侧扫声纳在海域使用动态监测中的应用

侧扫声纳在海域使用动态监测中的应用
杨仁辉
（中交广州航道局有限公司，广州，510220）
内容摘要：侧扫声纳为海域使用动态监测提供水域面皆界址，在实施过程中有两个方面的重点，一是判别水域界限边界，二是确定边界地理坐标位置。

根据动态监测的技术特点，细致安排测量方案，灵活改变测量方式，获得高清晰度和分辨率的水下图像。

往复测量数据比对，获得平均坐标值，并与RTK坐标数据比对，其坐标误差范围完全满足规范要求。

关键词：动态监测；侧扫声纳；旁挂式；中误差
1前言
近年国家加强了对工程建设中海域使用的监测力度，改变了以往只在工程竣工时进行面积界址界定的做法，实行了海域使用的动态监测做法。

根据《南海区填海项目海域使用与海洋环境动态监测技术大纲》的要求，对审批的工程项目填海海域使用区向海外扩100m的范围进行海域使用范围动态监测。

这样做的目的是为了更好地动态掌握工程项目建设期间填海的实际界址及面积，防止超填、越界围填等非法用海行为的发生，为海洋行政主管部门在该项目海域使用填海竣工验收时提供项目施工期间、施工后（竣工验收前）填海用海区状态的科学依据。

海域使用动态监测过程中陆域部分使用全站仪、RTK等设备进行测量，水域部分是使用测深仪进行水深测量，绘制水下地形图，使用侧扫声纳进行声纳扫测，获得水下地貌图，根据水深变化和水下地貌特征界定实际使用面积界址。

而水域部分是海域使用面积组成中最重要的部分，是界定海域使用合法性的关键，由此可见侧扫声纳的使用在海域使用动态监测中有着非常重要的作用。

2侧扫声纳的工作原理
侧扫声纳是由side scan sonar一词意译而来，是利用回声测深原理探测海底地貌和水下物体的设备，又称旁侧声呐或地貌仪。

声呐向水中发射声波，通过接收水下物体反射回波发现目标，并测量其参量。

目标距离可通过发射脉冲和回波到达时间差估计。

一般情况下，硬的、粗糙的、凸起的海底回波强；软的、平滑的、凹陷的海底回波弱，被遮挡的海底产生回波，距离越远回波越弱[1]。

利用接收机和计算机对脉冲信号进行处理，最终变成数学参量显示在屏幕上，每一次发射的回波数据显示在屏幕的一条横线上，每一点显示的位置和回波到达的时刻对应，每一点的亮度和回波幅度有关。

将每一发射周期的接收数据按线形纵向排列，就构成了二维海底地貌声像图[2]。

图2-1 侧扫声纳工作演示图
目前国内外使用的主流侧扫声纳采用的是双频双通道换能器，即两个频率同时工作同时采集处理，同时基本上都采用线性调制技术（Chirp）。

拖鱼上的两个换能器倾斜放置，水平开角很小（1°～2°），垂直波束很宽（40°左右）[3]，通常采用拖曳式方式对海底扫描。

波束频率一般采用100Khz至1600Khz，其垂直分辨率非常高，可清晰的识别和反映海底地物地貌。

现在侧扫声纳广泛的应用于目标定位、海底特征的确定、石油工业应用、疏浚、扫雷、环境应用、渔业等多领域中。

3海域使用动态监测技术特点
海域使用动态监测的首要目的就是要确定填海界限，包括陆域和水域两部分，水域部分界限的界定主要依靠就是侧扫声纳测得的海底地貌图。

所以侧扫声纳的工作包括两方面主要的技术内容，一是判别水域界限边界，二是确定边界地理坐标位置。

正确判别水域界限的边界就要保证声纳图像的清晰度和分辨率，
要确定边界地理坐标位置就要保证坐标位置的准确性。

而按照以往常规的侧扫声纳测量方法进行工作，很难同时满足这两个要求。

首先一般使用侧扫声纳测量时采用的是船后拖曳方式，目的是保证拖鱼的稳定姿态，使其不受测量船摆动的影响。

但因为采用式非刚性连接，这种方式无法保证定位的准确性，另外因为要尽量靠近目标体，拖曳方式容易造成拖底和碰撞，安全性较差。

其次如果采用船舷旁挂方式，拖鱼与测量船是联动的，所以受测量船姿态影响比较大，在天气条件不好的情况下成像的清晰度较差，同时易受测量船发动机、水花等噪声影响。

而动态监测区域由于受施工、水文地理条件影响，安全性和操作性都比较差，这就必须采取不同的工作方式来满足动态监测的目标要求。

4案例分析
广西壮族自治州防城港市某核电工程海域使用动态监测项目要求是确定进出水口内围堰、堤坝基床或回填物倾埋水下的外缘线坐标。

采用的侧扫声纳设备为美国克莱因公司的Klein3000型，重量轻，可靠性高。

图4-1 Klein3000侧扫声纳系统
4.1目标区域条件
目标区域位于防城港市红星村旧址附近，紧邻钦州港。

该区域为混合潮型，大、中潮为正规日潮,小潮为不正规半日潮。

自然水深很浅，近岸区域低潮时海底裸露，水下地形复杂伴有大量礁石。

监测时期出水口正在抛石，进水口抛石同时进行工字块码放。

安全和水文条件非常恶劣。

4.2采取措施
根据目标区域现场条件，为取得理想的效果，测量人员经过分析采取了几项应对措施：
1)采用高频信号，在保证安全的情况下尽量贴近目标施测，以便
取得较高的分辨率；
2)拖鱼采用旁挂方式，略高于船底。

施测时段安排在高平潮，船
速保持在4节以下。

这样既保证了安全，也可以控制船体的姿
态，可以取得较清晰的图像；
3)施测计划线都与目标物平行，尽量规避弯曲测线出现，内业处
理中剔除所有弯曲航迹测得的图像，避免图像的几何失真；
4)采用往复施测，对同一目标物进行两次测量比对。

同时事先对
低潮时裸露出的特征点使用RTK进行标定，与侧扫声纳测得的
坐标进行比对。

4.3实际效果
在采取以上措施进行实际勘测后，测量人员取得非常好的效果。

首先图像的清晰度和分辨率都非常的高，细腻的反应了目标的影像，人工抛填物和原始海底的分界十分清晰，抛填石和工字块都可以轻易分辨出来，方便了技术人员对特征点的勾画。

图4-2 出水口侧扫图像
图4-3 进水口侧扫图像
其次分析定位误差，其来源有几点：DGPS定位误差、拖曳点相对GPS位置测量误差、拖鱼在水下相对于测量船的位置误差，以及解析中产生的判读误差等。

由于采用旁挂方式，高平潮测量，控制船速等措施，各个误差源都相应减小，分别为：DGPS的标称精度为0.50m；拖曳点相对于GPS的测量误差优于0.05m；拖鱼采用旁挂方式，GPS 与换能器相对位置误差应为0；测量量程为75m，采用高频信号，其垂直航线的分辨率为0.07m，解析中可能造成两个像素的误差，因此解析误差约为0.14m。

因此估算测量中误差为：
δ=2
2
20.14
0.50+
+=0.52(m)
+
0.05
优于《海域使用面积测量规范》对于近海测量点位中误差1m的要求。

往复两次测量数据比对表明两次特征点坐标差基本都在1m范围内，只有一个点大于1m。

往复测量特征点坐标比对表4-1
RTK与侧扫坐标值（两次平均值）比差也基本在1m范围内，只有两个点大于1m，这里可以将RTK数据近似看作真值，所以可以发现侧扫与RTK测量平均坐标差值为0.62m，只是略高于估算的中误差，但完全达到规范要求。

5总结
在海域使用动态监测中侧扫声纳起着非常重要的作用。

使用较高频率信号，抵近目标平行布置测线等措施，可以获得清晰的海底地貌图像，直观的反应了填海界址。

虽然侧扫声纳是一种主要用于大洋底勘探，而不是用于测量距离或深度的声纳[4]。

但在近滨海内，水深适中，影响定位的因素不是很明显，在适当改变拖挂方式，合理安排施测时段，控制测量船船速姿态的情况下，仍然可以将误差控制在规范要求内。

当然本文没有涉及到软件处理中对图像进行的角度、斜距、几何变形等改正，但是随着科技进步，设备和软件的发展，在多种姿态传感器辅助下，提供更多的改正数据，可以使得侧扫声纳具备更加简单便捷的采集处理方式，更加准确的精度，更加广阔的应用环境。

参考文献：
[1]蒋立军，杜文萍，许枫.侧扫声纳回波信号的增益控制[J].海洋测
绘，2002，22（3）：6-8.
[2]许枫，魏建江.第七讲侧扫声纳[J].物理，2006，35（12）：
1034-1037.
[3][4]赵建虎.现代海洋测绘[M].武汉：武汉大学出版社，2007：201.。