海洋论坛▏C3D测深侧扫声呐系统在人工鱼礁建设中的应用

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一、C3D测深侧扫声呐系统介绍⒈ C3D系统原理水下探测所使用的多波束声呐系统，从波束形成原理上可分为两种类型，一种采用束控法，称之为传统多波束，另一种采用相干法，可称之为相干多波束系统。本文所讨论的C3D测深侧扫声呐系统即为后者，其换能器在进行一次短脉冲发射后，海底反射的回波信号被换能器的接收器按照一定的相位差接收，根据相干原理，换能器阵中两个固定间距的换能器之间的相位差和波束的到达角存在固定的关系，从而计算出到达角的大小，再结合记录的波束传播时间即可进行水下目标位置的解算。C3D三维侧扫测深系统由美国水下声学和侧扫声呐设备制造商Benthos公司开发，它采用了多阵列换能器，并采用了加拿大Simon Fraser大学独家授权计算到达角度瞬时成像(CAATI)专利算法。普通的相干声呐受限于对于每一个距离步进只能估计一个散射到达角度，C3D基于CAATI专利技术，左右换能器各使用了6单元换能器阵列( 具有更好的信噪比和解析度，如图1所示)，最大可以分离出5个并发的角度，极大地提高了探测空间探测分辨率，测深精度可达5cm，侧扫精度可达4.5cm。实验证明CAATI技术更适应复杂的散射几何条件，即使在分离的多路径条件下，C3D仍能提供高质量的3D旁扫声呐图像。图1  CAATI原理示意C3D系统利用声波的干涉原理，对一组声脉冲同时进行测深解算和侧扫成像，同时具备了侧扫声呐和多波束测深的优点，且图像和深度数据精确匹配，解决了多波束系统和侧扫声呐系统测量信息叠加融合这一业内长期关注和研究的难点。⒉ C3D 系统组成及性能指标C3D三维侧扫测深系统主要分为拖鱼(C3D－TOW)拖曳安装系统和轻型支架安装(C3D－ LPM)系统，此外还可以与浅地层剖面仪集成(C3D－SBP)或集成在AOV(C3D－AUV)上进行测量。C3D－LPM(Lightweight Pole Mount)轻型支架安装系统专为小型测量船在浅水区域测量设计，造价低，重量轻，便于运输和操作，是本文研究和讨论的具体对象。一套C3D－LPM系统包括： 运行C3D Server和C3D Display及第三方数据采集和处理软件处理器(个人电脑)，收发器(甲板单元)，工作频率200 kHz的换能器(吊舱)，15m电缆及安装支架等。此外，一个完整的C3D测量系统一般还包括测量船，高度计、表面声速仪、姿态传感器、电源和DGPS等辅助设备，其连接设置如图2所示。图2  C3D系统构成示意图C3D系统(换能器) 主要性能指标如下：20.4kg，水中11.79kg，适用船速1～10节；工作频率：200kHz(可选100kHz)；测深扫宽：10～12倍水深；地形探测脚点密度大，可达每50m1000个测深点；测深垂直分辨率：5cm；脉冲宽度：0.125～3ms；重复率：最大30 Ping /s；换能器波束角：水平1°，垂直100°；俯视角：20°，30°，40°可调。⒊ C3D系统的应用推广C3D系统推出至今不到10年，据Benthos公司提供的数据，C3D系统(截止2011年)在北美和中南美州销售了24套，欧洲非洲和中西亚销售了10套，澳洲和南亚销售了15套，其应用超过25项，主要集中在海道测量、栖息地制图、河道港湾水底制图、挖泥疏浚监测、管线管道路由和制图、石油天然气探测、环境研究、码头、水闸、大坝、桥梁和港口的安全检查。C3D系统于2007年左右在国内上市，至今已有多家单位装备了该设备：海事局海测大队应用C3D进行水下地形测绘、港口和海港扫测和水下目标探测；水上公安局应用C3D进行重大活动的水下安全保卫；海洋局第一海洋研究所应用C3D进行海底石油管线路由调查； 上海海洋大学应用C3D进行海岸研究、海底栖息地成图、人工鱼礁等水下建筑物探测等；海洋工程单位用于水下管道测量；海军应用C3D进行航行保障方面的数据采集。二、人工鱼礁建设中的C3D应用人工鱼礁是人为在海中设置的构造物，其目的是改善海域生态环境、营造海洋生物栖息的良好环境，为鱼类等提供繁殖、生长、索饵和庇敌的场所，达到保护、增殖和提高渔获量的目的。目前国内外已经广泛地开展人工鱼礁建设，进行近海海洋生物栖息地和渔场的修复，而且取得了较好的效果。人工鱼礁建设在方案设计阶段，需要在建设海域的海底地形及地质类型等基本数据的基础上，进行礁址的筛选，以往大都是根据海图来获取的，存在信息不足、精度不高等缺陷。此外，在鱼礁建设过程和完成后的评价中，尽管可以通过潜水调查等手段获得鱼礁的掩埋、移位、倾覆、损毁等安全性指标，但往往受到水下能见度低、潮流急速、潜水时间短(一般小于1h)和人工探摸范围小(单人单次探摸小于20m×20m)等因素的限制效果很不理想。通过C3D系统快速获得大范围水深和水下图像信息，能够有效地克服传统手段的不足，为人工鱼礁建设的3个阶段提供必要的数据支持。本文以东海区多个人工鱼礁项目建设为例，论述了C3D在其建设中发挥的重要作用。⒈ 设计阶段的水下地形地貌数据获取人工鱼礁的布设必须考虑海域的水下地形、水文条件、底质等环境参数，而C3D 系统所能提供的高精度水下地形数据和高清晰度水下地貌图像正是鱼礁区设计必需的核心数据。⑴C3D获取高精度水下地形数据C3D测深侧扫系统需经过室内连接测试，野外安装调试，多波束校准，测量，室内数据处理等一系列步骤( 具体过程和方法本文不做探讨)，可获得垂直精度15cm( 各种安装和测量误差的存在)的三维水下地形数据。图3(a)所示为C3D系统所采集的某规划鱼礁区三维水下地形图，由于采用声波相干原理，C3D系统可提供非常密集的脚点数据，网格尺寸可达0.1m，可实现微地形精细测量，进而可实现三维可视化的鱼礁礁址的选择和布设方案设计，并可将设计思想以三维虚拟现实的方式进行表达，结果直观形象便于理解。此外，基于三维水下地形数据还可以提供准确的等深线、坡度、坡向、有效规划区面积等信息，图3( b)是基于图3(a)数据生成的鱼礁规划区等深线图，为鱼礁区规划基本数据之一。图3  C3D获取三维水下地形图及等深线图⑵C3D 获取高清晰度水下地貌图像利用Triton Isis、CARIS SIPS、HYPACK、Eiva、SonarWiz等第三方软件，对C3D的侧扫数据进行斜距、姿态、船速的改正，设置图像分辨率和坐标系，对图像进行镶嵌处理并平滑和填充，最终获得规划鱼礁区域整体的高分辨率的水下地貌图像，图像平面位置精度最高可高达10cm(取决DGPS定位误差和仪器安装测量误差等)。如图4所示，基于高清晰的水下声呐图像，可进行海底地质的分类，一般可以准确区分沙地、泥地、碎石、礁石等不同的海底地貌类型，也可直观判断水下的渔网、养殖绳、桩、人工构筑物及各种障碍物等，为鱼礁规划设计提供了必要的数据保障。 图4  C3D高清晰水下地貌图⒉ 施工阶段的工程保障以往人工鱼礁投放位置的准确性无法进行有效的监测，而利用C3D提供的水下声呐图像(高达10cm平面精度，15cm垂直精度)对施工中投放水下的鱼礁进行现场测量，快速获取水下每个鱼礁的三维位置和状态，迅速判断鱼礁投放的位置是否准确，鱼礁是否有倾倒、重叠等现象。将现场结果与设计方案进行比对，可以评价鱼礁投放的准确性和合理性，并改进鱼礁投放的技术和方法，以确保设计方案的准确实施，保障鱼礁建设的效果。图5 人工鱼礁设计图与投放实测图对比如图5所示，某海域人工鱼礁工程初期鱼礁投放实测结果(b)与设计方案(a)有着一定的偏差，需及时调整投放方法和施工工艺，确保实际鱼礁(群)位置与设计方案的偏差在可控的范围内，如礁群中心位误差不应超过10m，礁群整体变形不应超过25%。⒊ 竣工后的稳定性监测很久以来，人工鱼礁工程的验收、稳定性、效果评估都很难实施，而当前基于C3D 等所提供的高清晰水下声呐图像，可以有效地对人工鱼礁的建设效果进行评估，目前这项工作在我国还刚刚起步，处于探索阶段，据了解目前仅有上海海洋大学在从事该领域研究。⑴鱼礁投放情况评估在鱼礁全部投放后，须进行投放区域的全覆盖扫测( 方法同施工阶段的扫测) ，搞清鱼礁区的整体布局情况和每座鱼礁的三维位置和状态，分析其投放的效果，并作为竣工验收的基本资料和后续比对的资料(图6)。图6 不同类型人工鱼礁投放后竣工验收图⑵鱼礁稳定性评估鱼礁投放后的一定周期(初期1年，后期2年)，须再次对投放区域进行全覆盖扫测，掌握当前的鱼礁分布和状况，以确认前期投放的鱼礁是否丢失，位移是否移动，是否被掩埋及鱼礁区的地形有无变化。该阶段通常还会进行藻类生长情况和渔业资源的调查评估，以进一步评估鱼礁建设的生态效果(图7)。图7 不同类型人工鱼礁后期监测水下探测图三、总结与展望C3D测深侧扫声呐系统，由于采用了独特的相干原理和CAATI技术，使其具备同时获取地貌图像和水深的能力，高覆盖、高分辨率、高精度、高效率等一系列优点。同样由于采用了相干原理，其对复杂地形( 礁石、碎石、陡坡) 的测量和解算能力较差，这类地区会因无法进行干涉测量，导致部分水深数据的缺失。由于采用相干原理，C3D数据条带中心噪音非常大，导致仪器正下方数据误差较大，一般需过滤掉并配置额外的高度计辅助测量水深。如图3(a)所示，该图部分航线中心的水深数据噪音过大，被过滤后成空白状。此外，C3D条带边缘数据变形较大，易导致测深数据拼接处处理困难。C3D系统使用中辅助设备较多，各部分的偏移量、安装误差(横滚、纵摇、偏航)、数据同步误差(时延)、潮汐改正、声速剖面等，任意环节的误差都会对最终的数据精度造成影响，故必须保证校准测量和仪器安装的精度。C3D测深侧扫声呐系统，具备同时获取清晰地貌图像和高精度水深的能力，非常适合在浅水中进行地形地貌测量。C3D的特点和优势决定了其在水下工程、环境栖息地调查、海底地形地貌测量、水中目标探测等领域具有巨大应用潜力，如人工鱼礁、水库大坝、跨海大桥桥墩、海底油气管道等水下建筑物的探测与诊断，长江黄河的险工段探测，中华鲟栖息地调查，失事船只和危险品水下搜寻。此外，近期有关单位利用C3D侧扫图像的白柱部分对喀纳斯湖中鱼类进行了探测。综上所述，C3D测深侧扫声呐系统是一种优越的水下成像声呐系统，大量的实践证明其在人工鱼礁建设的3个阶段都大有作为。C3D系统的应用，可为人工鱼礁方案设计提供详细的海底地形和地貌信息，可对人工鱼礁建设的过程和结果进行科学的评估，将为各地人工鱼礁工程的顺利实施和效益保障发挥重要作用。■文/沈蔚 章守宇 李勇攀 张进 沈天跃 沈赟 张翔，来自《上海海洋大学学报》（2013年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者所有。第一作者简介：沈蔚，男，1977出生，上海海洋大学，博士，副教授，研究方向为海洋测绘、遥感、虚拟仿真。相关阅读推荐：

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