水下目標探測項目設備應用和發展趨勢

◎ 王久 曹敬濤 盧秉武 何邦濤 廣州海事測繪中心

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水下目標探測項目設備應用和發展趨勢

◎ 王久 曹敬濤 盧秉武 何邦濤 廣州海事測繪中心

摘 要：本文介紹了近兩年水下目標探測項目和設備的特點，總結了未來掃測設備應用的發展趨勢等。

關鍵詞：目標探測 多波束 側掃聲納

圖一、相關項目部分探測設備和探測圖像

1.引言

近年來，以側掃聲納和多波束系統為代表的水下探測設備發展迅速，相關項目應用越來越多。現選取以下比較有代表性的幾類進行比較分析：深淺水的失事飛機搜救、大小面積的掃海測量、深淺水的沉船掃測，這些項目上的設備應用在一定程度上代表了目前國際水下探測設備的前沿與未來發展趨勢。

2.近兩年相關項目應用概述

2.1馬航MH370和亞航QZ8501搜索

（1）MH370于2014年3月8日失聯，現荷蘭輝固（Fugro）公司的赤道、Havila和諧號和中國的東海救101船仍在進行搜索。按ATSB（澳大利亞運輸安全局）對MH370搜索聲納的技術指標要求，特別強調目標特征探測能力。飛機墜海后殘骸中一般會有幾塊面積較大的物體，參考法航447殘骸，發現引擎約4m長、3m寬，落地門2m長，也就說特征探測能力要求至少2m3，相當于IHO S-44規范40米以淺目標探測要求。適時，伍茲霍爾運行的AUV Nereus在探索克馬德克海溝時疑發生陶瓷層內爆失蹤。故最后確定方案為聲學深拖設備進行高效率掃測，AUV進行疑似目標確認。主要搜索設備：

①Bluef in-21標配EdgeTech 2200-M側掃聲納（120/410KHz，230/850KHz），Reson Seabat 7125多波束（200/400KHz），EdgeTech DW-216淺地層剖面儀（2-16KHz）。

②馬來政府雇傭的Go Phoenix配備ProSAS-60合成孔徑聲納，退出任務后，由東海救101繼續進行搜索。ProSAS-60中央頻率60KHz，最高分辨率10㎝×10㎝，單側掃寬1500m。

③承擔主要任務的輝固赤道號通過Dragon Prince深拖組合EdgeTech 2400 Deep Tows（DT1）進行探測，發現疑似目標后，由Havila和諧號釋放AUV （HUGIN 4500）進行精掃，標配為Kongsberg EM2040多波束和EdgeTech 2400側掃聲納。如2016年初，DT1發現疑似金屬構件，AUV確認目標為19世紀商船（圖一左上）。DT1側掃聲納掃測時最低頻率默認75KHz，Range700-800m。EM2040多波束低頻200KHz，掃寬890m。船速控制：輝固船只的速度為2.7節，鳳凰行號的速度為1.8節。綜上，測線大概按照700-800m要求進行布設，忽略惡劣海況、凹凸地形和儀器本身性能極限，按測量面積和船速可以估算出掃測計劃時間。

（2）2014年12月底，QZ8501在爪哇海域墜毀。以參與搜索的印尼方為例。MGS GEOSURVEY船配備EdgeTech 4200MP側掃聲納、R2Sonic SONIC 2020多波束，Fugro的Starfix 9200-G2 差分系統定位。搜索時劃分了失聯區域、雷達捕獲區域和漂浮物區域，最后在雷達捕獲區域發現機翼、機尾和大部機身，進行側掃聲納、多波束復測和ROV拍攝圖像（圖一右上）。

2.2珍珠港沉船和諾曼底登陸水域測量

（1）為觀測沉船降解和構建3D可視化模型，2014年亞利桑那號戰艦紀念館對亞利桑那號和猶他號進行了水下、水上三維測量。測量同時采用多波束測深系統、激光掃描儀、水下相機進行。淺水采用無人船搭載R2SONIC SONIC 2020多波束進行掃測，深水采用R2SONIC SONIC 2024進行掃測，水上部分采用FARO激光進行測量，PPK（后處理）差分定位。

（2）為紀念諾曼底登陸，構建GIS數據庫申遺，截至2014年，一些公司和個人志愿完成了諾曼底附近大概500㎞2海域的掃測。項目水域多在15～49m水深之間，采用EdgeTech 4600 （540KHz）組合測深聲納進行了大面積掃測，R2SONIC SONIC 2024 （700KHz）多波束進行精掃，SeaBotix 的ROV、潛水員和載人潛水器同時進行攝像確認目標（圖一左下），Trimble SPS 855實現RTK和Fugro Marinestar的星基差分定位。

2.3El Faro商船和湛江彩虹應急搜救

（1）El Faro于2015年10月1日在百慕大遭遇颶風沉沒，失事船長241m，寬32m，水深約4600m，根據航跡、救生圈和集裝箱殘片漂流路徑進行分析掃測，于月底發現殘骸，但主桅桿和船舶航行數據記錄儀（VDR）未找到。船體的搜索由CURV-21組合TPL、ORION側掃聲納進行，CURV-21可以在側掃聲納和ROV功能之間切換；側掃聲納（57/240KHz）高頻300m掃寬用來分辨小目標，低頻1800m和3000m掃寬搜索飛機殘骸和大型沉船。在發現船體殘骸后，由伍茲霍爾提供的AUV哨兵（Sentry）繼續搜索VDR，VDR僅水桶大小，搜索難度大，AUV標配BlueView的P900-90前視聲納、EdgeTech 2200-M側掃聲納（120/410KHz）、Reson 7125 多波束（200/400KHz），還搭載了EdgeTech 2205側掃聲納（850KHz以上）。在使用多波束精掃沉船附近水域后，根據淺點分布細劃掃測區域，于2016年4月底發現VDR。

（2）湛江臺風彩虹應急掃測于2015年10月3日開始，投入5條船舶，3套多波束，2套側掃聲納，完成約50㎞2面積水域掃測。湛港拖3船配備EdgeTech 42 0 0 M P、湛港引3船配備K l e i n HydroScan側掃聲納分別掃測沉船和集裝箱，海巡1761船攜Reson SeaBat 7101、租用船舶安裝R2SONIC SONIC 2024多波束進行全港池航道掃測，RBN/ DGPS定位。在航道內掃測到兩處沉船影像，參考失事船舶的AIS路徑制定計劃進行集裝箱掃測后，沿軌跡方向發現五十余個集裝箱影像（圖一右下）。

3.項目特點和設備應用發展趨勢

（1）對目標特征點探測要求變高。IHO S-44、LINZ、USACE、CHS等規范對目標探測和覆蓋率的規定都越來越嚴格，IHO特等測量要求在40m以淺水深，大于1m3的特征物必須被探測到；而USACE硬底質探測目標要求0.5m3，命中波束數大于3個。業內較為嚴格的LINZ標準規定特等水域需200%覆蓋，并且：1）為描述海底特征，必須縱橫各3次命中探測目標；2）為達到上述要求，Ping與Ping中心的距離不能超過被探測目標的一半。而CHS則考慮CUBE建面的需要（如15m以淺0.25m分辨率），網格內至少要有5個波束以保證數據密度。基于以上條件，目標探測對船速控制和覆蓋率等都有更高要求。

（2）探測設備的分辨率也越來越高。①現水下探測主流設備仍然是淺水多波束和側掃聲納，但UHR（Ultra High Resolution）設備開始推廣應用，高頻多波束如R2SONIC SONIC 2024 （700KHz），高頻側掃聲納（900KHz-2400KHz）如Sea Scan HDS、EdgeTech 4125、Klein 5900等，其他高頻三維聲納如Echoscope、BV5000等，新技術設備如SAS和水下激光掃描儀等，對目標特征探測更加詳細；②動態聚焦、多脈沖、姿態穩定等新技術普遍應用在各種探測設備上；③定位設備的精度也逐漸提高，RTK、PPK等技術成熟，OmniStar G4、Veripos、StarFire等星基差分應用陸續開始支持北斗系統，水下USBL、DVL、INS廣泛應用在ROV、AUV導航上。

（3）成果格式要求由多樣化日趨一致。以NOAA多波束提交成果為例，在2014年之前要考慮Fledermaus面、ESRI Arc ASCII、KML、GeoTIFF、XYZ、TXT等各種軟件支持格式的需求，現則只需要提交符合S-102規范的BAG（水深屬性網格）和GeoTIFF格式文件，BAG格式已被CARIS、ARCGIS等海洋GIS類軟件支持。

（4）平臺多樣化，USV、AUV、ROV應用越來越廣泛。近年來，水上USV和水下AUV、ROV等新技術在海道測量、應急搜索、科學探測等方面的應用有所進展。ATLAS、Kongsberg、LRI等公司的產品推廣很快，多可同時搭載測深儀、多波束、側掃聲納、SAS、照相機等設備，實現不同的功能，大量節省時間和成本，還達到了更準確探測的目的。

（5）設備向小型化、集成化發展。多波束設備的應用尤為明顯，如2014 年Teledyne Odom、LRI、CARIS在夏威夷進行的海試，使用波浪滑翔者SV3無人船搭載Odom MB1多波束集成剖面聲速儀、GPS、姿態、羅經進行測量，CARIS開發的Onboard模塊自動生成BASE Surface，輸出BAG文件上傳，全程無需人工參與，極大地解放了人力。

（6）設備擴展開發、綜合和組合應用越來越多。擴展應用方面，多波束測深系統的側掃聲納/Snippets、WCI數據廣泛應用于沉船掃測中；綜合應用如船載激光和多波束三維測量等方面的研究技術成熟，EdgeTech 6205和2000-DSS等組合設備的使用頻率增多。

7、IT技術的發展影響明顯。SSD固態硬盤、4G通訊技術等新技術產品的推廣普及，在數據存儲和傳輸等方面，極大推動了水下探測技術的發展。以3D打印為例，在2014年的HMS Erebus（幽冥號）掃測項目中有典型的應用。

圖二、幽冥號沉船掃測圖像和3D模型

4.結語

通過比較不難發現：①合理利用已有資料進行分析、計劃，針對項目要求選用合適設備，對微小障礙物采用多種方法綜合判斷等都有助于提高目標探測的效率；②水下探測設備和技術的更新應用越來越快，也不在局限于傳統的保障航海安全范圍，我們在探測技術和設備的推廣應用上還有待提高。

參考文獻：

［1］POERBANDONO. Seafloor Swathe Survey for Search and Rescue Mission of Air Asia QZ8501 ［J］. Geodesy and Geomatics Engineering.2015.