潜水探摸作业与海洋测绘技术

茶江鱼 · 发表于海洋技术发展 2022-11-13 12:43:42

水下潜水探摸作业在海洋工程、海上设备维护、抢险搜救等诸多领域有着广泛应用。水下探摸的前期工作是海洋测绘。对于水下潜水探摸作业人员，有必要了解潜水探摸和海洋测绘的关系。什么是海洋测绘，字面意思就是海洋探测与绘图。我们必须把海底目标的位置、范围、距底高度、最浅深度、方位朝向和赋存状态、目标材质等信息尽可能的摸清，绘制成图，把基本信息完整提供给潜水人员。通俗来说，海洋测绘和探摸就是“大海捞针”的不同过程阶段，海洋探测是“大海找针”，潜水探摸则是“大海摸针”。

那么“找”和“摸”怎么结合？我们找的位置准不准？找的目标对不对？探测和探摸人员的沟通是否理解顺畅，专业术语能不能听懂。探摸人员对海洋环境要素的理解和认识，都是非常重要的问题。探摸人员需了解以下海洋测绘常用的水下探测技术。

1声传播特点与声呐探测的主要技术及装备

首先我们要知道水下障碍物目标是怎么探测出来的？海洋探测目前的主流装备95％以上都是通过声传播技术来实现的，统称声呐。声波水中衰减：能量的吸收损失和扩展损失，相比之下，水体对声能的吸收损失是巨大的。声传播速度在空气中约为340m/s，水中约1500m/s，这是基本的概念。严格来说大部分探测仪器使用超声波（人们能听到的声波频率在20～20000Hz之间，高于20000Hz的为超声波，低于20Hz的为次声波）。

1.1 声波传输特点

声波以球面扩展的形式向水中传播，低频声波穿透性好，传播距离远，探测目标分辨率低；高频声波穿透性差，传播距离近，但探测目标分辨率高。

1.2 声呐探测主要技术及装备

蛙人通讯系统（无线）、前视声呐（蛙人的、水下航行器的）、反蛙人声呐系统、潜艇的避障声呐和搜索扫描声呐；地方民用的探测设备：测深仪（单多波束）、侧扫声呐、浅地层剖面仪、ADCP等。无论军用还是民用，声呐系统应用非常广泛。下面简单罗列一些声呐技术应用场景。

1.2.1 前视声呐

以多波束扫描形式为水下航行器提供声呐图像，用于水下航行器的前视水下识别、导航和监视。前视声呐一般固定安装在ROV(水下机器人)上，通过对水下机器人的操控实现对声纳头位置的控制，调整声波信号的发射与收集，形成具有较高分辨率的图像，不仅能做到实时成像，图像还可以被缩放、旋转和移动，为水下航行或施工过程提供准确、完整的识别信息。

图1 前视声呐扫描图像

1.2.2

蛙人手持侦察系统

在水下视距极低的条件下，为蛙人和潜水员提供导航和搜索辅助的小型声呐。蛙人手持侦察系统主要用于蛙人感知水下环境信息，对水下作业和作战目标进行探测，配置手持式声呐和水下强光灯。其中水下强光灯主要用于水下一般作业，灯光作用距离一般5～10m，蛙人探测声呐可分为定向回波测距声呐和超声成像声呐，探测距离一般在50～200m。超声探测声呐作用距离远，使用最新的多波束成像技术，探测精度高，具有256个以上的波束，角度分辨率在0.18°以上。

目前，在蛙人手持声呐领域技术和产品较为先进的是BlueView，其产品覆盖450、900、1350、2250kHz频段，探测成像距离5～175m。主要用于蛙人水下探测，二维/三维成像、UUV等水下导航、避碰等，是各国蛙人水下探测的主要装备。

图2 蛙人手持侦察系统

1.2.3

多波束测深系统

多波束测深系统是近20年普及起来的海洋全覆盖水深探测技术。我国的海底地形测量在2000年以前主要是单波束单点线状测量，多波束是面状覆盖的作业方式。系统覆盖面可达到深度的5～7倍，如30米的深度，测量船跑一趟可以覆盖约150米宽的条带。测量效率和精确度大大提高。

早期国内技术较为薄弱，主要使用进口产品如Seabat系列、EM系列等多波束系统；近年来由于庞大的市场牵引，国内相关院所和厂商不断加大研发力度，陆续推出商业化产品，技术性能逐步逼近，性价比大有赶超之势。目前大型的调查船、勘测船都装备中水（200～1000米）或深水多波束（1000～12000），直接在船底安装换能器。浅水多波束一般量程在200米以内，便携安装于小船的船舷侧。

1.2.4 侧扫声呐

侧扫声呐主要用于海底面状况的探测，用于出露于海床面以上的海底目标探测，它具有较高的分辨率，能快速准确地判别海底目标特征，探明障碍物的形状、大小、出露高度、大致性质和海底底质类型概况。目前，侧扫声呐技术在航行障碍物探测方面已达到很高的水平。

1.2.5 水下反蛙人侦察系统DDS

军用安防系统，通过水下声波探测预警用于锚泊中的舰艇防蛙人攻击，组网形式用于关键军事港口如核潜艇基地、航母基地、驱护舰基地等的水下防护。单站探测距离1000米左右，可以侦测蛙人的位置和速度方向。多站组网部署在港口时，可在港口外围以1000米一个站的形式组成预警防护网。

1.2.6 反潜声呐

下图这个是反潜拖曳阵声呐的示意图，一个是主动声呐，主动发射信号，接收目标反射信号；另一个是被动声呐，只听不发。一般民用声学设备大部分都是主动声呐的一种，被动声呐主要用于军事方面的潜艇伏击或对潜作战。

2 水下探测作业方式的选择

工程方面障碍物探测的手段主要有多波束测深、侧扫声呐、海洋磁测、浅地层剖面法、拖底扫海及人工探摸等。任何单一的海底障碍物探测技术都存在其固有的局限性，无法达到准确摸清障碍物存在形态的目的。因此，多种探测手段综合应用成为解决这一问题的一个有效途径。

实际应用时选择合适的设备和作业方式，须了解海区自然环境：区域水深、风流速情况、区域通航情况（主航道和养殖区等的影响）、探测船艇等，结合项目需求来做综合判断。一般来说：海上沉船、失事飞机、人员搜救等应急性的目标搜索，必须做到快速反应，首选侧扫声呐；港口疏浚、航道测绘、钻井平台基址测绘、海上风电场基坑扫测等应使用多波束扫测，海底电缆、管道的埋深和路由探测，一般选择多波束和浅地层剖面结合探测。

2.1 多波束测深

多波束测深是可同时获得舰船航迹的垂直面内几十乃至上百个深度值的回声测深系统，具有覆盖宽度大、水深密度大的特点，平面位置准确合理，发现目标能力强，主要用于海底地形测量、扫海测量及海上施工的测量。应用于港口疏浚、航道测绘等需要准确水深数据以计算疏浚土方量、计算深度是否达到设计通航条件的海上工程项目。下图是某公司用多波束扫测的海上风机的基坑点云图。

2.2 侧扫声呐

侧扫声呐基本原理是运用海底地物对入射声波反向散射的原理来探测海底形态。侧扫声呐技术能直观地提供海底形态的声成像，在海底测绘、海底底质勘测、海底工程施工、海底障碍物和沉积物的探测，以及海底矿产勘测等方面得到广泛应用。侧扫声呐最常用的应用场景是：海上抢险，海上沉船、失事飞机等应急性的目标搜索。下图这套设备是最早从美国进口的侧扫声呐：SIS1500，量程可以达到双侧1500米覆盖宽度。

应用案例：2004年某海域，水深约35米，某部军机失事，机身机翼浮在海面，机头和乘组沉入海底不见踪影。潜水员在机身机翼漂浮坐标点100米范围内探摸搜寻未果。调用Datasonic SIS1500，测线间隔150米，量程双侧200米，范围5公里，进行粗扫搜索，发现疑似点后按100或50米量程进行精准扫测确认。最终在机翼漂浮点西北角约2.2公里发现疑似散落目标，潜水员下水顺利找到并打捞出水6位遇难乘员和散落部件。

一个海底失事飞机的声呐图像，非常清晰，有强反射，有阴影。白色是正下方的水体盲区，后边还有一个二次反射的图像。主要说明的是镜像反射的案例，平静海况时易出现此类折射回波。

图12 风电桩柱和阴影图像

2.3

海洋磁法探测

海洋磁测是在水域进行的磁法勘探工作。磁法勘探是以有关地质学和物质磁性的理论、地磁场理论和物体磁化理论、以及磁化物体磁场的数学理论为基础，借助专用仪器测量不同磁化强度的物体在地磁场中所引起的磁场变化（即磁异常），来研究这些磁异常的空间分布特征、分布规律及其与磁性体(场源)之间的关系，从而达到寻找场源（探测目标体）的目的。磁力测量一般为海上后拖曳式的工作方式，作业时，为避免船只自身磁场的干扰，一般拖缆长度不低于船长的3倍。

2.4 浅地层剖面测量

浅地层剖面探测是一种基于水声学原理的连续走航式探测水下浅层地层结构和构造的地球物理方法。其主要原理是通过换能器将控制信号转换成不同频率的声波脉冲向海底发射，该声波在海水和沉积地层传播过程中遇到声阻抗界面，经反射被返回换能器，转换成模拟或数字信号记录和储存，并输出为反应地层声学特征的记录剖面。

浅地层剖面图像用于分析地层的结构特征，配合钻探进行海底地质勘察。

2.5 拖底扫海

拖底扫海是早期的扫海方法，类似于两个渔船进行拖底作业，用于查明探测区域内海底面上的障碍物的位置、深度及性质，同时可实施开辟航道、清除障碍物及保障安全航行。拖底扫海主要用于探测港池、航道的人类遗留物，适应于海底平坦区域，扫海范围较开阔且探测区域内没有渔网、养殖或较少渔网、养殖的区域。

2.6 人工潜水探摸

人工探摸是对已知障碍物或其他探测方式探测到的疑似障碍物进行确认的一种探测方法。潜水员潜入水下利用手摸、脚踩、眼看及水下照相技术对水下结构进行检测，也称为目视检测。潜水员作业时有一定的人身安全风险，且需要有较高的业务素质，仅适用于水深较浅的区域。

人工探摸作为海上救捞最有效最直接的手段，受潜深、洋流、通讯、目视范围等多方面影响，效率上不好保证。潜水探摸作业必须依赖上述各种探测手段，从大范围海域的盲扫作业，发现和排除可疑目标，直至精扫后的误差修正，确定目标坐标方位、水下赋存状态等信息，才能制定相应探摸计划，确保水下作业安全高效。

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