側掃聲吶在應急測量中的應用
——以“穗富航628”輪落水集裝箱搜尋為例

徐禮鵬（南海航海保障中心廣州海事測繪中心，廣東 廣州 510320）

一、引言

伴隨著微電子技術、計算機技術和數字信號處理技術的飛速發展，上世紀60年代英國海洋研究所研制出第一個實用型側掃聲吶，現已演變成以計算機軟硬件一體化為基礎，將聲吶數據采集、處理、存儲和圖像顯示綜合集成的現代側掃聲吶探測系統[1-4]?，F代側掃聲吶系統具有高分辨率、圖像清晰、操作便捷、工作穩定等優點，目前已在海底目標探測，尤其是在海底礁石、沉船、管道、電纜以及各種水下目標探測方面得到成熟的應用。董慶亮、王久、賴培偉等人利用側掃聲吶系統的高分辨率成像，有效增強海底地形地貌，在海底沉船和飛機殘骸的搜尋工作中取得較好的探測效果[5-7]；庫安邦則在海底管道檢測工程中利用側掃聲吶系統技術進行了相關研究[8]；為探知施工區水下障礙物情況和海底狀況，張興強等人通過水聲定位學原理的側掃聲吶技術全覆蓋掃測施工區海域，準確獲取海底信息，能夠有效指導海上風電場施工[9]。將回聲測深原理和高分辨率成像結合在一起的側掃聲吶系統能夠清晰探測海底地形地貌和水下物體，給海上應急測量帶來極大便利，是沉船和落水集裝箱等海上搜尋應急測量工作的首選搜尋利器。

2021年11月8日凌晨，從中國香港開往佛山的貨輪“穗富航628”輪在航經深圳礬石水道水域時，突發機艙進水，導致貨輪沉沒。船上67個集裝箱貨柜落水，漂浮及沉沒在珠江口內伶仃水域，給深圳西部轄區海域船舶航行帶來安全隱患，粵港澳多條高速客運航線被迫停航，深圳港港口作業存在安全隱患。深圳海事局商請南海航海保障中心廣州海事測繪中心派遣應急掃測力量前往事發水域開展緊急掃測工作，確定沉船及集裝箱沉沒位置，保障水上交通安全。

二、技術路線

（一）側掃聲吶系統組成

側掃聲吶是通過側方發射聲波來探測水體、海底聲學結構和介質性質的儀器設備[4]。側掃聲吶系統由數據顯示和記錄單元、數據傳輸和拖曳電纜、水下聲波發射和接收換能器三大部分組成。如圖1所示。

（二）側掃聲吶工作原理

側掃聲納系統主要是利用海底表面物質背散射特征的差異來判斷目標物的沉積屬性或形態特征?；夭ㄐ盘栞^強的目標圖像較黑，聲波照射不到的區域圖像顯示色調偏淡，根據影區顯示長度可以估算掃側目標的高度。側掃聲吶工作時向兩側發送寬角度（垂直方向）聲波波束，單側每個條帶探測寬度能夠達到數十米至數百米，通過接收海底返回的背散射數據對海底進行成像，通過聲吶數據處理軟件實時呈現海底地形地貌，是否有礙航物和海底底質類型等信息。用戶根據不同探測目的，從1 kHz到1 MHz選擇不同頻率的發射波束進行目標物的探測工作[9]。較低的工作頻率可以有較大的探測距離，而較高的工作頻率能在有限長度的傳感器尺寸下得到高的角度分辨力。一般100 kHz左右的聲吶作用距離可達600 m，500 kHz左右的聲吶工作距離為150 m左右。

側掃聲吶系統有如下特點：一是測量效率高，滿足應急測量要求。掃寬可達10倍多水深，在淺水區域測量，能夠大大提高測量效率，減少工作時間與成本。二是測量結果準確率高。側掃聲吶數據獲取便捷，影像識別能力好，所見即所得，能夠區分目標物底質特征，采集的數據不僅精度高，而且影像隨時回放、實時查看。三是簡便易操作。側掃聲吶系統組成簡潔，只需主機和定位系統即可進行掃測，同時其供電可選用蓄電池或者220 V交流電，不僅可以進行拖曳式測量，也可以固定安裝在大型船只、小漁船、皮筏艇等任何船體上進行測量工作。

三、“穗富航628”輪落水集裝箱搜尋事例

（一）作業流程

為搜尋散落各處的集裝箱，盡快排除深圳西部海域的海上交通安全隱患，應急掃測工作嚴格遵循安全、快速、科學、準確的原則，應急人員依據《沿海通航水域應急掃海測量管理辦法》的要求，第一時間掌握事故沉船位置、報警時間、沉沒時間、航速、航向等基本信息，同時結合事發當時海上風速、風向、能見度、海水流向、流速等氣象條件，及時獲取事發海域水深、潮流、海底地貌、已（疑）存障礙物情況等地理信息，為應急掃測方案的制定提供科學依據。

通過“穗富航628”輪沉船位置，分析研判落水集裝箱漂移路線，按照沿海通航水域應急掃測技術要求[10]，一方面確保重要航道及港口優先安全通航，另一方面根據集裝箱漂移路徑進行科學預判，科學制定掃測方案，集中力量在可能性最大的區域進行掃海作業。此次掃測將水域劃分為A、B、C三大區域（如圖2所示），分布在深圳海事局珠江口管轄水域，包含礬石水道、大鏟水道、銅鼓水道、龍鼓西水道、福永至香港的高速客輪船航線水域、內伶仃島南北水域。掃測水域長約38 km，寬約12 km，掃測面積約380 km2。按照側掃聲吶測量技術要求[11]，測量人員完成掃測船導航儀器、側掃聲吶設備安裝、調試和校準等測前工作準備，為掃測工作的順利開展提供支撐。應急測量系統組成如圖3所示，側掃聲吶系統作業流程如圖4所示。

圖2 掃測區域及范圍

圖3 應急測量系統組成

圖4 掃測作業流程

四、結語

“穗富航628”輪應急掃測工作中，廣州海事測繪中心派出3個應急小組，歷時12個晝夜，共完成3 739 km的掃測里程，掃測面積達380 km2，共搜尋到45個落水集裝箱，既往歷史沉船74艘，通過掃測迅速掌握事故水域水下地形概況，避免發生次生事故，保障來往船舶通航安全。

應急掃測時間緊、任務重、要求高，對參與應急掃測人員的技術和設備的選取都有更高的要求。實踐證明，使用先進的側掃聲吶系統搜尋落水集裝箱，工作效率高、工期短，預期效果較好，也為海事測繪部門今后科學制定應急掃測方案，快速高效應對海上交通安全事故應急掃測工作提供參考和借鑒。

（二）落水集裝箱判讀

應急測量采取傳統電纜拖曳拖魚的作業方式，保持船速勻速前行，確保拖魚姿態更加穩定。在側掃聲吶數據采集過程中，通過側掃聲吶系統綜合管理軟件進行測線布設和導航、聲吶影像顯示、軌跡跟蹤和區域覆蓋、結合數據采集記錄和回放、障礙物目標識別和判讀，確認海底障礙物是否為落水集裝箱。通常，側掃聲吶信號遇到集裝箱會返回強反射信號，聲波無法穿透的地方則形成陰影部分[12]，可以利用軟件實時影像精確量取強反射物體的長、寬、高，從而輔助作業人員精確判斷目標物的尺寸?？紤]到側掃聲吶會受姿態、掃測方向、掃測速度等因素影響，影像會產生變形，掃測過程中發現疑似目標物，可以多方向、多次反復對疑似目標物進行掃測確認，提高測量結果準確率。如圖5、圖6所示。

圖5 多方向判讀疑似落水集裝箱影像

圖6 疑似落水集裝箱變形影像