱尺寸測線，按照5m布設(shè)，單天單船掃測面積約0.3～0.5km2；多波束測深儀可獲得全覆蓋面狀水深，掃測時測量船速6 節(jié)左右，預(yù)計每天有效作業(yè)時間7h，每天工作量約70km，多波束有效測深寬度為水深的4～5 倍，綜合計算，單天單船掃測面積約3.5km2；側(cè)掃聲納系統(tǒng)可獲得海底全覆蓋地貌，按照同樣的船速和有效工作時間來計算，單天單船掃測面積約5.6km2。

單波束測深手段在多波束測深技術(shù)發(fā)明前一直在海洋測量中發(fā)揮重要作用，其缺點(diǎn)是信息量少、效率低；多波束測深手段可以獲取精確的水深和定位數(shù)據(jù)，且具有效率高、信息量大、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對船型選擇、安裝條件要求高，不適用于描述地物的輪廓；側(cè)掃聲納掃測手段可以快速獲取清晰的海底聲像圖，具有實時判讀海底地物的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是無法獲取準(zhǔn)確的水深數(shù)據(jù)和較精確的定位信息。綜上，單波束測深手段是上述三種技術(shù)手段中最低效的，多波束測深、側(cè)掃聲納掃測手段顯然更高效，都能確保目標(biāo)測區(qū)全覆蓋、無遺漏。不過這兩種掃測手段也存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，側(cè)掃聲納能得到高分辨率的二維海底地貌圖，并根據(jù)海底回波強(qiáng)度信息定性分析海底介質(zhì)的組成[1]，在效率上優(yōu)于多波束，能夠更高效、更快速地判讀海底目標(biāo)物，但在定位精度上不如多波束手段；多波束能精確水深數(shù)據(jù)和位置信息，在定位精度上優(yōu)于側(cè)掃聲納手段，但在效率上略低于側(cè)掃聲納手段。

在應(yīng)急搜尋測量時，如何最大限度地發(fā)揮側(cè)掃聲納和多波束兩種手段各自優(yōu)勢，來更快速更高效地完成應(yīng)急掃測任務(wù)，成為現(xiàn)在航道應(yīng)急掃測應(yīng)用研究的方向。

1 側(cè)掃聲納

側(cè)掃聲納是一種利用回聲測深原理探測海底地貌和水下物體的設(shè)備，又稱旁側(cè)聲納或海底地貌儀。“側(cè)掃”指的是這種聲納系統(tǒng)不是掃測正前方的水域情況，而是對兩側(cè)水下環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。同時，這種聲納通過拖動海床上方的拖魚聲納探頭，能夠形成該水域環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)。側(cè)掃聲納系統(tǒng)的工作原理是換能器基陣向測量船航向正下方兩側(cè)傾斜發(fā)射聲波，并接收兩側(cè)一定寬度內(nèi)的海底目標(biāo)和地貌的反向散射聲波，返回聲波信號的強(qiáng)弱即可反映海底起伏和地質(zhì)軟硬信息。

每一次發(fā)射均可獲得換能器兩側(cè)一窄條海底或地物的回波信號，利用工作站對回波信號進(jìn)行處理，顯示在顯示器上為一條橫線，橫線上每一點(diǎn)所顯示的位置與亮度分別與回波到達(dá)的時刻及回波信號強(qiáng)度相對應(yīng)。將每一次發(fā)射所獲得的回波信號一線接一線地縱向排列顯示在顯示器上，便能得到一幅反映海底地貌特征的二維聲像圖，聲像圖能夠以不同的顏色或不同的黑白程度反映海底地貌的特征。根據(jù)聲像圖可以快速發(fā)現(xiàn)可疑物體，并判斷出物體的性質(zhì)、大小和形狀[2]。

目前應(yīng)用的側(cè)掃聲納設(shè)備一般具有高、低兩種頻率，且可以同步采集。高低頻的采集數(shù)據(jù)對不同水下的目標(biāo)物具有不同的分辨能力和識別能力。

2 多波束掃測

多波束測深系統(tǒng)又稱為多波束測深儀、條帶測深儀或多波束測深聲納等，它是一種多傳感器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，能同時獲得多個相鄰窄波束的回聲。其工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列進(jìn)行窄波束接收，能得到上百個被測點(diǎn)的水深值，可以快速測出沿航線方向一定范圍內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，形成三維點(diǎn)云圖像[3]。

3 工程實例

某集裝箱運(yùn)輸公司所屬輪船于2021 年8 月5 日03：00 在某港2#錨地發(fā)生集裝箱落海事件，共有13 個空集裝箱落水，集裝箱規(guī)格均為40 尺（約13.33m）高柜，其單個內(nèi)尺寸為：12032×2352×2698（mm）。集裝箱掉落水域附近涉及該港重要航道，所涉及的水域范圍廣、航道通航密度大，因此需要以最快速、最高效的辦法準(zhǔn)確定位出掉落的集裝箱并進(jìn)行打撈，排除航道礙航風(fēng)險，盡早恢復(fù)通航。

由于時間緊、任務(wù)量大，項目組經(jīng)過仔細(xì)分析商討，確定采用側(cè)掃聲納對掉落的集裝箱進(jìn)行初步搜尋，確保測區(qū)全覆蓋、無遺漏，采用多波束對航道重點(diǎn)水域及側(cè)掃聲納掃測過程中獲取的疑似集裝箱掉落的位置水域進(jìn)行精確定位，獲取集裝箱的位置、凸出海底面的高程，以及掉落集裝箱附近水域的實際水深情況，為后續(xù)打撈工作提供數(shù)據(jù)支持。

3.1 側(cè)掃聲納外業(yè)實施

3.1.1 側(cè)掃聲納設(shè)備安裝調(diào)試

設(shè)備采用Klein490 側(cè)掃聲納系統(tǒng)，將側(cè)掃聲納設(shè)備的拖魚聲納探頭在測量船一側(cè)拖曳入水，入水深度為1.5m 左右，準(zhǔn)確量取GPS 天線與側(cè)掃聲納拖魚的相對位置，以便進(jìn)行定位校正（見圖1）。安裝完成后，測量船以低航速平穩(wěn)航行，接通電源測試整套設(shè)備，確保設(shè)備各單元正常工作，各項參數(shù)符合要求。接著測量船在穩(wěn)定的航速和航向下進(jìn)行掃測。

圖1 側(cè)掃聲納現(xiàn)場安裝調(diào)試圖

3.1.2 側(cè)掃聲納掃測實施

掃測實施時海況符合測量要求，設(shè)備儀器及軟件系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。正式掃測前，在掃測區(qū)域進(jìn)行試測。調(diào)節(jié)采集軟件各單元設(shè)備收發(fā)參數(shù)，確保采集到清晰可見、辨別度高的聲學(xué)圖像（見圖2）。掃測時，將測量船的航速設(shè)置為不大于7 節(jié)，技術(shù)人員實時對聲學(xué)圖像的清晰度和可辨識度進(jìn)行評估，若信號質(zhì)量不穩(wěn)定或聲學(xué)圖像質(zhì)量不滿足后處理要求，需及時調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，確保信號質(zhì)量穩(wěn)定。

圖2 側(cè)掃聲納瀑布圖

3.2 多波束掃測外業(yè)實施

3.2.1 多波束掃測設(shè)備安裝調(diào)試

設(shè)備采用SeaBat T20-P 多波束測深儀，設(shè)備應(yīng)安裝在距船頭二分之一船長處，吃水1.18m。在測量船首尾線上中部重心較低的位置安裝羅經(jīng)傳感器，并使其北方向指向船首，方向線與船首尾線平行。測定設(shè)備的安裝坐標(biāo)，將測得的坐標(biāo)輸入導(dǎo)航及采集軟件中。連接各組設(shè)備，接通電源檢測整套系統(tǒng)。掃測前對橫搖偏差（Roll）、縱搖（Pitch）、艏搖（Yaw）等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)（現(xiàn)場安裝調(diào)試情況見圖3）。

圖3 多波束現(xiàn)場安裝調(diào)試圖

3.2.2 多波束掃測實施

多波束掃測針對航道的重點(diǎn)水域及側(cè)掃聲納過程中疑似集裝箱掉落的位置水域進(jìn)行掃測。

多波束系統(tǒng)安裝完成后，準(zhǔn)確量取羅經(jīng)和探頭、傳感器以及GPS 等設(shè)備、系統(tǒng)的相對位置，然后在采集和導(dǎo)航軟件中輸入這些位置信息。平面定位儀器采用Trimble SPS 461，導(dǎo)航軟件采用PDS2000。

內(nèi)業(yè)處理軟件采用軟件Caris Hips 9.0，用以處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，最終按照1∶10 的密度要求（測點(diǎn)間距0.1m）進(jìn)行抽稀輸出數(shù)據(jù)，三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云圖見圖4。

圖4 三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云圖

3.3 掃測結(jié)果

通過3d 對重點(diǎn)航道、重點(diǎn)水域全覆蓋掃測，共計完成測線192km，多波束掃測疑似區(qū)2.5km2，發(fā)現(xiàn)疑似點(diǎn)如圖5、圖6 所示。結(jié)果比單獨(dú)采用側(cè)掃聲納或多波束掃測方式提前約2～3d?？梢娋C合采用兩種技術(shù)手段，可以大大提高搜尋掉落集裝箱的效率，更快速恢復(fù)航道正常通航，避免造成更大損失。

圖5 側(cè)掃聲納疑似點(diǎn)圖

圖6 多波束疑似點(diǎn)圖

3.4 經(jīng)驗啟示

3.4.1 考慮到此次掃測期間潮差大、水流急，如果集裝箱沒有沉沒而是隨潮流漂移，就很難搜尋定位。此時只能先確保主要通航水域沒有障礙物，但浮箱流向未知，需加強(qiáng)對重點(diǎn)水域進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。

3.4.2 在重大應(yīng)急任務(wù)面前，需儲備足夠的支撐保障，既需要儲備足夠的專業(yè)、高效的應(yīng)急掃測隊伍，同時也需要儲備足夠的能隨時調(diào)遣的多專業(yè)技術(shù)裝備等。

3.4.3 落水集裝箱漂移方向，是否埋入泥底等情況未知，若能掌握事發(fā)水域流場信息，能為判定落水集裝箱走向提供較大幫助。在日常，非常有必要提前對重點(diǎn)水域開展風(fēng)場、水文、水流、海床等課題研究，儲備相關(guān)資料，建立流場模型，模擬掉落物、漂移物軌跡等，為制訂搜尋掃測方案提供參考，提高應(yīng)急掃測效率，系統(tǒng)防范掉落物掉落對通航安全帶來的風(fēng)險。

4 結(jié)語

上述案例表明，綜合采用側(cè)掃聲納和多波束兩種技術(shù)手段，相較于只使用其中一種技術(shù)手段，工作效率更高，有利于航道管理部門更快地?fù)屚ㄐ迯?fù)航道，能夠減輕和消除航道集裝箱掉落引起的危害，保證船舶航行安全。同時，綜合采用側(cè)掃聲納和多波束兩種技術(shù)手段，能夠取得更準(zhǔn)確、更直觀的搜尋結(jié)果，提高應(yīng)急掃海的效率，可為航道快速復(fù)航提供有力的數(shù)據(jù)支持。

隨著各種技術(shù)手段的進(jìn)步，在未來，通過不斷實踐，更多、更新的測量技術(shù)手段將被綜合應(yīng)用，會進(jìn)一步提高應(yīng)急測量的效率。