国产侧扫声呐在水下搜救中的应用.pdf

60第8期2023国产侧扫声呐在水下搜救中的应用pplication of Domestic Side Scan Sonar in Underwater Search and RescueA摘 要：针对水下搜救工作中的难点，介绍了侧扫声呐在水下搜救中的应用方法和作业流程，结合广州市从化区流溪河水库搜救案例，分析了国产高频侧扫声呐在实际搜救中的应用效果及存在的问题，重点探讨了水下目标的搜寻及定位方法，为在内河水库中开展快速打捞作业提供科学依据。关键词：侧扫声呐；水下搜救；水下目标搜寻；声呐图像；水下定位Abstract:Inviewofthedifficultiesinunderwatersearchandrescue,thispaperintroducestheapplicationmethodandoperationprocessofsidescansonarinunderwatersearchandrescue.TakingintoconsiderationcasesofsearchandrescueinGuangzhouConghuaLiuxiheReservoir,thispaperanalyzestheapplicationeffectandexistingproblemsofdomestichigh-frequencysidescansonarinactualsearchandrescue,andfocusesonthesearchandpositioningmethodsofunderwatertargets,inthehopeofprovidingscientificbasisforthepromptsalvageininlandreservoirs.Key words:sidescansonar;underwatersearchandrescue;underwatertargetsearch;sonarimage;underwaterpositioning中图分类号:U666.7;U676.61 文献标志码：A文章编号：1673-2278（2023）08-0060-03收稿日期：2023-05-25；修回日期：2023-06-05作者简介：吴有东（1999），男，海南儋州人，本科，助理工程师，主要从事水下应急搜救研究工作。DOI:10.16831/ki.issn1673-2278.2023.08.017（南海救助局广州救助基地，广东广州511400）WuYoudong(GuangzhouRescueBaseofNanhaiRescueBureau,Guangzhou,Guangdong511400,China)吴有东一、引言水下搜救是指在水下环境对遇难者或失踪者进行寻找和救援的行动，是国家应急救援体系中的重要组成部分。水下搜救工作范围广泛，包括船舶沉没事故、人员淹溺事故等突发事件。由于水下环境的复杂性和不可见性，水下搜救具有较高难度和风险。传统的搜救方法主要是通过潜水员下潜进行人工探摸搜救，该方法搜寻范围小、效率低，且存在较高作业风险。近年来，随着科技的发展，越来越多的设备被应用到水下搜救，常见的设备包括水下机器人、侧扫声呐等，在2017年9月潘家口水库“失联潜水员”搜救、2018年重庆万州坠江大巴车搜救等案例中，救援人员使用水下机器人、侧扫声呐等设备开展救援工作，均取得了良好效果1。侧扫声呐作为一种高效快捷的水下探测技术，可以快速获取水下环境的声呐图像，定位目标位置，帮助救援人员快速找到遇难者的水下位置，在水下搜救领域中发挥重要作用。通过对2022年广州流溪河水库落水者搜救案例进行分析，探讨了国产小型侧扫声呐在水下搜救领域中的应用特点、作业问题和解决方法，为水下搜救领域的相关工作者提供参考和借鉴。二、探测设备概况该案例中的水下探测设备为某国产高频侧扫声呐（见图1），具有成像清晰、分辨率高、轻便易携等特点，具体性能参数（见表1），主要由拖鱼、甲板单元、凯夫拉电缆、定位设备和声呐软件组成，工作时拖鱼通过拖缆牵引于水下平稳航行，甲板单元提供湿端供电和以太网络数据传输通讯，定位设备通过串口转换线接入电脑提供绝对坐标信息，侧扫声呐数据通过网线接入操作电脑采集软件，实现地形地貌的显示、存储和目标标记等功能。其中定位设备为国产全球导航卫星系统（GNSS）接收机，可支持星站差分服务，无需架设基站也能实现单机厘米级定位。图1 某国产高频侧扫声呐61中国海事海事技术Maritime Technology拖鱼主要由主体、两侧换能器和尾翼组成，总重13 kg，长约1 m，甲板单元等部分均较为轻便，仅需2人即可快速完成转运安装和作业，实现及时响应救援，在内河水库等水深较浅的水域应急搜救上具有独特优势。表1 某国产高频侧扫声呐主要性能指标三、作业方法（一）工作原理侧扫声呐系统通过换能器以一定的发射频率向水下发射声波（见图2），声波传播至水底或水底目标后发生反射和散射，其中反射和散射波会沿原路线返回到换能器，经过信号转换后在声呐采集软件上形成声呐图像，作业母船通过线缆拖曳拖鱼在特定线路上前进，获取水底声呐图像数据，根据目标物和水底底质对声波反射特性的差异，在声呐图像上能够识别出可疑目标。同时，定位设备接收GNSS信号获取绝对坐标，并将实时数据传输至声呐系统，在采集到的声呐图像中可以查看目标物经纬度位置，实现对可疑目标的定位。图2 侧扫声呐工作原理图（二）作业流程侧扫声呐可以用于水下搜寻和定位。即首先对作业水域进行全覆盖扫测，获取清晰的水下声呐图像，识别出声呐图像中的可疑目标，再确定可疑目标的精确坐标，便于后续开展入水探摸确认和打捞。使用侧扫声呐开展水下搜救的作业流程具体如下：1.根据现场情况制定搜寻计划，综合水域水深情况、目标概位、侧扫声呐量程等信息，确定重点搜寻区域并规划搜寻测线，测线方向应平行于等深线走向2，划定测线间距时应确保声呐量程对水底的全覆盖。2.在作业船（艇）上进行设备组装调试，完成拖鱼、甲板单元、采集电脑、定位单元、供电单元等设备间的连接，打开声呐采集软件，检查系统通讯状态，对换能器进行摩擦测试，检查声呐图像效果。3.量取侧扫声呐拖曳点与GNSS接收机相位中心的相对距离（拖鱼入水后还要量取下放拖缆长度），并在采集软件中输入相应的改正参数，检查定位数据质量。4.选择合适拖曳方式，将拖鱼布放入水中，按照规划测线开始施测，采集声呐图像数据，根据水深变化情况，及时收放拖缆调整拖鱼的离底高度。5.观察判读实时声呐图像，结合搜救对象特征，分析声图目标的反射强度和几何形态特征，在声呐图像中标记出疑似目标，获取其经纬度坐标。6.对疑似目标进行复核扫测，获取其在至少三个不同测线方向的声呐图像2，并做好目标位置标记。7.根据疑似目标的经纬度及其定位误差范围，将作业船（艇）导航至合适位置，放置浮标作好入水标记。8.潜水员在给定位置下潜探摸，确认目标后打捞出水，完成搜救。四、应用实例分析2022年4月，广州市从化区流溪河水库发生一起小艇沉没事故，两名艇上人员落水遇难。水库平均水深约20 m，往岸边方向逐渐变浅。救援人员携带侧扫声呐设备到达现场，根据遇险信息和现场情况，初步划定了搜寻区域范围及测线路径。救援人员使用一艘约4 m长的小艇作为侧扫声呐的作业平台，在小艇上完成设备组装调试后，将拖鱼布放入水中，采用侧拖的方式进行拖带作业，设置侧扫声呐量程为45 m，对搜寻区域开展全覆盖扫测，获取水底声呐图像。经过约半小时的扫测，作业人员在图像上发现了一处疑似沉没小艇的船型声图目标，以及两处在形态上同人体高度相似的声呐图像目标，使用软件工具量得疑似遇难者的声图目标尺寸1.8 m左右，近似于正常成人身高（见图3）。指标项指标值空气重量13 kg尺寸105 mm*767 mm频率900 kHz发射脉宽20500 s（CW）；0.52 ms（LFM）水平波束开角0.2垂直波束开角45垂直航迹分辨率1.25 cm量程单侧最大75 m62第8期2023图3 首次扫测发现疑似目标在声呐采集软件对两处目标进行标记，通过软件导航页面查看拖鱼的实时位置同目标位置之间的相对位置，更换测线方向对该区域进行复核扫测，再次在另一侧声呐图像中的相同方位发现同样目标（见图4），确认无误后记录两处疑似目标的经纬度坐标。图4 复核扫测再次发现疑似目标获取经纬度坐标后需要对目标位置进行水面标记。使用导航设备将侧扫声呐作业小艇航至目标位置，放置浮标（底部悬挂重物，水面系带浮体），作为潜水员入水标记，潜水作业母船开往目标位置附近，潜水员从标记处入水探摸，对周围9 m范围内区域进行地毯式搜寻，均未发现目标。经研判分析，未成功确认目标的原因为定位偏差过大，误差主要来源于两方面：一是人工标记的图上目标位置同目标实际位置存在一定误差，侧扫声呐图像的定位数据来源于外部GNSS接收机，需要经过相对位置改正后，图像才有准确的位置信息；而GNSS接收机本身的误差、相对位置改正数的测量误差、拖缆收放误差、侧扫声呐图像变形误差等误差源均会传导至目标定位误差。二是入水点标记同目标定位位置存在偏差。受水流影响，放置浮标的小艇无法精准定位至目标位置，导致浮标位置也同目标定位位置存在较大偏差。在上述两种误差叠加影响下，入水点标记与遇难者实际位置偏差过大，导致从浮标处入水的潜水员经过地毯式搜寻也未能确认目标。为解决上述问题，采用绝对定位+相对定位相结合的方式对搜救目标位置进行标记。绝对定位是指使用工程测量中的放样技术，将获取到的目标经纬度坐标输入到GNSS手簿中的测量软件中，根据点放样界面中的导航指示，将参照物（由水上浮标、水下反射物、底部重物组成）投放在目标位置处，通过水上浮标部分实现对目标的“绝对定位”。由于误差无法完全消除，参照物的位置同目标实际位置仍会存在偏差，偏差可采用相对定位的方法进行明确。相对定位是指在完成参照物投放后再次对该目标区域进行扫测，利用参照物上的水下反射物对声波反射较强的特性，可在声呐图像上发现参照物及疑似目标（见图5），获知两者的相对位置。确认参照物与搜救目标间的相对位置后，潜水员从参照物水面部分的浮标处入水，根据已确定相对方位和距离即可快速找到遇难者，开展打捞出水工作，完成搜救任务。图5 疑似目标与参照物五、结语广州市从化区流溪河水库搜救案例验证了高频侧扫声呐在搜寻水下遇险人员中的有效性。国产小型侧扫声呐采集的高分辨率图像能够清晰呈现出目标特征，其轻便性等特点也能很好满足搜救工作对应急反应速度的要求。完整的搜救工作包含搜寻、定位、确认、打捞等过程，通过侧扫声呐搜寻发现目标后，需要精准确定目标位置，使潜水员入水探摸后能快速确认目标，完成打捞工作。因此在搜寻定位过程中，应注重减弱各项定位误差源的影响，如确保定位单元上空开阔、精确量取定位天线与拖曳点之间的偏移量等，必要时在目标物位置附近放置参照物以进行相对定位，提高搜救作业效率。参考文献1 刘磊,吴振磊.浅析国产小型水下机器人在水下救助打捞中的应用J.中国水运.航道科技,2021(1):50-54.2 交通运输航测标准化技术委员会.侧扫声呐测量技术要求:JT/T13622020S.北京:人民交通出版社,2021.（编辑：张 云）