淺析側(cè)掃聲納在水下搜尋救助作業(yè)中的應(yīng)用

楊偉光

摘 要：本文通過(guò)對(duì)南海救助局廣州救助基地裝備的Klein5000v2進(jìn)行的兩例救助案例進(jìn)行分析，結(jié)合案例討論側(cè)掃聲納與潛水員協(xié)同完成落水目標(biāo)搜尋的方法。可以為今后水下搜尋救助作業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：側(cè)掃聲納 救助 打撈

側(cè)掃聲納廣泛應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查、礦物勘探、海洋工程勘探、探測(cè)水雷、等領(lǐng)域。作為一種新型的搜尋救助手段，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)潛水救助中對(duì)于水下目標(biāo)搜索和定位手段的不足，提高了水下應(yīng)急處置和救助能力。

1.設(shè)備介紹

1.1側(cè)掃聲納

側(cè)掃聲吶是一種主動(dòng)聲吶系統(tǒng)，側(cè)掃聲吶原理是向測(cè)量船航向的垂直方向一側(cè)或兩側(cè)發(fā)射一個(gè)水平開(kāi)角很小（約1度左右），垂直開(kāi)角很大的短聲波脈沖，脈沖到達(dá)海底后，根據(jù)海底距換能器的遠(yuǎn)近，被不斷反射，并按反射信號(hào)的強(qiáng)弱程度畫(huà)出灰度變化不均的聲吶圖像，從聲吶圖像中可以觀察出海底地貌變化，是否有地形突起和海底目標(biāo)。

南海救助局廣州救助基地裝備的側(cè)掃聲納為Klein5000V2側(cè)掃聲納，該聲納是多個(gè)波束動(dòng)態(tài)聚焦的側(cè)掃聲納系統(tǒng)，單側(cè)有5個(gè)波束，單側(cè)最大量程150m，最大工作水深500m，拖魚(yú)直徑15.2cm，長(zhǎng)194cm，重70kg;作業(yè)航速2-10kn。脈沖類(lèi)型（CW/FM），頻率455Khz。

1.2側(cè)掃聲納發(fā)現(xiàn)物體的能力

一般認(rèn)為，有2個(gè)以上的波束打到物體上，才能夠在聲納圖像上形成明顯的成像。根據(jù)側(cè)掃聲納的工作原理，一個(gè)聲波脈沖的時(shí)間為：

（1）

其中：R為聲納系統(tǒng)采集的距離最遠(yuǎn)的聲波反射距離，即聲納系統(tǒng)選擇的量程。C為水中聲速，一般取1500m/s作為近似值。Tp為一個(gè)聲波脈沖往返所需要的時(shí)間。

在一個(gè)聲波脈沖時(shí)間中，拖魚(yú)走過(guò)的距離即為兩個(gè)聲波脈沖之間的距離，此距離為：

（2）

其中：D為兩個(gè)聲波脈沖之間的距離。VS為拖曳速度，近似為拖曳母船速度。V

打到目標(biāo)物上的聲波數(shù)量為：

（3）

其中，L為搜尋的目標(biāo)沿拖魚(yú)前進(jìn)方向的長(zhǎng)度，N為打到目標(biāo)物上的聲波數(shù)量。

綜合（1）、（2）、（3）式可以得出：

（4）

由于C為水中聲音傳播的速度，L跟落水目標(biāo)的大小和形狀有關(guān)，并非可以人為控制的因素。在能夠保持拖魚(yú)姿態(tài)穩(wěn)定的前提下，控制船速處于更低的速度，選擇更小的聲納測(cè)量量程，有利于發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)，但是會(huì)降低搜尋的效率，反之亦然。

1.3GPS信標(biāo)機(jī)

如圖2所示，Trimble SPS 351信標(biāo)接收機(jī)通過(guò)外置GPS天線獲取位置信息。室內(nèi)接收機(jī)自帶屏幕，可以顯示天線所在位置的經(jīng)緯度信息，連接至聲納圖像處理工作站可以同時(shí)為聲納數(shù)據(jù)提供位置信息。在開(kāi)啟碼差分GPS定位時(shí)，其水平定位精度為0.25mm，未開(kāi)啟碼差分GPS定位時(shí)，其水平定位精度為1m。

2.傳統(tǒng)水下目標(biāo)搜尋方式

2.1使用鋼絲拖纜搜尋目標(biāo)

如圖3所示，在沒(méi)有有效的水下觀測(cè)手段之前，常使用鋼絲拖纜進(jìn)行觸底拖掛的方式尋找沉底目標(biāo)。此方法需要兩條船配合作業(yè)，在船尾固定鋼纜兩端，控制兩船之間的距離，使鋼纜能夠觸底。隨后兩條船并排向同一個(gè)方向航行，當(dāng)鋼纜掛到物體時(shí)，潛水員沿鋼纜下潛到水底進(jìn)行探摸。此方法需要兩條船舶并排作業(yè)，需要在開(kāi)闊水域環(huán)境下開(kāi)展。且鋼纜容易被水底石塊和小的地形突起等鉤住，造成誤判。

2.2潛水員地毯式摸排

在搜索區(qū)域相對(duì)確定，且面積不大時(shí)，常派潛水員下水進(jìn)行地毯式摸排，潛水員下水后，沿如圖4所示的探摸路徑進(jìn)行水下探摸。潛水員下水探摸最為直觀，潛水員可以通過(guò)探摸物體的輪廓和材質(zhì)確定探摸到的物體類(lèi)型。但是此種方法只適用于小面積探摸排查，在大面積搜尋中，進(jìn)行地毯式摸排工作量具大，難以實(shí)現(xiàn)。而且在實(shí)際作業(yè)中，水流速度會(huì)影響潛水員水下活動(dòng)，橫向摸底進(jìn)行排查對(duì)潛水員的體力和意志力是一個(gè)具大的挑戰(zhàn)。

3.側(cè)掃聲納與潛水員協(xié)同配合方法

3.1水下目標(biāo)測(cè)定

通過(guò)使用側(cè)掃聲納，可以對(duì)搜尋區(qū)域進(jìn)行大面積排查，經(jīng)過(guò)對(duì)側(cè)掃聲納圖像進(jìn)行分析，可以篩選出疑似目標(biāo)點(diǎn)，并對(duì)潛水作業(yè)區(qū)域的水下環(huán)境進(jìn)行初步調(diào)查。選擇出疑似目標(biāo)點(diǎn)之后，再制定潛水作業(yè)方案，派潛水員下水完成目標(biāo)探摸和救援作業(yè)。通過(guò)側(cè)掃聲納和潛水員配合作業(yè)，能夠有效提高潛水作業(yè)安全型和救助效率。

3.2目標(biāo)定位精度

目標(biāo)定位精度，指的是側(cè)掃聲納對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位的準(zhǔn)確度范圍。分析目標(biāo)定位精度，可以劃定目標(biāo)物分布區(qū)域，為制訂潛水員探摸方案制訂提供依據(jù)。可以用兩種方法估算目標(biāo)定位精度。第一種方法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行分析，側(cè)掃聲納作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的誤差主要有三方面因素組成，一是GPS定位誤差，經(jīng)過(guò)查閱資料，GPS定位誤差為1米，二是使用拖纜長(zhǎng)度和角度進(jìn)行校正的拖魚(yú)位置與實(shí)際的拖魚(yú)位置之間的誤差，此部分誤差跟拖纜的長(zhǎng)度、潮、流、船速等相關(guān)，三是側(cè)掃聲納圖像中的選點(diǎn)位置計(jì)算誤差，此部分誤差跟主要跟聲速誤差、聲納圖像的量程和聲納軟件中對(duì)于位置的計(jì)算方法等相關(guān)。

第二種方法對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行多次測(cè)量，選取不同的測(cè)量中目標(biāo)物的位置，通過(guò)觀察這些位置的分布情況估算本次測(cè)量中的誤差。

3.3潛水搜尋方案制訂

經(jīng)過(guò)側(cè)掃聲納對(duì)可疑目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注之后，即可制定潛水搜尋方案。搜尋方案應(yīng)該設(shè)置入水點(diǎn)、劃定一個(gè)區(qū)域，此區(qū)域大小應(yīng)該根據(jù)側(cè)掃聲納目標(biāo)定位精度設(shè)置，并且方便潛水員作業(yè)。如圖5所示，潛水員探摸的扇形區(qū)域應(yīng)覆蓋目標(biāo)區(qū)域。劃定區(qū)域之后，根據(jù)水流方向、目標(biāo)所在點(diǎn)的經(jīng)緯度位置、計(jì)算得到合適的潛水員下水點(diǎn)坐標(biāo)。將GPS天線放置于潛水員下水點(diǎn)，操縱船舶，使?jié)撍畣T入水點(diǎn)剛好位于搜索區(qū)域上游位置，隨后潛水員下水，沿扇形區(qū)域進(jìn)行地毯式摸排。

4.案例分析

4.1某橋斷裂汽車(chē)落水搜尋救助

由于某橋斷裂造成2輛車(chē)輛落水，車(chē)上1人獲救，2人失蹤。掉落兩輛車(chē)輛，該區(qū)域河道寬約200米，水深4-12米，搜救現(xiàn)場(chǎng)水流速度約2m/s，橋墩下游水流由于橋墩阻擋，水流湍急。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、事發(fā)時(shí)的監(jiān)控視頻以及幸存者對(duì)事發(fā)時(shí)車(chē)輛落水情況的描述。使用側(cè)掃聲納對(duì)橋梁下游約1公里范圍進(jìn)行了掃測(cè)作業(yè)，經(jīng)過(guò)3小時(shí)的掃測(cè)作業(yè)，完成測(cè)線長(zhǎng)度約約17公里，共計(jì)約0.3平方公里水域的掃測(cè)（圖6），測(cè)量過(guò)程中船速控制在2.5-3.5節(jié)。經(jīng)過(guò)對(duì)聲納圖像進(jìn)行分析，共發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)4個(gè)（圖7），按照順序，分別對(duì)四個(gè)目標(biāo)進(jìn)行了排查。其中目標(biāo)1經(jīng)確認(rèn)為大小與車(chē)輛近似的石塊，目標(biāo)2和目標(biāo)3為車(chē)輛，由于事發(fā)落水的兩輛車(chē)輛全部找到，未對(duì)目標(biāo)4進(jìn)行探摸排查。

在現(xiàn)場(chǎng)使用傳統(tǒng)鋼絲拖纜搜尋目標(biāo)過(guò)程中，鋼纜掛到可疑目標(biāo)2，潛水員順?shù)摾|進(jìn)行探摸，順利完成了目標(biāo)2車(chē)輛的探摸和打撈。由于可疑目標(biāo)3距離橋墩較近，無(wú)法使用鋼絲拖纜對(duì)可疑目標(biāo)3進(jìn)行排查。根據(jù)聲納圖像定位誤差產(chǎn)生的原因估算，目標(biāo)物的定位誤差小于5米。所以在船舶定位之后，劃定了半徑為10米的扇形搜索區(qū)域。由于水流速度太快，在船首部，使用兩根繩子分別連接到岸邊石欄和斷裂的橋墩，使船舶準(zhǔn)確定位在扇形搜索區(qū)域頂點(diǎn)的上游。經(jīng)過(guò)潛水員下水摸排，順利實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)3車(chē)輛的探摸和打撈。

4.2珠江某掉落船錨搜尋打撈

相比應(yīng)急救援任務(wù)，掉落船錨打撈任務(wù)時(shí)間更加充裕。在珠江某水域，使用側(cè)掃聲納與潛水員協(xié)同作業(yè)的方法，完成了對(duì)落水船錨的打撈任務(wù)。通過(guò)側(cè)掃聲納掃測(cè)作業(yè)，在聲納圖像上3次獲取該錨鏈的位置，3個(gè)位置之間最大間距為6.5m。劃定包含了3個(gè)位置的探摸區(qū)域之后，潛水員下水，順利完成了對(duì)該錨鏈的探摸和打撈。

5.總結(jié)

隨著救助能力轉(zhuǎn)型升級(jí)，各種新的科技手段不斷的在救助任務(wù)中得到應(yīng)用。通過(guò)側(cè)掃聲納的使用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的定位。對(duì)聲納圖像中的目標(biāo)形狀和尺寸進(jìn)行篩選，得到的疑似目標(biāo)有較大的可信度，可以有效提高救助效率和成功率。實(shí)際案例證明，在未知風(fēng)險(xiǎn)較多的水下作業(yè)中，通過(guò)事先對(duì)搜尋目標(biāo)進(jìn)行聲吶成像，通過(guò)科學(xué)地制定水下探摸方案，可以有效降低潛水員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高救助成功概率。

【基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFC0306003）】

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