交通运输部南海航海保障中心广州海事测绘中心
摘要：侧扫声呐是水下物体探测的一种常见的方法，多波束扫测也是水下物体探测的一种常见方法。本文通过在大面积水下不明物体位置探测时采用侧扫声呐结合多波束进行探测，两钟常见的探测方法相结合后，优点显而易见，可以准确、高效的完成水下物体的探测。
关键词：侧扫声呐；多波束；水下物体探测
1、研究背景
受湛江海事局的委托，交通运输部南海航海保障中心广州海事测绘中心对湛江港龙腾航道与斗龙航道交汇处不明碍航物进行探测。本次水下不明物体扫测范围为3.5KM*5KM，最后要明确探测范围内是否存在不明碍航物，如果存在不明碍航物需要提供该碍航物的准确坐标及附近最浅水深。
2、测量设备
.png)
图2-1 KLEIN4900侧扫声呐系统 图2-2 R2SONIC2024多波束测深系统
3、实际案例的数据采集及处理
3.1测线布设：根据规范要求，侧扫声呐按3.5*5公里范围内，按实地间距100米布设测线，测线总长共计约300公里。多波束测线按海图水深减去探头吃水的2.5倍间距布设测深线，间距为实地15—50米，测线总长共计约700公里。
3.2船配改正：测量船体坐标系以姿态传感器为坐标原点；X轴：垂直船艏方向，指向船右舷为正；Y轴：沿船艏方向，指向船艏为正；Z轴：铅垂方向，向下为正。
3.3多波束校准：按照既定的校准方案，在海图上大约10m深的水域附近进行了系统校准。校准的顺序为定位时延（Latency）、横摇偏差（Roll）、纵摇偏差（Pitch）、艏向偏差（Yaw）。定位时延和纵摇偏差的校准在航道外平坦斜坡上进行，以不同的速度行驶，采集数据时使用等角波束模式；横摇偏差的校准在海底平坦且水深较大的地方，使用等距波束模式正反向行驶，船速保证前进方向的波束交迭≥100%；艏向偏差的校准在浅水有明显障碍物的两边布置两条相邻测线使用等距波束模式进行，相邻的线有稍大于15%的覆盖率。
3.4声速改正：采用表层声速仪或现场测定进行多波束换能器实时表层声速改正，每天开始测量前在测区附近较深海域投放一次剖面声速仪，计算平均声速后输入单波束测深仪中进行声速改正，在测量开始后2-4h再投放一次，若邻近两次测定声速变化大于2m/s或多波束换能器表层实时声速变化剧烈，则在2h内加测一次声速剖面，结束测量后再进行一次测定，并改正到水深测量中，测量期间平均声速为：1544m/s。
3.5静态吃水：每天作业前和作业后，均量取换能器静态吃水变化值，并在测深系统参数中及时进行调整和记录。
3.6动态吃水：本次测量的测量船动态吃水测定选择一平坦海域，采用慢中快三种船速对同一测线进行测量，根据潮位变化计算水深变化情况，进而得出动态吃水，内业处理中已对船进行吃水改正。
3.7水位改正：潮位改正时，按潮流方向设计潮流线路文件，并量取各验潮站的DMG值（具体值见下表），然后利用HYPACK测量软件进行自动分带改正。
3.8侧扫声呐数据采集：侧扫声呐测量时，采用DGPS实时差分信号，输送WGS-84坐标给SonarPro® 14.1外业数据采集软件，进行位置和各种姿态传感器数据的采集。有效扫宽为75米，人工手动实时调整参数以保证良好的底跟踪和图像的清晰度。发现可疑目标时手动打标，然后进行可疑目标的长宽高量取，再结合测前收集的资料和现场情况进行分析后确定该目标的可靠性。必要时进行二次加密和不同方向的扫测。
.png)
图3-1 侧扫声呐外业发现沉船
3.9多波束数据采集：多波束扫测时，采用DGPS实时差分信号，输送WGS-84坐标给QINSy多波束外业数据采集软件，进行位置和水深及各种姿态传感器数据的采集。多波束发射频率设为400KHz，波束开角一般设定在150°并适当调整，以保证左右两侧覆盖宽度大致各为30米，浅水区域等开角设定为160°。多波束测深系统配备安装了RESON SVP-70表面声速仪，在测量时按照规范要求，分时分段采用剖面声速仪采集测区声速剖面数据。
数据采集过程中，测量人员在作业现场，密切注意各监视窗口数据质量，观察各相关设备运转状态，按照多波束性能及海洋环境随时对Range、脉冲、频率、TVG增益等外业参数进行调整，以保证扫测质量。每天测量结束后对换能器吃水、声速剖面、多波束外业记录等内容进行检查，对多波束数据、声速剖面文件进行备份。最后将多波束数据、声速数据、潮汐观测数据导入Caris HIPS后处理软件中，生成BASE Surface数据，检查多波束条带数据覆盖及拼接情况，对发现的特殊水深和覆盖不理想的区域记录下坐标、范围、水深、原因等，制定补测计划。对不同时段测量数据水深有明显差异的区域，分析确认水深变化的原因，更改下一步测量方案。
3.10侧扫声呐数据处理：侧扫声呐内业数据处理主要采用HYPACK 2014软件进行镶嵌，在软件侧扫声呐模块下先对外业采集的.SDF格式数据进行转换成.HSX格式数据，然后在进行数据的底跟踪和数据信号进行处理，最后镶嵌数据好的数据如下：
.png)
图3-2 侧扫声呐镶嵌图
3.11多波束数据处理：多波束内业数据处理主要采用Caris公司的HIPS and SIPS软件进行，在线模式下主要是对数据采集软件采集来的各传感器数据（XTF格式）进行处理，对水深数据设定各项合理的过滤参数删除大部分的假信号。多波束数据处理流程如下：
.png)
图3-3 多波束数据处理流程
在数据处理过程中，进行了定位、姿态、声速、潮汐的改正和检查，采用CUBE算法等统计学方法进行数据自动过滤，人工进行数据QC和水深标记，尽量减少人为主观影响。多波束数据处理时根据水深和地形特征调整设置CUBE参数和建面分辨率，在过滤前后均在子区模式下进行了反复的数据检查，对处理过程中发现的可疑点从波束号、回波强度、旁瓣影响等方面进行综合分析，无法判断或影响通航安全的浅点均通过向质检人员进行反映安排了复测。
.png)
图3-4 多波束扫测沉船3D图
4、结论
本文通过在大面积水下不明物体位置探测时采用先用侧扫声呐进行粗扫，发现目标后再采用多波束进行可疑目标的精扫，极大的缩短了作业时间，提高了数据质量的精度。可以准确、高效的完成水下物体的探测。
参考文献：
[1]唐秋华，等.多波束海底声像图的形成及应用研究[J].海洋测绘，2004，（5）：9-12
[2]别伟平，等.多波束与侧扫声纳在水下障碍物探测中的综合应用.港工技术2019，（056）：0z1
[3]严 俊，多波束与侧扫声呐高质量测量信息获取与叠加.测绘学报2019，（048）：003