|
4 Q2 H3 n) Y F" g& C 什么叫海洋测绘，字面意思就是海洋探测与绘图。海洋探测是水下探摸的前期工作。我们必须把海底目标的位置、范围、距底高度、最浅深度、方位朝向赋存状态、目标材质等信息尽可能的摸清，完整提供给潜水人员。就是大海捞针的不同过程阶段，我们海洋探测就是大海找针，我们潜水探摸就是大海摸针。青岛海洋数据工程有限公司提供技术材料。 3 z$ P4 E* m$ _9 o3 v6 S
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顺畅理解，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。
# X/ y" b- d; G/ Y 一、声传播技术应用
2 f( G( m: l4 l# Y" ] 首先我们要知道水下障碍物目标是怎么样探测出来的？海洋探测目前的主流技术95％以上都是通过声传播技术来推算的，统称声呐。
7 k+ Y5 e$ [5 L5 j! | 举例：我们的蛙人通讯（无线的啊）、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。总之无论军还是民，应用非常广泛。
7 v3 e' g( V5 r 这个是水下航行器的前视声呐的一个扫描图像，目标非常清晰。
8 k5 f' \5 q! Z. q4 r0 P' W " ?1 v8 w; E/ V
这个是蛙人手持侦察系统，实际是一个小型声呐，潜水员在视野距离非常低的条件下，依靠它进行导航搜索。下图是我们常用的侧扫声呐，大家看像一个鱼雷。我们叫拖鱼，用铠装电缆拖着它在水底下行进，测量海底地貌，从而探测海底目标。
6 L. r: t4 w$ | g' H1 f / Y. I( A! {( s0 D6 D
这个是多波束测深系统，近20年普及起来的海洋探测作业技术。2000年以前主要是单波束，单点线状测量，多波束呢是面状覆盖的作业方式，发射一个ping可以回收一二百个波束点，覆盖面可达到深度的5~7倍。比如30米的深度，测量船跑一趟可以覆盖150米宽的条带。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。 - L& X4 N1 q' y0 I3 F9 B: \
/ f$ }/ \2 S6 m* v' k, Q3 @
! e4 u/ }" k2 |6 m8 \) J$ q: ] 下图这个是水下反蛙人侦察系统DDS，是安防系统属于军用设备，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！锚泊中舰艇的防蛙人攻击。 & b) ^+ d! k& _4 \) z7 ^8 I
5 N( } {0 }0 j; x 通过水下声波探测预警敌方蛙人袭击的设备（这个是英国的设备），部署在舰艇锚泊时，吊放于水下。探测距离1000米左右，可以侦测蛙人的位置和速度方向。也可以多站组网的形式部署在港口，如在港口外围以1000米一个站的形式组成预警防护网。 3 J5 E P- f; o4 y: v2 b6 K
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。我们使用的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对潜作战。 $ ~8 l3 [+ Y7 O, `. k2 ^
; M) q4 A9 N7 k4 y+ F( \ 刚才说到，海洋探测目前的主流技术95％以上都是通过声传播技术，那么，声波传输有什么特点呢，我们了解一下：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，但探测目标分辨率低；高频声波穿透性差，传播距离近，但探测目标分辨率高。
7 B! Y |2 a9 e 大部分设备工作在超声波频率范围，我们听不到，也有个别工作在低频人耳范围内。有没有朋友上过海洋调查船，那么上面的深水多波束就是低频声波，深水工作六七千米甚至上万米时，仔细听会有间隔很长的闷闷的声音（哒哒哒） _7 ]- L8 A" ]" c* S
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 & @3 @# E! e4 d' H* @! u; U
下图这个图指的是深海声传播通道，实际是海水中声速变化造成声线折射，影响了声能传输路径：声线往声速小的方向弯曲。深海声轴！这个不在这里讨论。
, J0 y( x. e9 W2 Z( @+ k 二、声学设备原理应用：声波的反射、折射和透射
6 M% G8 O/ P$ s9 [. N$ W 声传播速度空气中340，水中1500，这是基本的概念。 " l+ M) x5 W" |
严格来说大部分使用超声波（人们能听到的声波频率20~20000HZ,高于20000HZ的为超声波，低于20HZ的为次声波）
\( K" C" ]$ I, F) p" K2 R/ E 那么潜水员或蛙人，声学应用最全的就是：蛙人水下信息系统。
( Z% m/ _" H$ e& N; r' k7 M. r 主要用于蛙人持续潜水作业或作战过程中的通信、引导、定位，导航和水下探测低等信息保障。系统主要包括蛙人水声通信设备，水声信标及定位设备，水下导航设备和水声探测声呐设备等。
( _: T+ P* k' b/ [, W8 U' F3 k （一）水下探测技术
$ [4 }# U3 ~9 a& o$ [ X 目前障碍物探测的手段主要有多波束测深、侧扫声纳、海洋磁测、浅地层剖面法、拖底扫海及人工探摸等。目前任何单一的海底障碍物探测技术都存在其固有的局限性，而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。 ( @8 N8 X9 j/ R6 Z+ ^& v$ A4 s. T
实际应用主要看项目的需求来选择合适的设备和作业方式 / Q0 B' J5 C x, G
比如：海上沉船、失事飞机等应急性的目标搜索，那么首选侧扫声呐，；这个事我之前在部队时干得最多；港口疏浚、航道测绘、海上风电场基坑扫测等应用多波束扫测，海底电缆、管道的埋深和路由探测，我们选浅地层剖面仪。
$ Z! A' p: i+ ^/ ^: Q: W" {4 C ⒈多波束测深
* @, a) p" i T1 m) i2 x 多波束测深是可同时获得舰船航迹的垂直面内数十个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。
" x1 h" |! D+ v 应用于港口疏浚、航道测绘等需要准确水深数据的海上工程项目，要算疏浚土方量、计算港口准确深度是否达到设计通航条件 ! ` Z1 s7 w: ?! o
下图是我们用多波束扫测的海上风机的基坑点云图。 $ N9 K, O* v& t @1 |
( F! k: X; n% L 这个是seabatT50P浅水多波束的系统组成，下面是换能器和甲板处理单元（采集系统），上面是附属设备，必不可少的，GPS和罗经用于定位，三维姿态仪用于涌浪滤波，声速剖面仪用于测量声速，后期改正。
, B8 v% A" @$ c y+ F! a 下图是多波束水深数据生成的基坑三维图，可以看出比较清晰，效果很好，这也是风电场的项目。 9 A* ]' `& |( K. t6 @
, W# _" x8 `: Y( e8 [# Y( o ⒉侧扫声纳
# {8 O; \4 L$ N5 r5 v; w# q; ? 侧扫声纳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，侧扫声纳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。 3 @6 ]- G8 C5 t N
侧扫声呐最常用的应用场景就是：海上抢险，海上沉船、失事飞机等应急性的目标搜索。 2 e- U; Q0 L/ s9 K% o, v7 B2 T: v
我印象最深的是：成功搜索失事的轰6k，6位乘员全部遇难，飞机尾巴浮在海面，飞机头部沉入2公里以外的海底。当然最后还是通过我们与潜水员同志们的紧密配合，准确探测位置并由潜水员们最终把他们打捞上岸，这个是2004年的事了。
: @ \9 L6 q3 `: A0 R 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1500米覆盖宽度。 ! f$ V6 @$ c n1 ^1 q
1 e4 S. Z0 l3 M& \5 r& v
那个时候还是大机箱，实际就是大的工控机和发射回收板卡，显示器还是90年代的大显示器。下图是一个人工鱼礁的扫测图像。 1 j. N" V7 W) W+ g2 V* u6 `
6 {2 M7 a/ n0 ^1 B$ ]. }& ?( |) M
下图这个是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，平静海况出现的折射回波。 / d* \" w9 s3 G! A$ S+ w' p
6 P7 `$ M# [; I" B3 q5 ? 下图是一个大桥桩基和桩柱的侧扫声呐图像，后面是桩柱阴影。
) C: a- _" T8 L% ?# p9 z5 u 6 [ E# d* i$ |* ~/ @1 `5 T
下图是风电桩柱和阴影图像，锚痕清晰可见。 6 e4 @* n2 n) Y* E( ~; K
$ @, @# K0 e# c( c) x! `3 { 下图这个是侧扫声呐和多波束描述海底沙波的图像呈现对比，需要注意的是，侧扫声呐可以直接出图，而多波束需要对海量水深值点云，进行三维构建后得出。所以，侧扫声呐主要多用于枪械救援、快速搜索，多波束多用于工程项目的准确计算、精确测绘。
0 h( M7 e8 A: I6 n" C: u+ F
( }8 C) G' ` Y0 `4 Y* `! Q$ E4 f: N 下图是无人机正射影像和侧扫图像对堤岸边坡礁石的图像呈现。 $ b3 }) x3 o' ]$ ?$ j
' f4 d4 ]+ v6 n0 V" X ⒊海洋磁测
+ J* O5 L" X9 X+ S6 l- J 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。 7 S6 r& V; |) g0 g
下图是两种进口的海洋磁力仪，一个是G-882型，下边是seaspy磁力仪，都是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。 ' v$ C! w7 d4 Q4 C4 j
2 S: O8 i' _" y8 {; i 下图是磁力探测的成果图：海洋磁力异常图，用于探测埋底的磁性物，这个是探测电缆的图形。
: z* a8 E+ @7 o4 j , A! Y5 b# q0 W) u7 M
⒋浅地层剖面法 9 M# B7 H" X$ ^6 U! l
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。
7 J& }, U0 Q) M7 ], e; D 浅地层剖面图像用于分析地层的结构特征，配合钻探等方法用于海底地质勘察。
! I0 T4 p' H j' O- k ! ~3 l9 ?5 n" S* I) X
⒌拖底扫海 2 c5 u- r# e6 Y# {& Q+ P6 Z, [5 s/ z
拖底扫海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，以及区域内障碍物数量，为开辟航道，清除障碍物及安全航行提供资料。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。
5 k3 u3 X" N: ^4 ?9 z& _ 这个是早期的扫海方法，类似于两个渔船进行拖网捕捞作业，用于清扫港池或海域的沉底物。 1 E3 g$ C+ F2 s" C( l
" h% A# J* }5 w9 N( U& w ⒍人工探摸 ( R4 m) N! j. w
人工探摸用于对已知的障碍物或用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。该方法可以准确地判断障碍物的性质及分布形态，仅适用于水深较浅的区域。
$ ?% I2 A; @4 \& G 海上救捞的最有效手段。但是受潜深、洋流、通讯、目视范围等多方面影响，效率上不好保证。
( Q3 X, h' `% V$ G4 t8 H+ I; p# u* w0 e) t3 S& W
, u$ [ j0 n: v& F% D. A
) N+ C$ N7 B4 x
/ ]! w7 r8 g8 {1 x D) m8 U | 
