侧扫声纳、多波束扫测在航道应急搜寻中的综合应用

刘爱华

(福建省港航勘察设计院有限公司，福建福州 350002)

0 引言

随着我国航运行业的发展，水路货运量不断上升，航道中货运船舶往来越来越密集，这便不可避免地会出现集装箱掉落等不可预见的事故。为最大限度地降低这些事故对航道正常运行的影响，需要以最快速、最高效的办法准确确定集装箱掉落的位置，进而为打捞集装箱、促进通航顺畅提供保障。在进行应急测量时，综合利用现有的技术手段可以提高应急搜寻效率。

在应急测量中，常用的测量设备有单波束测深仪、多波束测深仪、侧扫声纳系统等。单波束测深仪可获得线状水深，按照常规集装箱尺寸测线，按照5m布设，单天单船扫测面积约0.3～0.5km2；多波束测深仪可获得全覆盖面状水深，扫测时测量船速6 节左右，预计每天有效作业时间7h，每天工作量约70km，多波束有效测深宽度为水深的4～5 倍，综合计算，单天单船扫测面积约3.5km2；侧扫声纳系统可获得海底全覆盖地貌，按照同样的船速和有效工作时间来计算，单天单船扫测面积约5.6km2。

单波束测深手段在多波束测深技术发明前一直在海洋测量中发挥重要作用，其缺点是信息量少、效率低；多波束测深手段可以获取精确的水深和定位数据，且具有效率高、信息量大、分辨率高等优点，缺点是对船型选择、安装条件要求高，不适用于描述地物的轮廓；侧扫声纳扫测手段可以快速获取清晰的海底声像图，具有实时判读海底地物的优点，缺点是无法获取准确的水深数据和较精确的定位信息。综上，单波束测深手段是上述三种技术手段中最低效的，多波束测深、侧扫声纳扫测手段显然更高效，都能确保目标测区全覆盖、无遗漏。不过这两种扫测手段也存在各自的优缺点，侧扫声纳能得到高分辨率的二维海底地貌图，并根据海底回波强度信息定性分析海底介质的组成[1]，在效率上优于多波束，能够更高效、更快速地判读海底目标物，但在定位精度上不如多波束手段；多波束能精确水深数据和位置信息，在定位精度上优于侧扫声纳手段，但在效率上略低于侧扫声纳手段。

在应急搜寻测量时，如何最大限度地发挥侧扫声纳和多波束两种手段各自优势，来更快速更高效地完成应急扫测任务，成为现在航道应急扫测应用研究的方向。

1 侧扫声纳

侧扫声纳是一种利用回声测深原理探测海底地貌和水下物体的设备，又称旁侧声纳或海底地貌仪。“侧扫”指的是这种声纳系统不是扫测正前方的水域情况，而是对两侧水下环境进行监测。同时，这种声纳通过拖动海床上方的拖鱼声纳探头，能够形成该水域环境的图像数据。侧扫声纳系统的工作原理是换能器基阵向测量船航向正下方两侧倾斜发射声波，并接收两侧一定宽度内的海底目标和地貌的反向散射声波，返回声波信号的强弱即可反映海底起伏和地质软硬信息。

每一次发射均可获得换能器两侧一窄条海底或地物的回波信号，利用工作站对回波信号进行处理，显示在显示器上为一条横线，横线上每一点所显示的位置与亮度分别与回波到达的时刻及回波信号强度相对应。将每一次发射所获得的回波信号一线接一线地纵向排列显示在显示器上，便能得到一幅反映海底地貌特征的二维声像图，声像图能够以不同的颜色或不同的黑白程度反映海底地貌的特征。根据声像图可以快速发现可疑物体，并判断出物体的性质、大小和形状[2]。

目前应用的侧扫声纳设备一般具有高、低两种频率，且可以同步采集。高低频的采集数据对不同水下的目标物具有不同的分辨能力和识别能力。

2 多波束扫测

多波束测深系统又称为多波束测深仪、条带测深仪或多波束测深声纳等，它是一种多传感器组成的复杂系统，能同时获得多个相邻窄波束的回声。其工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列进行窄波束接收，能得到上百个被测点的水深值，可以快速测出沿航线方向一定范围内水下目标的大小、形状和高低变化，形成三维点云图像[3]。

3 工程实例

某集装箱运输公司所属轮船于2021 年8 月5 日03：00 在某港2#锚地发生集装箱落海事件，共有13 个空集装箱落水，集装箱规格均为40 尺（约13.33m）高柜，其单个内尺寸为：12032×2352×2698（mm）。集装箱掉落水域附近涉及该港重要航道，所涉及的水域范围广、航道通航密度大，因此需要以最快速、最高效的办法准确定位出掉落的集装箱并进行打捞，排除航道碍航风险，尽早恢复通航。

由于时间紧、任务量大，项目组经过仔细分析商讨，确定采用侧扫声纳对掉落的集装箱进行初步搜寻，确保测区全覆盖、无遗漏，采用多波束对航道重点水域及侧扫声纳扫测过程中获取的疑似集装箱掉落的位置水域进行精确定位，获取集装箱的位置、凸出海底面的高程，以及掉落集装箱附近水域的实际水深情况，为后续打捞工作提供数据支持。

3.1 侧扫声纳外业实施

3.1.1 侧扫声纳设备安装调试

设备采用Klein490 侧扫声纳系统，将侧扫声纳设备的拖鱼声纳探头在测量船一侧拖曳入水，入水深度为1.5m 左右，准确量取GPS 天线与侧扫声纳拖鱼的相对位置，以便进行定位校正（见图1）。安装完成后，测量船以低航速平稳航行，接通电源测试整套设备，确保设备各单元正常工作，各项参数符合要求。接着测量船在稳定的航速和航向下进行扫测。

图1 侧扫声纳现场安装调试图

3.1.2 侧扫声纳扫测实施

扫测实施时海况符合测量要求，设备仪器及软件系统运转正常。正式扫测前，在扫测区域进行试测。调节采集软件各单元设备收发参数，确保采集到清晰可见、辨别度高的声学图像（见图2）。扫测时，将测量船的航速设置为不大于7 节，技术人员实时对声学图像的清晰度和可辨识度进行评估，若信号质量不稳定或声学图像质量不满足后处理要求，需及时调整相应的参数，确保信号质量稳定。

图2 侧扫声纳瀑布图

3.2 多波束扫测外业实施

3.2.1 多波束扫测设备安装调试

设备采用SeaBat T20-P 多波束测深仪，设备应安装在距船头二分之一船长处，吃水1.18m。在测量船首尾线上中部重心较低的位置安装罗经传感器，并使其北方向指向船首，方向线与船首尾线平行。测定设备的安装坐标，将测得的坐标输入导航及采集软件中。连接各组设备，接通电源检测整套系统。扫测前对横摇偏差（Roll）、纵摇（Pitch）、艏摇（Yaw）等参数进行校准（现场安装调试情况见图3）。

图3 多波束现场安装调试图

3.2.2 多波束扫测实施

多波束扫测针对航道的重点水域及侧扫声纳过程中疑似集装箱掉落的位置水域进行扫测。

多波束系统安装完成后，准确量取罗经和探头、传感器以及GPS 等设备、系统的相对位置，然后在采集和导航软件中输入这些位置信息。平面定位仪器采用Trimble SPS 461，导航软件采用PDS2000。

内业处理软件采用软件Caris Hips 9.0，用以处理内业数据，最终按照1∶10 的密度要求（测点间距0.1m）进行抽稀输出数据，三维数据点云图见图4。

图4 三维数据点云图

3.3 扫测结果

通过3d 对重点航道、重点水域全覆盖扫测，共计完成测线192km，多波束扫测疑似区2.5km2，发现疑似点如图5、图6 所示。结果比单独采用侧扫声纳或多波束扫测方式提前约2～3d。可见综合采用两种技术手段，可以大大提高搜寻掉落集装箱的效率，更快速恢复航道正常通航，避免造成更大损失。

图5 侧扫声纳疑似点图

图6 多波束疑似点图

3.4 经验启示

3.4.1 考虑到此次扫测期间潮差大、水流急，如果集装箱没有沉没而是随潮流漂移，就很难搜寻定位。此时只能先确保主要通航水域没有障碍物，但浮箱流向未知，需加强对重点水域进行动态监测。

3.4.2 在重大应急任务面前，需储备足够的支撑保障，既需要储备足够的专业、高效的应急扫测队伍，同时也需要储备足够的能随时调遣的多专业技术装备等。

3.4.3 落水集装箱漂移方向，是否埋入泥底等情况未知，若能掌握事发水域流场信息，能为判定落水集装箱走向提供较大帮助。在日常，非常有必要提前对重点水域开展风场、水文、水流、海床等课题研究，储备相关资料，建立流场模型，模拟掉落物、漂移物轨迹等，为制订搜寻扫测方案提供参考，提高应急扫测效率，系统防范掉落物掉落对通航安全带来的风险。

4 结语

上述案例表明，综合采用侧扫声纳和多波束两种技术手段，相较于只使用其中一种技术手段，工作效率更高，有利于航道管理部门更快地抢通修复航道，能够减轻和消除航道集装箱掉落引起的危害，保证船舶航行安全。同时，综合采用侧扫声纳和多波束两种技术手段，能够取得更准确、更直观的搜寻结果，提高应急扫海的效率，可为航道快速复航提供有力的数据支持。

随着各种技术手段的进步，在未来，通过不断实践，更多、更新的测量技术手段将被综合应用，会进一步提高应急测量的效率。