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一、引言 多波束测深声呐是当代海底地形勘测的重要设备之一，该系统是一种多传感器的复杂组合系统，是现代信号处理技术、高性能计算机技术、高分辨显示技术、高精度导航定位技术、数字化传感器技术及其他相关高新技术等多种技术的高度集成。多波束测深系统由GPS导航定位系统、多波束换能器、光纤罗经、姿态传感器、声速剖面仪、验潮仪、数据采集计算机、实时数据采集可视化软件、数据处理计算机和后处理软件构成。多波束测深系统的工作原理是利用发射换能器整列向海地发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，一次探测能获得上百个甚至更多的海底被测点的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的尺寸、形状和高低变化，能绘制出海底地形的三维特征。 20世纪70年代国外多波束测深系统逐渐发展起来，尽管经历了短短三十年的发展，其研究和应用已达到了较高的水平，特别是近十年，随着电子、计算机、新材料和新工艺的广泛使用，多波束测深技术已经取得了突破性的进展。与之相比，国内多波束测深系统与发达国家相比还有很大差距，就精度和稳定性而言，浅水多波束测深系统与国外精度相近，稳定性与国外有一定距离，只能小规模投入生产；中、深水多波束测深系统采集到的信号误差大，精度低，产品处于研制阶段。 多波束扫测系统可通过记录航迹上采样点水深数据以及测船的姿态、位置数据等，快速、精确的绘制海底地形变化。 2017年某集装箱船意外搁浅于南太平洋礁盘上，为顺利完成该船打捞工作需要对沉船周围半径约1.5km范围内的水深进行测量，并对礁盘水深30m以浅区域进行更深入地扫测，以获取整个作业区域的水深数据，在扫测过程中对礁盘上散落的残骸进行调查为后续打捞做准备。将多波束测深声呐系统安装至工作艇上对目标区域进行水深数据进行采集，之后对采集的数据进行处理与修正，通过建立三维水深模型对作业区域的地形进行分析研究。评估后续打捞船舶进入礁盘作业的吃水要求、规划礁盘上航线的线路以及发现大型残骸的存在位置、保障作业船舶安全。 二、扫测方案 ⒈平面控制系统 本次扫测平面控制系统采用WGS-84坐标系，UTM59S投影，中央子午线为171°E，相关大地参数如下。 参考椭球：WGS-84、a＝6378137.0m、1/f＝298.257223563； 投影：UTM投影；中央子午线(λ0)：171°E； 假东(F.E.)：500000m；假北(F.N.)：10000000m；比例因子(κ0)：0.9996。 ⒉深度基准 本次调查深度基准面为最低天文潮汐面。潮位采用距离杜兰德礁西北方向51nmile的马雷岛永久验潮站观测潮位。 ⒊执行标准 本次测量执行国内相关技术规范和IHOS-44Ed.51a等级测量标准。 ⒋测量设备 本次多波束扫测投入主要仪器设备包括：高速艇、GPS接收机、水下光纤罗经、多波束探测仪、声速剖面仪、验潮仪。 三、实施过程 ⒈设备安装 多波束设备支架选择安装在高速艇左舷约1/2处，避免船主机、泵和螺旋桨对多波束采集设备的干扰[10]。姿态仪（光纤罗经）安装在靠近船中心的室内结实地板上，调整光纤罗经使其艏向与测量船艏向基本一致。GPS定位设备，VeriposLD4天线安装在多波束换能器正上方[11]。 建立船体坐标系，以多波束换能器杆与船吃水交点为原点，右舷方向为X轴正方向，船头方向为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向，如图1所示。 % w: O, _5 E5 L' q$ U9 ?
图1 高速艇多波束设备安装位置示意图 ⒉测量设备校准 GPS校准：本次导航定位设备在动员前已在陆地控制点进行静态校准，对接收机进行了16h的数据采集，如图2所示，经计算后得到GPS水平定位精度满足本次扫测要求。 T, q* a7 p$ i! p0 f
图2 LD4水平定位精度 多波束水深校准：通过测区内，海底平坦海区，沿相反方向以相同速度沿同一测线，测得两条带断面测量数据，计算横摇值（Roll）；通过测区内，水深变化大的陡坡区域，沿相反方向以相同速度，沿同一测线测得两条带的中央波束数据，计算纵摇值（Pitch）；通过测区内，水深变化大的陡坡区域（间距为覆盖宽度的2/3的两条测线），沿相同方向以同一速度，沿相邻测线测得两条带的多波束边缘数据，计算艏摇值（Yaw）。 ⒊声速剖面测量 扫测正式开始前，进行了声速剖面测量。将声速剖面仪加配重后，缓慢下放到海底后进行回收，下放与回收速度为0.5m/s。对声速剖面数据进行读取，获得换能器所在深度的声速值，作为波束导向输入到声呐控制软件中。 ⒋导航定位 定位人员在驾驶室通过GPS导航定位软件，为开艇人员实时显示高速艇航向、速度、偏离计划航线距离等信息。开艇人员通过操控高速艇沿指定计划航线航行，进行多波束水深扫测作业。当偏移计划航线较大时，可提醒开艇人员及时进行修正，保证扫测航行的间距和平行度，船速则需要控制在5kn左右，保证测量数据的准确性。 ⒌多波束数据采集 数据采集人员通过驾驶室导航人员的通知，对数据进行记录和停止记录操作。 现场扫测过程中，将表面声速值输入到控制软件中作为波束导向，通过调节声呐控制软件中的吸收率、扩散系数及能量、增益及脉宽，以获得最好的数据质量。 工作期间严格按照技术要求进行作业，对多波束剖面数据及多波束开角的有效波束进行实时监控，以确保多波束现场采集的数据质量和有效覆盖宽度；现场及时调整量程，以保证有效覆盖宽度；通过软件中合理设置GridModel以及ColorTable，来获得更好的界面显示效果。同时实时对水深数据进行深度滤波，剔除飞点，使采集的水深数据准确有效。 四、数据处理 ⒈导航数据处理 所有导航数据使用HYPACK2008软件进行处理，首先对导航数据资料对照计划线进行全面的检查，把在卫星状态不好时，定位误差大的个别点剔除。根据仪器不同的位置偏移量，生成各设备的航迹图，用于数据处理参考。 ⒉多波束数据处理 根据多波束各传感器设备偏移量，新建船配置文件，并对原始声速文件、潮位文件进行编辑，使符合CARIS的文件格式以供后期读取使用，具体处理流程如图3所示。 , w, k* [) r1 z* Z; x. L
图3 多波束数据处理流程图 在CARIS HIPS and SIPS 6.1软件中，作业过程如下： ⑴用CARIS HIPS and SIPS 6.1软件对多波束水深数据进行数据转换并进行人机交互清理（LineMode和SubsetMode）：剔除粗差，过滤虚假信号。 ⑵声速、潮位改正：采用已经编辑好的声速、潮位文件对水深数据进行声速改正和潮位改正。 ⑶做SubsetMode下的数据清理：根据测区测线布设情况，平均每4～6条测线为一组，逐区进行数据清理。 ⑷水深修正：多波束系统采集水深数据量极大，因而在开始制图编绘工作之前，需对相互重叠或超稠密的水深数据进行修正，修正时保留最浅水深。 ⑸数据输出：将经过各项改正后的数据输出成标准ASCII格式，用于后期成图。 ⒊成果输出 根据礁盘区域多波束扫测结果，按20m输出水深XYZ数据。将礁盘区域水深XYZ数据，输出到CAD文件，绘制水深图。 五、调查结果 ⒈水深情况 - k, |2 s' @3 s) x, d' X( a% h
图4 礁盘区域水深渲染图 根据采集的数据生成礁盘区域水深渲染图（如图4所示），扫测区域内水深范围为3.1m～250m，变化较大；地形比较复杂，礁石和沟壑较。水深较浅区域主要在沉船西侧和西南侧，沉船周围残骸密集区域水深较浅，吊机区域存在浅点。
9 m( E \! t7 {4 r. M图5 礁盘30m以浅水深分布统计 从扫测区域内30m以浅区域水深分析饼状图（图5）可知0～5m水深占比较小为0.03%，5～10m占比超过一半为55%，10～15m占比为22%，15～20m占比为8%，20～25m占比为7%，25～30m占比为8%。 ⒉作业区域地形分析 为了保证后续作业船舶在沉船附近进行打捞作业安全，故对沉船附近区域水深进行二次多波束测深，经过数据校核处理后运用三维软件进行模拟（如图6所示）。在标示的经纬度范围内，地形由红色渐变为绿色表示地形由高至低、水深由浅至深，空白区域为沉船所在位置，而沉船周围的礁盘地形沟壑较深、水深较浅，且礁盘顶部较为平坦宽大，远离沉船的位置，地形较为凌乱、沟壑交错水深略深。
/ {( _! j( k6 z" L图6 作业区域三维地形模型 ⒊大块残骸分辨 通过对水深数据中特异值进行分析，在扫测水深图中可以明显看出部分区域水深发生突变，可以初步判断存在大块残骸，经过整个区域的分辨共发现几处可能存在大块残骸的位置。在多波束扫测完成后，根据扫测获取的位置信息，在对应位置发现了该残骸，并进行摄像确认其中一处为吊机及底座残骸（如图7所示）；另一处为沉船的舱盖板（如图8所示）。
$ o% E" ]. c' p, h9 }/ h Q. l& y/ S图7 多波束扫测吊机残骸
# m" G9 `% K6 L5 d图8 多波束扫测舱盖板残骸 六、结束语 文本采用多波束扫测系统对沉船所在礁盘及外围进行深度扫测，获取详细的水深数据，经过分析可知大部分水深在5m～10m范围，故施工船舶选型时需要考虑该水深因素。此外通过模型分析，发现沉船周边的水下地形相对平坦，便于船舶靠近沉船，而发现的残骸位置、范围，不仅有效保障了作业船舶通航安全，也为后续残骸回收确定了目标。 近年来，随着大型集装箱船、散货船在国际航运中的大力发展，不时有发生船只搁浅事故，国际上对于浅水区域大型船只的打捞项目，各国的环保要求的提高对打捞技术水平提出更高要求。由于海上作业环境复杂、多变，很多区域缺乏相应的水深、地形、风浪流等数据，因此给打捞方案的制定和施工船舶航行带来巨大风险和挑战。通过多波束扫测系统可对沉船周围的水深进行详细的调查分析，有助于掌握最真实、最可靠的地理环境数据，便于后续施工方案的制定和风险控制；同时通过分析可掌握残骸的漂移情况，可避免遗漏残骸、确保完成打捞任务。 在今后的打捞工程作业前，通过多波束测深等技术手段获取沉船周围不同时间、不同位置的水深大数据能有助于精细化模型的建立，可用于制定科学、安全、高效的打捞方案，为环境保护、企业科技创新提供重要的数据基础。
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