基于多波束和側掃聲納的海洋測量探討

馬海偉

摘 要：隨著海洋經濟的迅速發展，海域使用開發活動日益頻繁。本文以平臺就位為例，在平臺就位前，對該平臺周圍進行了地貌及海底障礙物狀況調查，并為潛水探摸提供障礙物定位。采用GPS定位系統、多波束系統和側掃聲納系統組合進行掃海測量，以提高聲圖中海底平臺附近的障礙物定位精度。

關鍵詞：聲納系統 海底 障礙物 探測

中圖分類號：P714 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（a）-00-02

近年來，隨著海洋經濟的發展和海洋開發的深入，海上活動愈加頻繁，障礙物的存在和位置的不確定性已經制約了沿海港口建設的進一步發展，影響了艦船航行安全，盡快探清障礙物已成為當務之急。但是傳統的探測方法效率低、手段少、精度差。本文從側掃聲納、多波束測深、磁力儀探測能力和特點入手，結合作業實踐，提出了綜合利用多種手段進行探測的方法。

現有的沉船探測步驟為：（1）走訪沉船海區所屬轄區的海事部門收集資料，按照年代和區域進行分類。（2）以給定的概位為中心劃出2km×2km的區域先用側掃聲納進行掃測。（3）若側掃聲納探測到目標，根據聲圖像量出沉船的位置、大小和高度，再用多波束在側掃聲納探明的目標周圍測量水深，測出最淺點水深并繪制一定比例尺的水深圖，水深測量期間設置臨時驗潮站用于水位改正。（4）綜合分析多波束水深數據和側掃聲圖像，并用多波束最淺點修正沉船位置坐標。（5）若側掃聲納掃測未發現沉船目標，則擴大掃測范圍至4km×4km，發現目標后用多波束進行水深測量，若仍然沒有發現，可用磁力儀進行探測，磁力數據有異常，說明沉船已淤于泥下。若磁力數據無異常，說明沉船未在給定區域或已清除。相對來說，對于疑存雷區和未爆炸彈探測手段很少，現在最有效的手段是磁法探測，用磁力儀定深探明水雷和未爆物的位置，但磁法探測要求高、效率低、探測區域大，只能逐年分塊進行探測。

1 儀器工作原理和技術要求

1.1 側掃聲納

1.1.1 側掃聲納工作原理

側掃聲納利用換能器向船航行方向兩側發射具有一定指向性的高頻聲波束，聲波束照射到左右兩側一定寬度范圍內的海底表面，聲波觸及海底表面上的地物產生返向的散射聲波，從聲圖像中檢出海底表面上的地物性質、大小、高度。側掃聲納拖曳式測量拖魚遠離工作船，可大大降低干擾噪聲，工作穩定，不受船體俯仰搖擺影響，傳播條件良好。用側掃聲納探測作業效率高，聲圖像反映沉船直觀，容易判斷，是探測沉船的首選方法。

1.1.2 技術要求

探測時要遵守以下技術要求。

（1）測線布設：測線布設要全覆蓋。（2）航速：測船的航速不超過6kn，測量時盡量保持勻速直線行駛。（3）海況：風速5級以下，波浪輕浪。風浪大時側掃聲納拖魚在水中起伏，影響聲圖像質量，同時水體噪聲增強。（4）定位精度：使用高精度的DGPS。（5）拖魚高度：拖魚離海底的高度控制在側掃量程的10%～15%。（6）量程：一般粗掃測用150m量程檔，精掃測用75m量程檔。（7）加密測量：對探測目標不少于2個取向加密，可以減少目標位置中誤差，提高沉船位置精度，加密測量時測船航速控制在2～3km，以增加探測目標的聲圖像素。

2 側掃聲納系統拖魚的精確定位

側掃聲納的掃海測量涉及以下幾個坐標系統：拖魚坐標系、船體坐標系、測量坐標系。簡述如下。

（1）拖魚坐標系是以拖魚中心為坐標原點，拖魚前進方向為x軸，以垂直向下為y軸。（2）船體坐標系主要是以船體中心或GPS定位點為坐標原點，船艏方向為x軸方向，垂直于船體方向為y軸方向（右舷為正），垂直向下為z軸方向，組成右手坐標系。船體坐標系主要是利用船舶導航定位系統確定拖體的坐標。測量時需要有船舶艏向和GPS點與拖體之間的相對位置關系。（3）測量坐標系是海洋施工定位測量，一般情況下使用WGS84坐標系或1954北京坐標系。如果測量范圍不大，可以采用三參數法進行坐標轉換，如果范圍較大，則需要七參數。如果需要更高精度的定位，可以采用GPSRTK的定位模式。

在側掃聲納掃海測量中，一般認為海底平坦，且拖魚位于測船正后方。基于這兩點假設，可采用多波束測深信息確定拖魚位置，使障礙物精確定位成為可能，如圖1所示。

3 測線的技術設計

根據調查目的，為保證調查區域側掃聲納全覆蓋，本次調查過程中分別布設東西向和南北向側線。其中東西向按照靠近平臺處按照10m間距布設，遠離平臺區按20m間距布設。南北向按100m間距布設了兩條檢查線。

調查中，盡量保持TVG 不變，以保證圖像的灰度一致，每條測線圖像清晰。高低頻單側量程均使用100m，保證海底全覆蓋調查。航行時實際測線偏移沒有超過設計間隔的20%，航速保持穩定，船速5km左右。

資料采集過程中解釋人員進行現場解釋，發現如洼地、障礙物為特殊地貌地物時，現場分析判斷，做出是否進一步探測的決定，并做好記錄。采用Discover 軟件回放現場采集的地貌數據，提取平臺樁腿、管線和鉆井平臺遺留洼地實際坐標以及海底可疑物坐標和尺寸，并對側掃聲納數據進行偏移量改正、傾斜改正、TVG 調節等必要的處理，計算海底可疑物體準確位置。

4 應用實例分析

本文結合某工程實踐——平臺障礙物調查工程，調查寬80m、長100m范圍的某平臺預就位區域內，是否有影響平臺就位的海底障礙物。主要儀器有DSM232GPS/信標接收機（Trimble）、HY1600型精密回聲測深儀和EdgeTech4200-FS雙頻側掃聲納系統。利用Hypack_MAX軟件，依據測深記錄模擬打印卷，對數字化采集的水深值進行檢查比對。在比對水深時，對因受風浪影響測深回波信號呈波浪狀時的水深值從距波峰1/3波峰波谷之差處量取，水深摘錄精確至0.1m。水深摘錄完畢后，進行主測線與檢查測線的水深比對，兩測線相交處水深差值為0～0.1m，符合規范要求。100%的檢查完畢確定無誤后進行水位改正。本次測量過程中，水位采用預報潮位，然后輸出成圖。

表1為鉆井船遺留洼地中心坐標，表2為障礙物的中心坐標。根據側掃聲納掃海設備對平臺北側100m×80m范圍進行的水深測量和地貌調查，發現洼地9個，明顯障礙物1個。洼地1、洼地2、洼地3緊靠平臺；其寬度分別為24.5m、26.2m、33.1m；其深度分別為0.9m、0.9m、0.6m。洼地4～洼地9離QK172E平臺較遠，其中洼地4、洼地5與洼地6緊密相連，洼地7與洼地8也相互連接，估計為以前施工痕跡；各個洼地寬度分別為33.2m、27.3m、20.8m、25.8m、35.7m、25.3m；各個洼地深度分別為0.7m、0.6m、0.7m、0.8m、0.7m、0.6m。障礙物位于洼地1中，其圖像顯示為一個點狀物體，突出海底約1.3m。經過潛水探摸后，確定為一堆廢棄漁網。

5 結語

側掃聲納系統在掃海測量時，能夠給出高分辨率的聲強信息，但其位置信息精度低。本文采用GPS定位系統、多波束系統和側掃聲納系統組合進行掃海測量，可提高拖魚的位置推算精度，改善以往單一側掃系統目標位置精度低的問題。結果表明了該方法對海底目標物掃測有較高的適用性，有效提高目標位置精度。

參考文獻

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