渾水中船舶水下觀察檢測(cè)技術(shù)初探

張文瑤，酈智斌(91872部隊(duì)，上海 200083)

渾水中船舶水下觀察檢測(cè)技術(shù)初探

張文瑤，酈智斌
(91872部隊(duì)，上海 200083)

文章主要開展了水下多波束成像觀察檢測(cè)技術(shù)研究，采用多波束聲吶成像、聲透鏡聲吶成像和局部清水成像方法，在渾水水域，對(duì)船舶目標(biāo)進(jìn)行了實(shí)船水下觀察檢測(cè)，從而構(gòu)建了船舶渾水條件下水下觀察檢測(cè)體系。

水下檢測(cè)；聲吶成像；船舶

在我國(guó)東海地區(qū)、長(zhǎng)江流域和江河入海口等渾水區(qū)域，常規(guī)的水下照相、攝像等水下觀察檢測(cè)是無法進(jìn)行的，水下微光攝像、水下激光成像等設(shè)備的使用也是有限的，渾水條件下水下觀察檢測(cè)是世界公認(rèn)的水下作業(yè)難題之一。多波束成像檢測(cè)技術(shù)，與傳統(tǒng)的單波束檢測(cè)系統(tǒng)相比，具有掃幅寬、全覆蓋、高效和高精度的特點(diǎn)，它的誕生對(duì)聲學(xué)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有劃時(shí)代的意義，是解決渾水條件下觀察檢測(cè)的有效技術(shù)手段。

1 水聲成像檢測(cè)技術(shù)

聲波是迄今為止水中最有效的信息載體。高分辨率成像聲吶是在渾濁水域?qū)λ履繕?biāo)以及環(huán)境進(jìn)行成像檢測(cè)的最有效手段。

雖然聲吶技術(shù)的不斷發(fā)展使得成像聲吶的分辨率等技術(shù)指標(biāo)不斷提高，但是由于信息載體和傳輸介質(zhì)的差別，聲吶圖像與我們熟悉的光學(xué)圖像相比，仍然具有分辨率低、噪聲和混響干擾強(qiáng)、目標(biāo)邊緣模糊不清等特點(diǎn)，給水下目標(biāo)的檢測(cè)帶來巨大困難。因此一個(gè)完整的船舶成像檢測(cè)平臺(tái)，除了要有較高分辨率的成像聲吶設(shè)備，還必須配有聲吶圖像處理模塊，依托聲吶圖像處理技術(shù)改善獲取的原始圖像的質(zhì)量，或者在特定需求背景下提取并識(shí)別可疑目標(biāo)，以提高觀察檢測(cè)的效果。

按照水下聲學(xué)成像系統(tǒng)的探測(cè)范圍可把水下聲學(xué)成像系統(tǒng)分為2大類。

第1類就是用于大面積、大深度掃海測(cè)量的水聲成像系統(tǒng)，主要包括多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)和合成孔徑聲吶系統(tǒng)等。

多波束聲吶系統(tǒng)(MBES)以獲取海底測(cè)點(diǎn)的高精度平面位置和水深為主，以獲取圖像信息為輔。現(xiàn)代側(cè)掃聲吶系統(tǒng)(SSS)在成像的同時(shí)也可給出同多波束聲吶系統(tǒng)一樣但位置精確度較差的全覆蓋水深，但以獲取高分辨海底圖像為主，以測(cè)深為輔[1]。

第2類是用于對(duì)近距離、小范圍區(qū)域進(jìn)行成像的水聲成像系統(tǒng)，稱為微地貌探測(cè)系統(tǒng)，主要包括前視聲吶系統(tǒng)、聲透鏡系統(tǒng)等。

前視聲吶最初的用途是避障，主要用來保證水面船只、AUV和潛艇的航行安全，大部分水面船只和幾乎所有的水下潛器都安裝有前視避障聲吶系統(tǒng)。應(yīng)用較多的主要是美國(guó)RESON公司的SeaBat系列產(chǎn)品，例如SeaBat 8128、SeaBat 7128(見圖1)、SeaBat 6012等。

聲透鏡系統(tǒng)利用聲透鏡對(duì)聲波的聚焦原理與光學(xué)透鏡對(duì)光波的聚焦原理相同，可以獲得類似于光學(xué)成像的圖像。我們選用DIDSON 300 m(見圖2)進(jìn)行近距離水下觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。

圖1 SeaBat 7128多波束前視聲吶

圖2 DIDSON 300 m實(shí)物照片

2 聲吶成像對(duì)渾水中船舶等的觀察檢測(cè)

20世紀(jì)70年代末多波束測(cè)深技術(shù)出現(xiàn)以來，在海底地形測(cè)量和江河湖泊水下測(cè)繪中都得到了廣泛應(yīng)用。不僅實(shí)現(xiàn)了測(cè)深數(shù)據(jù)自動(dòng)化和在外作業(yè)準(zhǔn)實(shí)時(shí)繪制測(cè)區(qū)水下彩色等深圖，而且還可利用多波束聲信號(hào)成像，提供直觀的測(cè)時(shí)水下形態(tài)，如探測(cè)水中魚雷、中華鱘、沉船、大壩水下探傷和檢測(cè)船舶吃水深度等。

我們采用SeaBat 7128多波束前視聲吶和DIDSON透鏡聲吶，對(duì)渾水中的船舶進(jìn)行了水下觀察檢測(cè)試驗(yàn)研究，以期解決渾水條件下船舶水下觀察檢測(cè)難題。

2.1SeaBat7128多波束前視聲吶觀察檢測(cè)情況

SeaBat 7128聲吶系統(tǒng)由連接控制單元(LCU)、7-P聲吶處理單元(SPU)、EM7200雙頻接收單元、TC2162雙頻發(fā)射單元和水密電纜等5部分組成，參見圖3。

圖3 SeaBat 7128組成圖

2.1.1 實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

在開展以上聲吶圖像處理技術(shù)理論研究的同時(shí)，本項(xiàng)目利用從國(guó)外購買的美國(guó)RESON公司生產(chǎn)的SeaBat 7128多波束成像聲吶，開展了不同距離、不同水深和不同角度下的實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)研究。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為室內(nèi)水池(長(zhǎng)8 m，寬8 m，深10 m)；實(shí)驗(yàn)設(shè)備為SeaBat 7128 多波束前視聲吶；目標(biāo)類型為浮梯(長(zhǎng)5 m，寬1 m)。圖4為部分典型探測(cè)成像結(jié)果。

圖4 SeaBat 7128探測(cè)距離8 m成像結(jié)果圖

實(shí)驗(yàn)表明，SeaBat 7128多波束成像聲吶能夠?qū)嚯x1～5 m、水深1～10 m的不同角度下的目標(biāo)進(jìn)行有效觀測(cè)，但是目標(biāo)與聲吶頭之間的相對(duì)角度會(huì)對(duì)觀測(cè)結(jié)果帶來影響。

2.1.2 實(shí)船觀測(cè)試驗(yàn)

采用SeaBat 7128多波束成像聲吶進(jìn)行了渾水條件下的碼頭實(shí)船觀測(cè)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)環(huán)境及觀測(cè)結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 實(shí)驗(yàn)環(huán)境示意圖

圖6 SeaBat 7128多波束成像聲吶碼頭觀測(cè)結(jié)果圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SeaBat 7128多波束成像聲吶能夠在渾水條件下對(duì)距離8～150 m、水深1～10 m的不同角度下的目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)于噴泵和螺旋槳目標(biāo)，有效觀測(cè)距離可以達(dá)到100 m以上；當(dāng)目標(biāo)距離小于20～30 m，可以檢測(cè)并識(shí)別出噴泵和螺旋槳目標(biāo)。

2.2DIDSON透鏡聲吶觀察檢測(cè)情況

觀察分析SeaBat 7128多波束成像聲吶獲取的圖像，不難看出：在渾水條件下，其用于大范圍搜尋和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)更為有效，近距離觀測(cè)目標(biāo)的詳細(xì)信息則受各種條件的限制。理論上說，它可以在一定范圍內(nèi)對(duì)家用墻磚大小的物體進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，但實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)不同材質(zhì)和特殊形狀的未知目標(biāo)，很難達(dá)到理想的觀察效果，近距離觀測(cè)目標(biāo)透鏡聲吶更為有效。

DIDSON 使用聲學(xué)透鏡技術(shù)，可以說是一臺(tái)水下聲學(xué)攝像機(jī)，可以形成清晰的物體圖像，具有體積小、重量輕、可由潛水員攜帶，可用于蛙人、魚群、漂浮物等水中目標(biāo)的探測(cè)、顯示與記錄；水雷等水底目標(biāo)的探測(cè)、顯示與記錄。

在同樣條件下，用DIDSON透鏡聲吶進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)，可以較清晰地觀測(cè)到螺旋槳等實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，成像效果明顯優(yōu)于SeaBat 7128多波束成像聲吶。

圖7為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)觀測(cè)到的水下平臺(tái)金屬網(wǎng)格聲吶成像照片，圖8為實(shí)船實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的船舶螺旋槳聲吶成像照片。

圖7 水下平臺(tái)金屬網(wǎng)格聲吶成像圖

圖8 船舶螺旋槳聲吶成像圖

3 聲吶圖像后處理技術(shù)

水下環(huán)境中的噪聲干擾和混響干擾、海洋內(nèi)部的不均勻特性都會(huì)使成像聲吶接收的原始聲圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量急劇降低，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要采用聲吶圖像后處理技術(shù)，才能獲得幾乎可以和水下光學(xué)攝像機(jī)相比擬的圖像效果。同時(shí)，為了保證后期目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性，也有必要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱D像處理和分析。

3.1聲吶圖像特點(diǎn)

聲吶圖像實(shí)質(zhì)上是接收的聲回波能量在平面內(nèi)的分布，屬于二維空間信號(hào)，這一點(diǎn)與光學(xué)圖像類似；但是，各種外在因素的影響使聲吶圖像的質(zhì)量遠(yuǎn)不如光學(xué)圖像。

1)聲吶圖像受噪聲影響嚴(yán)重，對(duì)比度較低。水下復(fù)雜的環(huán)境中，海洋環(huán)境噪聲、艦船自噪聲等是普遍存在的，這些噪聲在聲吶圖像中表現(xiàn)的灰度級(jí)比較豐富，而目標(biāo)灰度級(jí)相對(duì)較少。

2)海洋中大量存在的懸浮顆粒、不均勻結(jié)構(gòu)等使聲波發(fā)生散射，一定程度上也影響了聲波的傳播距離及成像質(zhì)量，使聲吶圖像強(qiáng)度非均勻，某些物體邊緣被弱化。

3)受聲基陣性能的限制，聲吶圖像的分辨率往往不高。

3.2聲吶圖像處理算法

聲吶圖像的這些特點(diǎn)給后續(xù)處理帶來許多困難，需要合理選擇聲吶圖像處理算法。根據(jù)處理目的不同，目前的聲吶圖像處理算法可大致分為預(yù)處理、圖像分割、目標(biāo)特征提取與識(shí)別。

這幾類算法通常需要配合使用來達(dá)到理想的處理效果，例如進(jìn)行圖像分割之前大都需要對(duì)原始圖像進(jìn)行去噪處理，提高圖像信噪比目標(biāo)特征的正確提取則建立在圖像合理分割的基礎(chǔ)上。

實(shí)際研究過程中，我們?cè)贛ATLAB環(huán)境下，將適用于渾水中艦船水下觀察檢測(cè)的圖像處理方法整合并制作了圖像處理軟件，作為多波束聲吶圖像后處理的平臺(tái)，對(duì)聲吶圖像進(jìn)行后續(xù)處理，正確評(píng)估船舶水下技術(shù)狀況。

4 局部清水觀察檢測(cè)

用現(xiàn)有的聲吶成像設(shè)備是難以觀察檢測(cè)船體、螺旋槳和舵等水下裝置表面焊縫、裂紋等。在相同渾水水域，我們采用在攝像或照相裝置前加裝清水箱或清水袋等裝置形成局部清水檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)船體、螺旋槳和舵等水下裝置表面焊縫、裂紋等細(xì)節(jié)進(jìn)行緊貼裝置表面檢測(cè)，從而獲得光學(xué)圖像信息。從拍攝到的船體表面光學(xué)成像圖像觀察，焊縫清晰可見。

5 結(jié)束語

多波束聲吶成像系統(tǒng)是目前水下地形測(cè)量的最主要海洋儀器之一，是主要用于大面積、大深度掃海測(cè)量的水下聲吶成像系統(tǒng)；聲透鏡系統(tǒng)利用聲透鏡對(duì)聲波的聚焦原理與光學(xué)透鏡對(duì)光波的聚焦原理是一樣的，可以得到類似于光學(xué)成像的圖像，是用于近距離、小范圍區(qū)域進(jìn)行成像的水下聲學(xué)成像系統(tǒng)。

通過大面積、大深度掃海測(cè)量聲吶成像系統(tǒng)(如：Seabat 7128)和近距離、小范圍區(qū)域進(jìn)行成像的成像系統(tǒng)(如：透鏡聲吶)的研究，解決了在寬闊水域(特別是渾水水域)遠(yuǎn)距離目標(biāo)發(fā)現(xiàn)，近距離目標(biāo)觀察的難題，配合水下攝像機(jī)(照相機(jī)或ROV)采用局部清水法貼面檢測(cè)船體(或螺旋槳等水下裝置)表面裂紋等狀況，由此構(gòu)建了水下(特別是渾水條件下)遠(yuǎn)距離、近距離和貼近表面一整套檢測(cè)體系，可有效解決船舶水下渾水觀察檢測(cè)難題。

水聲成像技術(shù)不僅可以在渾水條件下對(duì)在航船舶水下觀察檢測(cè)中應(yīng)用，而且在水下探測(cè)領(lǐng)域中，對(duì)水雷、蛙人、水下潛器等靜止和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的大范圍搜尋、檢測(cè)識(shí)別和定位跟蹤等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]陽凡林,吳自銀，獨(dú)知行，等.多波束聲吶和側(cè)掃聲吶數(shù)字信息的配準(zhǔn)及融合[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào),2006，31(8)740-743.

This paper mainly studied the application technology of underwater multi-beam imaging observation.Methods of multi-beam sonar imaging, acoustic lens sonar imaging and local clear water imaging are used.In the muddy water,the underwater observation and detection of the ship target are carried out in order to build a system of ship launching on detection of muddy water conditions.

underwater detection；sonar image；ship

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.011

張文瑤(1963-)，男，遼寧撫順人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事艦船維修保障工作。

2015-08-26