基于超短基线的侧扫声呐水下目标定位技术

杨立文，焦永强，徐健

（1.中交第三航务工程局第二工程有限公司，上海 200122；2.上海达华测绘有限公司，上海 200136）

基于超短基线的侧扫声呐水下目标定位技术

杨立文1，焦永强2，徐健2

（1.中交第三航务工程局第二工程有限公司，上海 200122；2.上海达华测绘有限公司，上海 200136）

侧扫声呐测量技术是探测、搜寻水下目标的最有效的手段之一，在许多海洋工程、海事保障项目中都用到侧扫声呐测量技术。然而，因其拖曳式的测量工艺特点，无法对所探测到的水下目标进行精确的测量定位。实际作业时，往往需要通过采用多方向探测并辅以其它手段来确定水下目标的准确位置，降低了水下目标的探测效率。文中提出采用侧扫声呐与超短基线相结合的方式进行水下目标的探测方法，不但能够有效提高水下目标的测量定位精度，而且可以大大提高侧扫作业效率、降低作业成本，实用性强。

侧扫声呐；超短基线；目标；定位；测量

0 引言

在许多海洋工程、海事搜救、海洋勘察等项目中，往往需要利用侧扫声呐对目标水域进行工前扫海测量、水下目标的探测，为后期的施工展布、目标打捞及清除提供准确的位置信息。然而，侧扫声呐的测量作业方式常采用拖曳式，拖曳长度根据测区水深的不同有5 m、20 m也可能更长，这种作业方式决定了侧扫声呐的测量定位精度不可能很高，加之受波浪、风力、水流的综合影响，最终的定位精度要在1 m或数米以上，无法满足实际的生产需要，往往还需要采用其它的测量技术手段进一步确认，造成经济与时间成本的浪费[1]。

通过超短基线（USBL）水下定位技术与侧扫声呐测量相结合，将基于GPS的水面以上间接定位方式转换为水下信标的实时定位，很好地解决水下扫测目标的高精度定位问题，从而可以快速有效确定水下目标的真实位置，不再辅以其它手段就可以达到预期的目标[2]。这种工艺的改进也是对侧扫声呐定位技术一次变革，有利于推动行业的技术进步。

1 传统侧扫测量定位技术特点

1.1 侧扫声呐系统的工作原理

侧扫声呐系统是基于回声探测原理进行水下目标探测，根据水下目标反射回波时间的先后来反映水下目标的位置及阴影信息。在常规的侧扫作业中，通常采用拖曳式测量方式，水下目标的位置通过GPS、绳缆与船的相关位置确定。显然，水中的拖鱼与定位天线有一定的方位和距离偏差，这个方位和距离偏差受船速、航向、波浪、水的流速和流向的影响往往会很大，无法满足水下目标精确定位的要求，不利于后续工作的有效展开，也就无法满足施工生产的需求[2-3]。

1.2 水下目标位置确定

1.2.1 目标的位置确定方法

常用的计算方法：以GPS位置为中心，分别沿船舶纵轴线和横轴线建立船体坐标系，量取拖鱼在正常拖曳情况下距离船舶坐标系的纵横向偏距，将GPS的测量位置换算至拖鱼的位置。

1.2.2 目标位置的误差来源

1）GPS定位误差

GPS的测量精度与其接收到的差分类型密切相关，有伪距差分、载波相位差分等；常用的RTK-DGPS模式就是载波相关差分的一种，其定位精度可达到厘米级[4]，定位误差相对较小，对目标扫测的整体精度影响非常有限，不是需要考虑的重点。

2）GPS与拖鱼间的位置差

海底目标扫测的定位结果都是以GPS的测量定位数据为基准的，侧扫声呐的水下拖鱼与GPS间相对位置的准确性直接影响到水下目标的准确性。测量过程中，侧扫声呐水下拖鱼的位置处于动态变化中，并随拖缆的长度、海况的复杂程度沿扫测轴线的纵、横向及垂向发生位移，扫测软件计算的位置与声呐的水下实际位置相差数米乃至数十米都是可能的。显然，这样的定位精度是无法满足水下目标的精确探测要求的，需要采用新的、高精度的技术手段来实现水下目标的实时定位。

1.2.3 提高水下目标定位精度的方法及措施

针对传统的扫测方式，提高水下目标的定位精度要解决以下3方面的问题：

1）尽量缩短侧扫声呐拖鱼与船舶的距离，降低拖鱼在水下自由活动的空间；

2）选择在风平浪静、海况较好的时间段进行测量；

3）降低拖鱼与扫测目标间的垂向距离，提高目标的成像质量。

显然，上面的第1）、3）条是矛盾的，要同时解决这两方面的问题就要改变原有的测量模式，超短基线的引入正是解决以上问题的关键。

2 基于超短基线的侧扫声呐测量工艺

2.1 超短基线的测量工作原理

超短基线测量系统主要由2部分组成：发射接收单元及水下应答信标。系统根据声波在水中传播的往返时间及声速来测量水声换能器到水下信标的距离；利用安装在水声换能器探头中的多个水听器接收阵接收水下信标的应答信号的相位差来确定发射接收机相对船首的方位；通过距离与方位的测量来确定水下目标的位置[5]。

2.2 基于超短基线的侧扫声呐测量实施方案

定位方式：采用GPS与水下超短基线相结合的方式进行；水面船舶及设备的位置采用RTKDGPS方式定位，水下侧扫拖鱼采用高精度的超短基线进行实时定位；利用GPS与超短基线相结合的水下定位技术为侧扫声呐提供更加准确的定位信息。

如图1所示，测量船上同时安装侧扫声呐设备与超短基线测量定位设备，将超短基线的水下定位信标固定在侧扫声呐的拖鱼上。

为了不影响拖鱼姿态，将水下定位信标固定在承载拖鱼拉力的连接杆上。超短基线的发射接收机安装在测量船上，利用GPS与水下信标进行联合定位，从而大大提高侧扫声呐的扫测作业的测量定位精度，将传统的数米乃至数十米的定位精度提高到20 cm左右。

整个侧扫系统由GPS、侧扫声呐拖鱼、侧扫声呐甲板控制单元、超短基线发射接收机、水下信标及信号控制单元组成，整个系统的信号流程如图2所示。

船舶及船载设备定位采用高精度RTK-DGPS模式，侧扫声呐的水下拖鱼的位置信息由水下定位信标提供。

为提高侧扫声呐对水下目标位置的探测精度，主要解决2个问题：

1）实时获取拖鱼在水下运动轨迹；

2）为水下目标提供准确的坐标位置信息。

2.3 现场应用案例

应用项目：长江南京以下12.5 m深水航道二期工程福姜沙整治工程。

测量对象：大型水下齿形构件结构及位置。

2.3.1 系统校准比对

为了确保测量成果的准确，在进行齿形构件的测量前，对超短基线进行了系统的校准，利用双RTK-DGPS工作模式对安装在测量船上的超短基线发射接收机的方向进行了校准[6]；同时，选择一个固定的直立桩码头进行了测量比对。

1）在侧扫声呐的常规工作模式与超短基线工作模式下分别采集目标位置信息，并对所测水下目标位置进行比较分析；

2）RTK-DGPS测量成果与侧扫声呐在超短基线工作模式所测水下目标的比对。

首先，在码头上采用RTK-DGPS定位模式对码头前沿的直立桩（共16根）进行了准确的测量，将该结果作为比对的基准数据；然后，先用传统的拖曳式侧扫方式对码头桩进行了测量；最后，利用载有超短基线水下定位信标的侧扫方式对码头前沿16根桩进行了测量。

测量结束后，分别对所测的水下桩的位置进行求差，得到2组差值数据：传统拖曳式扫测与RTK测量结果的差值、基于超短基线扫测与RTK测量结果的差值。基于超短基线的侧扫声呐测量结果偏移量基本都保持都在0.5 m以内；而传统扫测方式所测的桩位差异较大，最大的差值已经超过3 m。

2.3.2 水下齿形构件的测量

长江南京以下12.5 m深水航道整治项目是国家重特大项目，水下大型齿形构件的准确测量一直是施工难题，传统的侧扫、水下潜摸方式量测的准确率及工作效率都比较低，无法满足水下齿形构件施工的检测精度需求。

为提高检测精度及便于比对，现场的扫测测线为垂直水流方向布设，并在两种不同的工作模式下分别采用往返测量方式、同向测量方式对水下齿形构件进行了扫测及坐标比对。水下齿形构件的扫测影像图3所示。

从图3可以看出：基于超短基线的侧扫声呐测量技术对水下齿形构件进行测量时，可以清楚地测量出水下目标的具体位置及排列位置形态。

为了提高检测精度，以利于对测量结果进行系统分析，现场测量时，在侧扫拖鱼的两种定位模式下分别采用同向测量比对、反向测量比对；利用专业的测量软件提取了水下齿形构件的41个特征点进行坐标比对，其比对结果如图4、图5所示。通过图4可以看出：无论是同向测量比对及反向测量比对，其位置差都相对较小，很少有大于30 cm的，且偏差呈随机性变化，对水下目标的定位可靠性较高。从图5可以看出：传统的拖曳式测量，其定位偏差比较大，绝大部分偏差都超过50 cm，且反向比对差异更大，大部份偏差已经超过1.5 m，这可能是由于受长江纵向水流作用拖鱼上下起伏所致。如果加长侧扫声呐水下拖鱼的拖曳长度、或在环境比较差的海里进行测量，所产生的定位误差可能会更大。

3 结语

侧扫声呐的水下实时精确定位是目前侧扫作业中急需解决、较难解决的技术难题，如何将清晰的水下图像与精确定位相结合是水下目标探测的关键。

利用超短基线水下定位技术为侧扫声呐的拖鱼提供实时的位置信息，有效提高了水下目标的扫测精度。与传统多波束配合侧扫声呐的探测技术相比，具有投入设备少、作业时间短、定位精度高等优点，对后续工序的有效展开具有较强的支撑作用。该项技术的应用将进一步改变侧扫声呐的扫测工艺，有利于促进施工监测、扫海测量的技术进步。

[1]王化仁，李春风，林康力.海流对声呐目标定位精度影响分析[J].水道港口，2007（4）：297-299. WANG Hua-ren,LI Chun-feng,LIN Kang-li.Analysis on influence of sea current on target location accuracy[J].Journal of Waterway and Harbor,2007(4):297-299.

[2] 赵巍.侧扫声呐换能器水下定位方法研究[C]//全国第二十二届海洋测绘综合性学术研讨会论文集.2010：102-104. ZHAO Wei.A study on underwater positioning method of side scan sonar transducer[C]//Proceedings of the 22nd national comprehensive symposium on the marine survey,2010:102-104.

[3] 石峰.深水潜堤施工的水下定位与检测技术探讨[J].中国港湾建设，2015，35（12）：62-65. SHI Feng.Discussion on underwater positioning and detecting technology of deep submerged breakwater construction[J].China Harbor Engineering,2015，35(12):62-65.

[4] 尤宝平.测量学[M].大连：海军大连舰艇学院，2005：103-108. YOU Bao-ping.Surveying[M].Dalian:PLA Dalian Naval Academy, 2005:103-108.

[5]焦永强，田维新，潘贤亮.超短基线测量技术在铺排施工中的应用[J].中国港湾建设，2013（3）：60-62. JIAO Yong-qiang,TIAN Wei-xin,PAN Xian-liang.USBL survey technology in laying geotechnical fabric mattress[J].China Harbor Engineering,2013(3)：60-62.

[6]唐秋华，吴永亭，丁继胜，等.RTK GPS在超短基线声学定位系统安装校准中的应用[J].海洋测绘，2005，25（5）：40-42. TANG Qiu-hua,WU Yong-ting,DING Ji-sheng,et al.Calibration of ultra short baseline acoustic positioning system using RTK GPS [J].Hydrographic Surveying and Charting,2005，25(5):40-42.

Underwater target positioning technology of side scan sonar based on ultra short baseline

YANG Li-wen1,JIAO Yong-qiang2,XU Jian2
（1.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China;
2.Shanghai Dahua Surveying&Mapping Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China）

Side scan sonar measuring technique is one of the most effective means to detect and search the underwater target, it is used in many marine engineering and marine security projects.However,due to the characteristics of the towed measurement process,it is not able to accurately measure the underwater target.The actual operation,it is often need to use the multi direction detection and other means to determine the accurate position of the underwater target,reduce the detection efficiency of the underwater target.We proposed the method of combining the side scan sonar with the ultra short baseline, which can effectively improve the accuracy of measurement and positioning of the underwater target,and can greatly improve the efficiency of side scan operation,reduce the operating cost,and has strong practicability.

side scan sonar;ultra short baseline;target;location;survey

U652.2；P753

A

2095-7874（2017）03-0006-04

10.7640/zggwjs201703002

2016-10-24

2016-11-21

杨立文（1978— ），男，上海市人，工程师，长期从事码头、港口与深水航道治理的施工及研究工作。E-mail：yangy7612@163.com