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摘要：随着我国经济发展水平的不断提高，海域开发活动日趋频繁，极大推动了海洋经济发展。当前，海道测量使用侧扫声纳位置精准不高，本文将结合采用GPS定位系统、单波束系统获得更为精准的侧扫数据，进一步探究与以上系统配合使用的侧扫声纳系统在海底障碍物扫测中的应用效果，结果显示这种方法大大提高了扫测精度，具有非常好的适用性。
关键词：侧扫声纳系统；障碍物扫测；GPS定位系统；单波束系统
引言
作为一种多用途水声设备，侧扫声纳由数据采集计算机、连接电缆及声纳“拖鱼”组成，其中，“拖鱼”中安装了声纳换能器。按照固定时间间隔“拖鱼”会向水底发射携带一定音频能量的波束，可以依据反射回来的声波幅值形成海底地形灰度图。鉴于侧扫声纳有着非常高的分辨率，被广泛应用在海底目标探测、海洋测绘、海洋地质勘察等活动中，本文将以平台为例，调查平台周围海底障碍物分布情况，通过多系统组合扫海测量，大大提高了障碍物扫测精度。
1.精准定位侧扫声纳系统拖鱼
坐标原点以拖鱼为中心建立，拖鱼前进方向设为x轴，向下方向为y轴；在船体坐标系中，以船体为中心建立坐标原点，其中，船艏方向设为x轴，与船体垂直的方向为y轴，垂直向下方向设为z轴。拖体坐标利用船舶导航定位系统确定，明确船舶艏向、GPS点、拖体三者间相对关系，这是测量时需要额外注意的事项。
一般可使用WGS48坐标系作为测量坐标系。可以使用三参数法转换坐标，在测量范围不大的情况下，但如果有着较大的测量范围，则七参数更为适合。海洋调查过程中，通常拖鱼采用拖曳式前进，这是在水深80m左右时适合采用的方式。当拖缆较短且入水不深时，可保持在船尾150mm以内将拖鱼。此时可以计算出拖鱼准确位置及拖缆长度S，详见下图1所示。
图1 拖曳式拖鱼位置
在上述公式中，物体高度用H0表示；声影的长度用D表示；拖体距离海底的高度用B表示；物体与拖体之间存在的斜向间距用C表示。在扫海测量中，使用侧扫声纳通常拖鱼位置在测穿正后方，并且大多数情况下海底较为平坦，但这仅是假设，并非科学认证的结果。基于以上两种架设情况，确定拖鱼位置，可采用单波束测深信息，从而精确定位障碍物。具体方向详见图2所示。
图2 侧扫声纳与单波束组合策略示意图
通过侧扫声纳与单波束组合测量方式，船体坐标中，单波束测深值用H表示，可依据公式求出拖鱼位置，即：
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2.测线的技术设计
在调查区域内全部覆盖上侧扫声纳，侧线主要有两个方向，分别为东西向及南北向。其中，在靠近平台处按照10m间距布设东西向线，如果与平台区距离较远，间距可按照20mb布设。按照100m间距布设两条检查线，这是南北向侧线布设方法。在实际调查中，始终保持TVC的恒定，这样才能保证图像灰度不发生变化，进而保证图像的清晰度。100m作为高低频单侧量程的，要保证调查区域海底全面覆盖到。匀速、稳定航行，保证航行过程中实际测线偏移控制在设计间隔的20%内，船速以6kn为宜。
资料采集员要在测穿行业过程中，随时观察地形地貌，并在现场对地貌特征做出分析判断，记录好相关信息，为是否继续探测提供依据。地貌数据采集使用Discover软件，重点对海底可疑物坐标及尺寸大小提取，同时还要提取管线、钻井平台遗留洼地坐标、平台桩腿坐标。及时调整侧扫声纳数据偏移量、倾斜率等，从而将海底可疑物体位置精准计算出来。
3.实例分析
此次工程实践为平台障碍物调查工程，主要目的是调查某平台预就位区域内有无海底障碍物。调查区域长为100m，宽为70m，使用到的调查仪器有DSM232 GPS、HY1600型精密回声测深仪，并使用了4200-FS双频侧扫声纳系统。检查对比数字化方式采集到的水深值，为了避免受风浪影响，使水深值出现偏差，需从距离波峰1/3的波峰波谷差处量取呈波浪状的水深值，精确至0.2m。完成水深值的测量以后，对比主线与测线、检查测线的水深，标准要求为：两个测线相交汇处的水深度差在0~0.2m之间。经检查无误以后，改正水位。此次测量中，采用预报潮位的方法，并将成图输出。平台角点坐标、钻井船遗留洼地中心坐标、障碍物中心坐标详见表1、表2、表3。
通过对平台北侧100m×70m范围内的水深进行测量，同时对地貌状况进行调查，发现1个障碍物和5个洼地。靠近平台的洼地有3个，分别为洼地1、洼地2及洼地3，其宽度分别为22.6m、25.3m、30.2m，深度依次为0.8m、0.8m、0.5m。距离平台较远的是洼地4~5，并且两个洼地相连接，并有施工痕迹遗留；洼地1中存在障碍物，以一处点状物的形式显现在图像中，突出海底大约1.5m。经过打捞发现该障碍物为一个废弃网。
结束语
综上所述，采用侧扫声纳系统进行海底障碍物扫测，虽然能够获得分辨率较高的声强信息，但是具体位置的定位依然不够精准。而配合采用GPS、单波束系统，将其与侧扫声纳组合使用，可以使拖鱼位置推算精度进一步提升，将过去单一使用侧扫系统定位精准度低的不足有效弥补了。此次调查实践显示，应用此方法对海底障碍物扫描，不仅精度高，并且适用性较强，可进一步研究与推广应用。
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论文作者:崔树东
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/8/6
标签：声纳论文; 障碍物论文; 海底论文; 波束论文; 洼地论文; 坐标论文; 系统论文; 《基层建设》2018年第18期论文;