基于单波束测深技术的航道水下碍航物探测方法

0 引言

航道水下碍航物，对船舶的航行安全构成了极大威胁。对其进行精确检测，为航道疏浚和通航提供可靠的数据支持，对于保证水上交通的正常运行具有重要意义。

钱俊锋[1]等人利用雷达发出的高频电磁波，分析了其在各种地质情况下的应用，实现了对地下管道和岩石等障碍物的精确定位和识别。该方法具有无损检测的优点，能够迅速获取地下资料。但在实践中，由于地质条件的复杂性，会对电磁波的传输产生干扰，导致反射信号模糊，从而降低检测的准确性。此外，由于地质雷达对某些特殊物质，例如塑料等，其检测精度较低，很难对其进行准确定位。吴旭峰[2]等人将雷达、激光雷达、摄像头等多源信息融合，充分发挥其各自的优势和优势，提高城市复杂环境下的障碍检测能力。但多个传感器的数据在时空上都有一定的差别，在进行融合时必须进行准确的标定，否则会出现错误。此外，在复杂多变的城市中，存在大量电磁干扰，此部分干扰会对传感器的性能造成影响，从而导致数据的可靠性下降。

为解决现有方法的不足，实现对障碍物的精准探测，本文将基于单波束测深技术的应用，对航道水下碍航物探测方法展开设计。

1 航道水下碍航物探测中测深线布设

为满足碍航物探测需求，在进行水下碍航物探测时，应根据实际情况布设测深线。在进行测深线方位设计时，应注意测深线方位应与测量区内的流动方向相同，并尽量与等高线的整体方向相垂直。通过此种方式，可以更全面、细致地反映水下地形的变化。同时，应注意施工便利性，避免布置过多的短测线，造成不必要的工作量和费用。如在宽广、海流较平缓的水道中，依此法布设探深线，可有效地进行大范围水域的探深工作。

测深线距设计时，应考虑多种因素的影响。在测量时应考虑到被测量水体的重要程度、对水下地形的精细表达要求、水深与地形起伏情况、水底地质条件等。如使用单束水深装置，则主要测线间距应设在地图上等距，在平面水下可适当放宽。对于地形较为复杂的地区，测线间距要按比例尺的大小进行适当调节[3]。对于有暗礁、海难等有碍航物的海域，可适当缩短测线间距，以提高检测精度。

根据海底地形的起伏，在测量线上设置测点的间距。通常情况下，只要能捕捉到地表的微小变化即可满足需求，但不能将点之间的距离设置过近，否则会降低数据处理效率。在实际操作中，常用的点距设置方法有等距法、等时距法和人工法[4]。从点位分布均匀的角度出发，采用等间距法设计测点间距。计算公式如下。

J=n⋅dω(1)

公式中： J 表示测线长度； n 表示等距系数； d 表示测点数量。在此基础上，进行测深线的布设。测深线可分成三种类型：主测深线、辅助测深线、检验测深线。辅助测深线用于对关键地区进行加密，而检验线用于检验深度和位置之间有无系统误差和粗差，可以度量深度结果的准确性[5]。

主测深线的常用布设方式有：垂向水流轴线布设、与水流轴线成一定角度布设、平行水流轴线布设、扇形布设和螺旋布设等。采用不同的测深方式，其应用范围也不一样，如采用单光束测深仪，通常可应用于垂直线测深系统；与水流轴成一角度布置，多用于单光束测水深检测中，或用于较窄水道测量；多波束测深通常采用扇形布置法；螺旋式布局多用于弯道地段；但这两种布置方法，如平行流轴布置，则更适合于岛状或宽水域[6]。在实际测量中，要依据测深装置的工作原理及河床形态，选择适当的探槽方式，并以主测深线长度的一部分作为探深线长度的一部分。

通过科学、合理的布设探深线，可以为航道水下碍航物的探测提供准确而全面的水下地貌资料，从而达到对障碍物的精确探测需求。

2 基于单波束测深技术的回波干扰处理

在作业现场完成单波束测深的布置后，采集回波信号，对多次回波干扰进行处理。在实测过程中，根据采集到的各帧数据，可以得到换能器工作面上 500 次回波信号的强度，将其强度“Buf 值”[7]。在大量的数据中，应准确地找到首个回波信号的强度信息，求出该帧的距离，以此解决多个回波干扰。回波距离计算公式如下。

公式中： L 表示回波距离； X 表示回波点序号；表示当前回波帧分辨率。上述公式中，当前回波帧分辨率 p 主要是指回波点的位置序号， p 的计算公式如下。

公式中： δ 表示当前量程。回波在水体中传播时，受到鱼类、气泡、水草等外来物质的干扰，会产生微弱的回声。主要是由于此类干扰物质的体积较小，反射表面的介质较软，反射面比较小。在此种条件下，杂波的峰值强度量级一般 <80 。而普通的船体钢板，其反射波的强度一般 >150 。

根据此数值，设置临界点为 100。在探测到的回波峰值强度 <100 的情况下，判断为鱼类、气泡、水草等外来物质引起的干扰回波，并对其进行滤波处理。通过此种方式，去除水中异物对回波的干扰，提高单波束回波数据的精度，实现基于单波束测深技术的回波干扰处理。

3 水下碍航物探测

在水下碍航物探测中，单光束测深仪和声波多普勒测速仪具有较大应用潜力，利用换能器将声波发射到水体中，在传播过程中受到水下障碍物的影响，如礁石、沉船等。通过对传感器接收到的声波的时间差进行准确的测量，再与被测水体中的声波在被测水体中的传播速率进行对比，从而得到该海域的深度信息。单波束测深传感器到河床底部的深度和船的吃水深度存在下述关系：

S=s₁+s₂

公式中： S 表示航道总水深； s₁ 表示换能器至河底的水深； s₂ 表示有效吃水深度。上述公式明确了各参量与全水深的关系，而换能器到河床底部的深度，则可以根据声波在水中的传播速度和超声波收发的时间差进行计算。根据水中的回波在水中的传播速率，则按照下述公式，可以计算得到水下碍航物与探测装置之间的距离。表达式如下。

公式中： Z 表示水下碍航物与探测装置之间的距离； V 表示回波声速； t 表示回波传播时间。在此基础上，为实现对水下碍航物位置的精准探测，在上述内容的基础上，将探测结果与 GPS、INS等技术联合使用，根据测距结果，将其与水下空间坐标进行适配，以此种方式，即可实现对水下碍航物的精准定位。

4 对比实验

4.1 实验准备

为实现对设计方法在应用中效果的检验，选择某地区大型船舶航道作为施测水域，该水域的基本情况如下表 1 所示。

表 1 施测水域基本情况

通过现场勘察，发现在距水面 0.5m 的位置，可以满足本次实验的水下碍航物探测需求。在此基础上，利用本文设计的方法，进行测线的布设。设计中，如果测线间隔太小，虽然可以确保测试结果的准确性，但是会使采集工作量增加，工作效率下降；当测量线间隔太大时，插入点的精度会下降，很难保证测量结果的准确性。测区经过全面考虑后，主纵线沿着河道走向布置，测线间距 20m，测点间距 1m。检查线应与主要线路垂直，并至少 2 条。通过对水下测航轨迹分析，发现实际测得的数据为 107920 个。施测现场如下图 1 所示。

图 1 航道水下碍航物探测现场

在测量中，为确保采样信号的规范性，按照下述表 2，进行信号发射模块参数的设计表 2 信号发射模块参数设计

完成上述准备工作后，引进文献[1]、[2]方法，将其作为对照，进行航道水下碍航物探测方法的测试。

4.2 航道水下碍航物探测精度检验

对水道中障碍物的检测精度进行检查，是评价航道水下碍航物探测方法精度的重要指标。检验中，利用已有的高精度参考资料，例如干扰物体的模型资料，或权威的绘图资料，进行比较和分析。在检测过程中，会综合考虑仪器的系统误差、环境因素（水流、水温等）对检测信号的影响等。

通过对探测结果与实测资料的对比分析，掌握探测结果的偏差，判定探测方法精度能否满足航道安全和工程应用的需要。实验结果如下图2 所示。

图 2 水下碍航物的探测精度检验结果

从上述图2 所示的结果可以看出，在相同的测试条件下，应用本文方法进行水下碍航物的探测，探测结果的偏差相对较小。

4.3 探测信号强度衰减检验

探测信号强度衰减是实现水下信息精确提取的关键，在水道中探测障碍物时，其所发出的电磁波在水体中传输，由于受到水体的吸收、散射和与水下目标的作用，会使其逐渐衰减。

对三种方法应用后的探测信号强度衰减过程进行描述，如衰减趋势显著，容易造成实测信号与实际情况偏差较大。以此为依据，进行实验结果的分析，如下图 3 所示。

图 3 探测信号强度衰减检验结果

从上述图3 所示的结果可以看出，文献[1]、[2]方法应用后，探测信号的衰减趋势显著，虽然本文方法也无法避免探测信号强度的衰减，但其衰减幅度较小，不会对碍航物的探测与定位等造成影响。

5 结束语

单光束水深测量方法用于测量水道中的水下地形和障碍物，将单光束的声波发射到水中，在遇到水下或者障碍物的时候，将其反射回来，根据声波在水中的传播时间和流速，反演出深度等信息。为实现在复杂的水下地形环境中，对地形特性的全面精确描述，本文通过航道水下碍航物探测中测深线布设、基于单波束测深技术的回波干扰处理、水下碍航物探测，完成了此次设计。近几年，单波束水深测量技术得到了快速发展，在测量精度高、效率高、可获取三维信息等诸多方面具有明显的优势。未来，将持续进行此方面内容研究的深化，通过对其适应性进行分析与优化，提高常规测量技术的性能，以此种方式，保障航道安全。

参考文献

[1] 钱俊锋,徐波,高继武,等.基于探地雷达的地下障碍物探测处理技术应用研究[J].科技通报, 2024,40(11):27-32

[2] 吴旭峰,陆洋,刘玉虎.基于多传感器信息融合的直升机城市内障碍物主动探测方法[J].飞行力学, 2023, 41(2):64-70.

[3] 杨秀英,吴鸣晢,施裕斌,等.列车车载轨行区障碍物主动检测系统及其应用研究[J].城市轨道交通研究, 2024, 27(9):317-320

[4] 李红明.站台门间隙探测装置在全自动运行地铁线路中的应用[J].城市轨道交通研究, 2024,27(6):301-304.

[5] 孙齐,卞强,童余德.基于地磁匹配辅助导航的改进 A*算法路径规划[J].江苏大学学报:自然科学版, 2023, 44(6):696-703.

[6] 阮英杰,贺岩,吕德亮,等.激光雷达水下障碍物剖面图像处理方法[J].红外与激光工程,2024(7):118-129.