楊立文，焦永強(qiáng)，徐健

（1.中交第三航務(wù)工程局第二工程有限公司，上海 200122；2.上海達(dá)華測(cè)繪有限公司，上海 200136）

基于超短基線的側(cè)掃聲吶水下目標(biāo)定位技術(shù)

楊立文1，焦永強(qiáng)2，徐健2

（1.中交第三航務(wù)工程局第二工程有限公司，上海 200122；2.上海達(dá)華測(cè)繪有限公司，上海 200136）

側(cè)掃聲吶測(cè)量技術(shù)是探測(cè)、搜尋水下目標(biāo)的最有效的手段之一，在許多海洋工程、海事保障項(xiàng)目中都用到側(cè)掃聲吶測(cè)量技術(shù)。然而，因其拖曳式的測(cè)量工藝特點(diǎn)，無(wú)法對(duì)所探測(cè)到的水下目標(biāo)進(jìn)行精確的測(cè)量定位。實(shí)際作業(yè)時(shí)，往往需要通過(guò)采用多方向探測(cè)并輔以其它手段來(lái)確定水下目標(biāo)的準(zhǔn)確位置，降低了水下目標(biāo)的探測(cè)效率。文中提出采用側(cè)掃聲吶與超短基線相結(jié)合的方式進(jìn)行水下目標(biāo)的探測(cè)方法，不但能夠有效提高水下目標(biāo)的測(cè)量定位精度，而且可以大大提高側(cè)掃作業(yè)效率、降低作業(yè)成本，實(shí)用性強(qiáng)。

側(cè)掃聲吶；超短基線；目標(biāo)；定位；測(cè)量

0 引言

在許多海洋工程、海事搜救、海洋勘察等項(xiàng)目中，往往需要利用側(cè)掃聲吶對(duì)目標(biāo)水域進(jìn)行工前掃海測(cè)量、水下目標(biāo)的探測(cè)，為后期的施工展布、目標(biāo)打撈及清除提供準(zhǔn)確的位置信息。然而，側(cè)掃聲吶的測(cè)量作業(yè)方式常采用拖曳式，拖曳長(zhǎng)度根據(jù)測(cè)區(qū)水深的不同有5 m、20 m也可能更長(zhǎng)，這種作業(yè)方式?jīng)Q定了側(cè)掃聲吶的測(cè)量定位精度不可能很高，加之受波浪、風(fēng)力、水流的綜合影響，最終的定位精度要在1 m或數(shù)米以上，無(wú)法滿足實(shí)際的生產(chǎn)需要，往往還需要采用其它的測(cè)量技術(shù)手段進(jìn)一步確認(rèn)，造成經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本的浪費(fèi)[1]。

通過(guò)超短基線（USBL）水下定位技術(shù)與側(cè)掃聲吶測(cè)量相結(jié)合，將基于GPS的水面以上間接定位方式轉(zhuǎn)換為水下信標(biāo)的實(shí)時(shí)定位，很好地解決水下掃測(cè)目標(biāo)的高精度定位問(wèn)題，從而可以快速有效確定水下目標(biāo)的真實(shí)位置，不再輔以其它手段就可以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)[2]。這種工藝的改進(jìn)也是對(duì)側(cè)掃聲吶定位技術(shù)一次變革，有利于推動(dòng)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

1 傳統(tǒng)側(cè)掃測(cè)量定位技術(shù)特點(diǎn)

1.1 側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的工作原理

側(cè)掃聲吶系統(tǒng)是基于回聲探測(cè)原理進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)，根據(jù)水下目標(biāo)反射回波時(shí)間的先后來(lái)反映水下目標(biāo)的位置及陰影信息。在常規(guī)的側(cè)掃作業(yè)中，通常采用拖曳式測(cè)量方式，水下目標(biāo)的位置通過(guò)GPS、繩纜與船的相關(guān)位置確定。顯然，水中的拖魚(yú)與定位天線有一定的方位和距離偏差，這個(gè)方位和距離偏差受船速、航向、波浪、水的流速和流向的影響往往會(huì)很大，無(wú)法滿足水下目標(biāo)精確定位的要求，不利于后續(xù)工作的有效展開(kāi)，也就無(wú)法滿足施工生產(chǎn)的需求[2-3]。

1.2 水下目標(biāo)位置確定

1.2.1 目標(biāo)的位置確定方法

常用的計(jì)算方法：以GPS位置為中心，分別沿船舶縱軸線和橫軸線建立船體坐標(biāo)系，量取拖魚(yú)在正常拖曳情況下距離船舶坐標(biāo)系的縱橫向偏距，將GPS的測(cè)量位置換算至拖魚(yú)的位置。

1.2.2 目標(biāo)位置的誤差來(lái)源

1）GPS定位誤差

GPS的測(cè)量精度與其接收到的差分類型密切相關(guān)，有偽距差分、載波相位差分等；常用的RTK-DGPS模式就是載波相關(guān)差分的一種，其定位精度可達(dá)到厘米級(jí)[4]，定位誤差相對(duì)較小，對(duì)目標(biāo)掃測(cè)的整體精度影響非常有限，不是需要考慮的重點(diǎn)。

2）GPS與拖魚(yú)間的位置差

海底目標(biāo)掃測(cè)的定位結(jié)果都是以GPS的測(cè)量定位數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的，側(cè)掃聲吶的水下拖魚(yú)與GPS間相對(duì)位置的準(zhǔn)確性直接影響到水下目標(biāo)的準(zhǔn)確性。測(cè)量過(guò)程中，側(cè)掃聲吶水下拖魚(yú)的位置處于動(dòng)態(tài)變化中，并隨拖纜的長(zhǎng)度、海況的復(fù)雜程度沿掃測(cè)軸線的縱、橫向及垂向發(fā)生位移，掃測(cè)軟件計(jì)算的位置與聲吶的水下實(shí)際位置相差數(shù)米乃至數(shù)十米都是可能的。顯然，這樣的定位精度是無(wú)法滿足水下目標(biāo)的精確探測(cè)要求的，需要采用新的、高精度的技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)定位。

1.2.3 提高水下目標(biāo)定位精度的方法及措施

針對(duì)傳統(tǒng)的掃測(cè)方式，提高水下目標(biāo)的定位精度要解決以下3方面的問(wèn)題：

1）盡量縮短側(cè)掃聲吶拖魚(yú)與船舶的距離，降低拖魚(yú)在水下自由活動(dòng)的空間；

2）選擇在風(fēng)平浪靜、海況較好的時(shí)間段進(jìn)行測(cè)量；

3）降低拖魚(yú)與掃測(cè)目標(biāo)間的垂向距離，提高目標(biāo)的成像質(zhì)量。

顯然，上面的第1）、3）條是矛盾的，要同時(shí)解決這兩方面的問(wèn)題就要改變?cè)械臏y(cè)量模式，超短基線的引入正是解決以上問(wèn)題的關(guān)鍵。

2 基于超短基線的側(cè)掃聲吶測(cè)量工藝

2.1 超短基線的測(cè)量工作原理

超短基線測(cè)量系統(tǒng)主要由2部分組成：發(fā)射接收單元及水下應(yīng)答信標(biāo)。系統(tǒng)根據(jù)聲波在水中傳播的往返時(shí)間及聲速來(lái)測(cè)量水聲換能器到水下信標(biāo)的距離；利用安裝在水聲換能器探頭中的多個(gè)水聽(tīng)器接收陣接收水下信標(biāo)的應(yīng)答信號(hào)的相位差來(lái)確定發(fā)射接收機(jī)相對(duì)船首的方位；通過(guò)距離與方位的測(cè)量來(lái)確定水下目標(biāo)的位置[5]。

2.2 基于超短基線的側(cè)掃聲吶測(cè)量實(shí)施方案

定位方式：采用GPS與水下超短基線相結(jié)合的方式進(jìn)行；水面船舶及設(shè)備的位置采用RTKDGPS方式定位，水下側(cè)掃拖魚(yú)采用高精度的超短基線進(jìn)行實(shí)時(shí)定位；利用GPS與超短基線相結(jié)合的水下定位技術(shù)為側(cè)掃聲吶提供更加準(zhǔn)確的定位信息。

如圖1所示，測(cè)量船上同時(shí)安裝側(cè)掃聲吶設(shè)備與超短基線測(cè)量定位設(shè)備，將超短基線的水下定位信標(biāo)固定在側(cè)掃聲吶的拖魚(yú)上。

為了不影響拖魚(yú)姿態(tài)，將水下定位信標(biāo)固定在承載拖魚(yú)拉力的連接桿上。超短基線的發(fā)射接收機(jī)安裝在測(cè)量船上，利用GPS與水下信標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合定位，從而大大提高側(cè)掃聲吶的掃測(cè)作業(yè)的測(cè)量定位精度，將傳統(tǒng)的數(shù)米乃至數(shù)十米的定位精度提高到20 cm左右。

整個(gè)側(cè)掃系統(tǒng)由GPS、側(cè)掃聲吶拖魚(yú)、側(cè)掃聲吶甲板控制單元、超短基線發(fā)射接收機(jī)、水下信標(biāo)及信號(hào)控制單元組成，整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)流程如圖2所示。

船舶及船載設(shè)備定位采用高精度RTK-DGPS模式，側(cè)掃聲吶的水下拖魚(yú)的位置信息由水下定位信標(biāo)提供。

為提高側(cè)掃聲吶對(duì)水下目標(biāo)位置的探測(cè)精度，主要解決2個(gè)問(wèn)題：

1）實(shí)時(shí)獲取拖魚(yú)在水下運(yùn)動(dòng)軌跡；

2）為水下目標(biāo)提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)位置信息。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例

應(yīng)用項(xiàng)目：長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道二期工程福姜沙整治工程。

測(cè)量對(duì)象：大型水下齒形構(gòu)件結(jié)構(gòu)及位置。

2.3.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)比對(duì)

為了確保測(cè)量成果的準(zhǔn)確，在進(jìn)行齒形構(gòu)件的測(cè)量前，對(duì)超短基線進(jìn)行了系統(tǒng)的校準(zhǔn)，利用雙RTK-DGPS工作模式對(duì)安裝在測(cè)量船上的超短基線發(fā)射接收機(jī)的方向進(jìn)行了校準(zhǔn)[6]；同時(shí)，選擇一個(gè)固定的直立樁碼頭進(jìn)行了測(cè)量比對(duì)。

1）在側(cè)掃聲吶的常規(guī)工作模式與超短基線工作模式下分別采集目標(biāo)位置信息，并對(duì)所測(cè)水下目標(biāo)位置進(jìn)行比較分析；

2）RTK-DGPS測(cè)量成果與側(cè)掃聲吶在超短基線工作模式所測(cè)水下目標(biāo)的比對(duì)。

首先，在碼頭上采用RTK-DGPS定位模式對(duì)碼頭前沿的直立樁（共16根）進(jìn)行了準(zhǔn)確的測(cè)量，將該結(jié)果作為比對(duì)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；然后，先用傳統(tǒng)的拖曳式側(cè)掃方式對(duì)碼頭樁進(jìn)行了測(cè)量；最后，利用載有超短基線水下定位信標(biāo)的側(cè)掃方式對(duì)碼頭前沿16根樁進(jìn)行了測(cè)量。

測(cè)量結(jié)束后，分別對(duì)所測(cè)的水下樁的位置進(jìn)行求差，得到2組差值數(shù)據(jù)：傳統(tǒng)拖曳式掃測(cè)與RTK測(cè)量結(jié)果的差值、基于超短基線掃測(cè)與RTK測(cè)量結(jié)果的差值?；诔袒€的側(cè)掃聲吶測(cè)量結(jié)果偏移量基本都保持都在0.5 m以內(nèi)；而傳統(tǒng)掃測(cè)方式所測(cè)的樁位差異較大，最大的差值已經(jīng)超過(guò)3 m。

2.3.2 水下齒形構(gòu)件的測(cè)量

長(zhǎng)江南京以下12.5 m深水航道整治項(xiàng)目是國(guó)家重特大項(xiàng)目，水下大型齒形構(gòu)件的準(zhǔn)確測(cè)量一直是施工難題，傳統(tǒng)的側(cè)掃、水下潛摸方式量測(cè)的準(zhǔn)確率及工作效率都比較低，無(wú)法滿足水下齒形構(gòu)件施工的檢測(cè)精度需求。

為提高檢測(cè)精度及便于比對(duì)，現(xiàn)場(chǎng)的掃測(cè)測(cè)線為垂直水流方向布設(shè)，并在兩種不同的工作模式下分別采用往返測(cè)量方式、同向測(cè)量方式對(duì)水下齒形構(gòu)件進(jìn)行了掃測(cè)及坐標(biāo)比對(duì)。水下齒形構(gòu)件的掃測(cè)影像圖3所示。

從圖3可以看出：基于超短基線的側(cè)掃聲吶測(cè)量技術(shù)對(duì)水下齒形構(gòu)件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以清楚地測(cè)量出水下目標(biāo)的具體位置及排列位置形態(tài)。

為了提高檢測(cè)精度，以利于對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，在側(cè)掃拖魚(yú)的兩種定位模式下分別采用同向測(cè)量比對(duì)、反向測(cè)量比對(duì)；利用專業(yè)的測(cè)量軟件提取了水下齒形構(gòu)件的41個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)比對(duì)，其比對(duì)結(jié)果如圖4、圖5所示。通過(guò)圖4可以看出：無(wú)論是同向測(cè)量比對(duì)及反向測(cè)量比對(duì)，其位置差都相對(duì)較小，很少有大于30 cm的，且偏差呈隨機(jī)性變化，對(duì)水下目標(biāo)的定位可靠性較高。從圖5可以看出：傳統(tǒng)的拖曳式測(cè)量，其定位偏差比較大，絕大部分偏差都超過(guò)50 cm，且反向比對(duì)差異更大，大部份偏差已經(jīng)超過(guò)1.5 m，這可能是由于受長(zhǎng)江縱向水流作用拖魚(yú)上下起伏所致。如果加長(zhǎng)側(cè)掃聲吶水下拖魚(yú)的拖曳長(zhǎng)度、或在環(huán)境比較差的海里進(jìn)行測(cè)量，所產(chǎn)生的定位誤差可能會(huì)更大。

3 結(jié)語(yǔ)

側(cè)掃聲吶的水下實(shí)時(shí)精確定位是目前側(cè)掃作業(yè)中急需解決、較難解決的技術(shù)難題，如何將清晰的水下圖像與精確定位相結(jié)合是水下目標(biāo)探測(cè)的關(guān)鍵。

利用超短基線水下定位技術(shù)為側(cè)掃聲吶的拖魚(yú)提供實(shí)時(shí)的位置信息，有效提高了水下目標(biāo)的掃測(cè)精度。與傳統(tǒng)多波束配合側(cè)掃聲吶的探測(cè)技術(shù)相比，具有投入設(shè)備少、作業(yè)時(shí)間短、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)后續(xù)工序的有效展開(kāi)具有較強(qiáng)的支撐作用。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步改變側(cè)掃聲吶的掃測(cè)工藝，有利于促進(jìn)施工監(jiān)測(cè)、掃海測(cè)量的技術(shù)進(jìn)步。

[1]王化仁，李春風(fēng)，林康力.海流對(duì)聲吶目標(biāo)定位精度影響分析[J].水道港口，2007（4）：297-299. WANG Hua-ren,LI Chun-feng,LIN Kang-li.Analysis on influence of sea current on target location accuracy[J].Journal of Waterway and Harbor,2007(4):297-299.

[2] 趙巍.側(cè)掃聲吶換能器水下定位方法研究[C]//全國(guó)第二十二屆海洋測(cè)繪綜合性學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.2010：102-104. ZHAO Wei.A study on underwater positioning method of side scan sonar transducer[C]//Proceedings of the 22nd national comprehensive symposium on the marine survey,2010:102-104.

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Underwater target positioning technology of side scan sonar based on ultra short baseline

YANG Li-wen1,JIAO Yong-qiang2,XU Jian2
（1.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China;
2.Shanghai Dahua Surveying&Mapping Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China）

Side scan sonar measuring technique is one of the most effective means to detect and search the underwater target, it is used in many marine engineering and marine security projects.However,due to the characteristics of the towed measurement process,it is not able to accurately measure the underwater target.The actual operation,it is often need to use the multi direction detection and other means to determine the accurate position of the underwater target,reduce the detection efficiency of the underwater target.We proposed the method of combining the side scan sonar with the ultra short baseline, which can effectively improve the accuracy of measurement and positioning of the underwater target,and can greatly improve the efficiency of side scan operation,reduce the operating cost,and has strong practicability.

side scan sonar;ultra short baseline;target;location;survey

U652.2；P753

A

2095-7874（2017）03-0006-04

10.7640/zggwjs201703002

2016-10-24

2016-11-21

楊立文（1978— ），男，上海市人，工程師，長(zhǎng)期從事碼頭、港口與深水航道治理的施工及研究工作。E-mail：yangy7612@163.com