1、1水下目标探测项目设备应用和发展趋势摘 要：本文介绍了近两年水下目标探测项目和设备的特点，总结了未来扫测设备应用的发展趋势等。 关键词：目标探测 多波束 侧扫声纳 1.引言 近年来，以侧扫声纳和多波束系统为代表的水下探测设备发展迅速，相关项目应用越来越多。现选取以下比较有代表性的几类进行比较分析：深浅水的失事飞机搜救、大小面积的扫海测量、深浅水的沉船扫测，这些项目上的设备应用在一定程度上代表了目前国际水下探测设备的前沿与未来发展趋势。 2.近两年相关项目应用概述 2. 1 马航 MH370 和亚航 QZ8501 搜索 （1）MH370 于 2014 年 3 月 8 日失联，现荷兰辉固（Fugr
2、o）公司的赤道、Havila 和谐号和中国的东海救 101 船仍在进行搜索。按 ATSB（澳大利亚运输安全局）对 MH370 搜索声纳的技术指标要求，特别强调目标特征探测能力。飞机坠海后残骸中一般会有几块面积较大的物体，参考法航 447 残骸，发现引擎约 4m 长、3m 宽，落地门 2m 长，也就说特征探测能力要求至少 2m3，相当于 IHO S-44 规范 40 米以浅目标探测要求。适时，伍兹霍尔运行的 AUV Nereus 在探索克马德克海沟时疑发生陶瓷层内爆失踪。故最后确定方案为声学深拖设备进行高效率扫测，AUV 进行疑似2目标确认。主要搜索设备： Bluef in-21 标配 Edge
3、Tech 2200-M 侧扫声纳（120/410KHz，230/850KHz） ，Reson Seabat 7125 多波束（200/400KHz） ，EdgeTech DW-216 浅地层剖面仪（2-16KHz） 。 马来政府雇佣的 Go Phoenix 配备 ProSAS-60 合成孔径声纳，退出任务后，由东海救 101 继续进行搜索。ProSAS-60 中央频率 60KHz，最高分辨率 10?M10?M，单侧扫宽 1500m。 承担主要任务的辉固赤道号通过 Dragon Prince 深拖组合EdgeTech 2400 Deep Tows（DT1）进行探测，发现疑似目标后，由Havila
4、 和谐号释放 AUV（HUGIN 4500）进行精扫，标配为 Kongsberg EM2040 多波束和 EdgeTech 2400 侧扫声纳。如 2016 年初，DT1 发现疑似金属构件，AUV 确认目标为 19 世纪商船（图一左上） 。DT1 侧扫声纳扫测时最低频率默认 75KHz，Range700-800m。EM2040 多波束低频 200KHz，扫宽 890m。船速控制：辉固船只的速度为 2.7 节，凤凰行号的速度为 1.8节。综上，测线大概按照 700-800m 要求进行布设，忽略恶劣海况、凹凸地形和仪器本身性能极限，按测量面积和船速可以估算出扫测计划时间。（2）2014 年 12
5、月底，QZ8501 在爪哇海域坠毁。以参与搜索的印尼方为例。MGS GEOSURVEY 船配备 EdgeTech 4200MP 侧扫声纳、R2Sonic SONIC 2020 多波束，Fugro 的 Starfix 9200-G2 差分系统定位。搜索时划分了失联区域、雷达捕获区域和漂浮物区域，最后在雷达捕获区域发现机翼、机尾和大部机身，进行侧扫声纳、多波束复测和 ROV 拍摄图像3（图一右上） 。2.2 珍珠港沉船和诺曼底登陆水域测量 （1）为观测沉船降解和构建 3D 可视化模型，2014 年亚利桑那号战舰纪念馆对亚利桑那号和犹他号进行了水下、水上三维测量。测量同时采用多波束测深系统、激光扫描
6、仪、水下相机进行。浅水采用无人船搭载 R2SONIC SONIC 2020 多波束进行扫测，深水采用 R2SONIC SONIC 2024进行扫测，水上部分采用 FARO 激光进行测量，PPK（后处理）差分定位。（2）为纪念诺曼底登陆，构建 GIS 数据库申遗，截至 2014 年，一些公司和个人志愿完成了诺曼底附近大概 500?N2 海域的扫测。项目水域多在 1549m 水深之间，采用 EdgeTech 4600（540KHz）组合测深声纳进行了大面积扫测，R2SONIC SONIC 2024（700KHz）多波束进行精扫，SeaBotix 的 ROV、潜水员和载人潜水器同时进行摄像确认目标（
7、图一左下） ，Trimble SPS 855 实现 RTK 和 Fugro Marinestar 的星基差分定位。 2.3El Faro 商船和湛江彩虹应急搜救 （1）El Faro 于 2015 年 10 月 1 日在百慕大遭遇飓风沉没，失事船长 241m，宽 32m，水深约 4600m，根据航迹、救生圈和集装箱残片漂流路径进行分析扫测，于月底发现残骸，但主桅杆和船舶航行数据记录仪（VDR）未找到。船体的搜索由 CURV-21 组合 TPL、ORION 侧扫声纳进行，CURV-21 可以在侧扫声纳和 ROV 功能之间切换；侧扫声纳（57/240KHz）高频 300m 扫宽用来分辨小目标，低频
8、 1800m 和 3000m 扫宽搜索飞机残骸和大型沉船。在发现船体残骸后，由伍兹霍尔提供的 AUV 哨兵（Sentry）继续搜索 VDR，VDR 仅水桶大小，搜索难度大，AUV 标配4BlueView 的 P900-90 前视声纳、EdgeTech 2200-M 侧扫声纳（120/410KHz） 、Reson 7125 多波束（200/400KHz） ，还搭载了 EdgeTech 2205 侧扫声纳（850KHz 以上） 。在使用多波束精扫沉船附近水域后，根据浅点分布细划扫测区域，于 2016 年 4 月底发现 VDR。 （2）湛江台风彩虹应急扫测于 2015 年 10 月 3 日开始，投入
9、 5 条船舶，3 套多波束，2 套侧扫声纳，完成约 50?N2 面积水域扫测。湛港拖 3船配备 EdgeTech 42 0 0 M P、湛港引 3 船配备 K l e i n HydroScan 侧扫声纳分别扫测沉船和集装箱，海巡 1761 船携 Reson SeaBat 7101、租用船舶安装 R2SONIC SONIC 2024 多波束进行全港池航道扫测，RBN/ DGPS 定位。在航道内扫测到两处沉船影像，参考失事船舶的 AIS 路径制定计划进行集装箱扫测后，沿轨迹方向发现五十余个集装箱影像（图一右下） 。 3.项目特点和设备应用发展趋势 （1）对目标特征点探测要求变高。IHO S-44
10、、LINZ、USACE、CHS 等规范对目标探测和覆盖率的规定都越来越严格，IHO 特等测量要求在 40m以浅水深，大于 1m3 的特征物必须被探测到；而 USACE 硬底质探测目标要求 0.5m3，命中波束数大于 3 个。业内较为严格的 LINZ 标准规定特等水域需 200%覆盖，并且：1）为描述海底特征，必须纵横各 3 次命中探测目标；2）为达到上述要求，Ping 与 Ping 中心的距离不能超过被探测目标的一半。而 CHS 则考虑 CUBE 建面的需要（如 15m 以浅 0.25m 分辨率） ，网格内至少要有 5 个波束以保证数据密度。基于以上条件，目标探测对船速控制和覆盖率等都有更高要
11、求。 （2）探测设备的分辨率也越来越高。现水下探测主流设备仍然是5浅水多波束和侧扫声纳，但 UHR（Ultra High Resolution）设备开始推广应用，高频多波束如 R2SONIC SONIC 2024（700KHz） ，高频侧扫声纳（900KHz-2400KHz）如 Sea Scan HDS、EdgeTech 4125、Klein 5900 等，其他高频三维声纳如 Echoscope、BV5000 等，新技术设备如 SAS 和水下激光扫描仪等，对目标特征探测更加详细；动态聚焦、多脉冲、姿态稳定等新技术普遍应用在各种探测设备上；定位设备的精度也逐渐提高，RTK、PPK 等技术成熟，O
12、mniStar G4、Veripos、StarFire 等星基差分应用陆续开始支持北斗系统，水下 USBL、DVL、INS 广泛应用在ROV、AUV 导航上。 （3）成果格式要求由多样化日趋一致。以 NOAA 多波束提交成果为例，在 2014 年之前要考虑 Fledermaus 面、ESRI Arc ASCII、KML、GeoTIFF、XYZ、TXT 等各种软件支持格式的需求，现则只需要提交符合 S-102 规范的 BAG（水深属性网格）和 GeoTIFF 格式文件，BAG 格式已被 CARIS、ARCGIS 等海洋 GIS 类软件支持。 （4）平台多样化，USV、AUV、ROV 应用越来越广
13、泛。近年来，水上USV 和水下 AUV、ROV 等新技术在海道测量、应急搜索、科学探测等方面的应用有所进展。ATLAS、Kongsberg、LRI 等公司的产品推广很快，多可同时搭载测深仪、多波束、侧扫声纳、SAS、照相机等设备，实现不同的功能，大量节省时间和成本，还达到了更准确探测的目的。 （5）设备向小型化、集成化发展。多波束设备的应用尤为明显，如2014 年 Teledyne Odom、LRI、CARIS 在夏威夷进行的海试，使用波浪滑翔者 SV3 无人船搭载 Odom MB1 多波束集成剖面声速仪、GPS、姿态、罗6经进行测量，CARIS 开发的 Onboard 模块自动生成 BASE
14、 Surface，输出BAG 文件上传，全程无需人工参与，极大地解放了人力。 （6）设备扩展开发、综合和组合应用越来越多。扩展应用方面，多波束测深系统的侧扫声纳/Snippets、WCI 数据广泛应用于沉船扫测中；综合应用如船载激光和多波束三维测量等方面的研究技术成熟，EdgeTech 6205 和 2000-DSS 等组合设备的使用频率增多。 7、IT 技术的发展影响明显。SSD 固态硬盘、4G 通讯技术等新技术产品的推广普及，在数据存储和传输等方面，极大推动了水下探测技术的发展。以 3D 打印为例，在 2014 年的 HMS Erebus（幽冥号）扫测项目中有典型的应用。 4.结语 通过比较不难发现：合理利用已有资料进行分析、计划，针对项目要求选用合适设备，对微小障碍物采用多种方法综合判断等都有助于提高目标探测的效率；水下探测设备和技术的更新应用越来越快，也不在局限于传统的保障航海安全范围，我们在探测技术和设备的推广应用上还有待提高。 参考文献： 1POERBANDONO. Seafloor Swathe Survey for Search and Rescue Mission of Air Asia QZ8501 J. Geodesy and Geomatics Engineering.2015.
