淺地層剖面儀在深海搜尋中的應(yīng)用

張基熒 南海救助局

隨著國際海運和航空事業(yè)的發(fā)展，飛機墜毀和沉船事故發(fā)生的概率增加，馬航MH370事件的發(fā)生暴露了我國在深海搜尋領(lǐng)域的短板，凸顯出未來深海搜尋設(shè)備的重要性，深海海域的搜尋能力建設(shè)受到國家重視。深海搜尋作業(yè)中，常規(guī)側(cè)掃聲聲吶和多波束等設(shè)備無法掃測到被海底淤泥掩埋的船舶和飛機殘骸等目標物，為此南海救助局于2018年購置了一套搭載淺地層剖面儀（以下簡稱“淺剖儀”）的6000米級自主式無纜潛航器（以下簡稱“AUV”），淺剖儀常用于探測海底底部地層結(jié)構(gòu)，根據(jù)其工作原理和AUV的作業(yè)特性，我們可以通過大范圍多測線的作業(yè)方式來掃測搜尋掩埋于海底以下的目標物。

1.淺地層剖面儀的工作原理

淺剖儀發(fā)射的低頻率聲波，能夠通過海水穿透海底后向更深處傳播，不同介質(zhì)的分層存在聲速差和密度差，采集并處理這些發(fā)射聲波就能得到具有差異的灰度剖面分界線，最后在淺剖儀上得到能夠反映不同分層特征的圖像。我們在進行搜尋任務(wù)時，被掩埋的目標物如飛機殘骸和周圍海底介質(zhì)間存在強分層，AUV在執(zhí)行經(jīng)過目標物正上方多條測線任務(wù)后，我們將會得到多個特征明顯的圖像點，對這些數(shù)據(jù)進行處理和判讀后最終識別出是否為目標物。

圖1 淺剖儀搜尋目標物示意圖

2.在深海搜尋過程中的應(yīng)用

本文假設(shè)以南海某處沉船為目標做推演，現(xiàn)已知目標為21.3米玻璃鋼材質(zhì)標準拖網(wǎng)漁船，目標沉沒區(qū)域底質(zhì)未知，范圍約200平方海里，區(qū)域水深在300米至500米之間，因已沉沒多年，不排除被淤泥掩埋的可能性。

2.1 設(shè)備配置

母船為“南海救102”輪，設(shè)備為冰島Gavia公司SeaRaptor 6000米級AU V,最大巡航航速為4k n，最大續(xù)航力約為400km；搭載的是Benthos公司的ChirpIII淺剖儀，頻帶范圍1.5～8kHz,垂向分辨率大于15cm；EdgeTech2205型號的雙頻同步側(cè)掃聲吶以及SeaBat T50-S 型雙頻多波束；配置有兩個15萬流明閃光燈的水下照相機；導(dǎo)航由光纖慣性導(dǎo)航和多普勒計程儀組成，定位由超短基線和GPS組成。

2.2 掃測作業(yè)

為減少作業(yè)時間，對目標海域已有數(shù)據(jù)進行收集分析，包括目標區(qū)域地形地貌數(shù)據(jù)、水深和海底底質(zhì)等，根據(jù)地形及底質(zhì)將目標海域劃分出淺剖區(qū)。

完成作業(yè)區(qū)域劃分后，開展第一輪航次任務(wù)，我們首先使用側(cè)掃聲吶和多波束對整個目標海域進行搜尋，根據(jù)已有的地形數(shù)據(jù)規(guī)劃合適的起始點、測線數(shù)量、測線間隔和長度，設(shè)置AUV離底高度、下潛速度、巡航航速，設(shè)置側(cè)掃聲吶和多波束的頻率、掃寬和采集數(shù)據(jù)格式等參數(shù)。作業(yè)完成后對采集的圖像進行判讀，若發(fā)現(xiàn)可疑目標，則開展降低AUV作業(yè)高度并啟用水下照相機的航次來確定可疑目標物。假設(shè)本次推演沒有在海底表面發(fā)現(xiàn)目標。

完成海底表面搜尋作業(yè)后開展第二輪航次任務(wù)，我們使用淺剖儀對淺剖區(qū)進行搜尋，根據(jù)已知目標物尺寸和目標區(qū)域面積規(guī)劃間隔合適、一定數(shù)量的測線，根據(jù)材質(zhì)設(shè)置淺剖儀脈沖類型和脈沖功率，在搜尋前開展一條測試測線，目的是為了調(diào)整參數(shù)來使圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量達到最優(yōu)。以上作業(yè)需要充分考慮AUV作業(yè)時長、電池電量和布放海況等因素，以及AUV需要浮至海面通過WIFI傳輸數(shù)據(jù)或回收至甲板面連接控制終端下載數(shù)據(jù)的特點，我們可以將掃測測線分組進行，確定不存在可疑目標物之后再進行下一組測線，實現(xiàn)高效準確的搜尋。

2.3 數(shù)據(jù)采集和判讀

一組測線作業(yè)完畢后，我們通過Triton軟件對采集的數(shù)據(jù)回放觀察并收集可疑點或強分層線段，記錄這些點或線的經(jīng)緯度坐標后在AUV操作軟件Control Center上標記，最后對標記點形成的圖像進行綜合判讀。當已有圖像無法確定是否為目標物時，如圖3所示，我們可以對高度疑似目標區(qū)域進行補充掃測作業(yè)，減小測線間距或調(diào)整測線方向來進行精細搜尋，最終確定目標物。

圖2 作業(yè)區(qū)域劃分

圖3 疑似目標

3.發(fā)展趨勢

利用淺剖儀進行搜尋目標物作業(yè)時，采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量影響操作人員對圖像的判讀，從而影響整體搜尋作業(yè)效率和時長。目前常規(guī)淺剖技術(shù)有Chirp淺剖儀和參量陣淺剖儀，利用它們采集的數(shù)據(jù)為二維圖像且分辨率有限，在搜尋體積較小的目標物時會出現(xiàn)確認可疑目標的額外布放航次，增加整體作業(yè)時間的情況。目前淺剖技術(shù)向著合成孔徑方向發(fā)展，技術(shù)成熟后能夠大大提高分辨率；部分廠家發(fā)布了三維淺剖儀產(chǎn)品，如SES-2000 quattro三維參量陣淺剖儀和SBI三維Chirp淺剖儀，根據(jù)采集的三維圖像能夠更準確地對目標物進行判讀。

4.結(jié)束語

海上安全事故發(fā)生的概率隨著海洋資源開發(fā)和航空航運事業(yè)發(fā)展不斷增加，海上搜尋能力建設(shè)逐漸受到各方重視。淺地層剖面儀的工作原理和優(yōu)點使其在搜尋海底掩埋的目標物上能夠發(fā)揮巨大作用，配合自主式無纜潛航器作業(yè)擁有不俗的搜尋效率，未來合成孔徑技術(shù)和三維淺剖儀的發(fā)展能改善圖像數(shù)據(jù)分辨率低和小目標物判讀難的情況。