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沉船探测及清障工作中海洋探测技术的应用

2021-12-08 117 上传者：管理员

摘要：利用某海域一处沉船探测与清障探测的多波束扫测数据和海洋磁力探测数据进行对比分析，总结了各探测手段的优缺点及应用范围，为了有效评估沉船清障工作的完成情况，高精度海洋磁力探测是一种有效可行的手段，侧扫声呐探测和多波束扫测都有各自较强的局限性。最后简单介绍了高精度磁力探测的方法，并初步探讨了目前实现高精度磁力探测所需解决的问题及未来解决这一问题可形的办法。

关键词：
多种海洋探测手段
沉船探测与清障
海上通航安全
高精度检测
高精度磁力探测
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沉船清障工作对保障海上通航安全、海域的正常使用功能起着重要作用。由于船舶的大小、材质、沉没时及沉没后的海洋环境条件、海洋底质类型等因素都对沉船的有效探测产生影响。常规的海洋探测手段可以有效确定沉船的位置，对较大尺寸的残骸可以有效识别，在打捞过程中船体会形成一些尺寸较小的零星残骸，甚至发生被掩埋的情况，因此如何有效评估沉船残骸被打捞的情况，对沉船残骸检测提出了较高精度的要求。本文介绍了多种海洋探测手段在探测沉船阶段、清障评估阶段中的应用，分析了各探测手段的优势，将各探测结果相结合综合评估沉船清障工作是否达到预期目标。

1、多种海洋探测手段在探测沉船中的应用

在探测沉船阶段，使用了多波束扫测、海洋磁力探测手段进行探测。本节主要介绍了多波束系统及海洋磁力仪在野外作业时的作业流程及数据处理方法，并分析了探测的结果及探测阶段各自的优缺点。

1.1 多波束系统探测

多波束系统采用固定式安装在船体侧舷或船体中部，需保证定位导航部分、姿态传感器部分及多波束探头部分相对位置固定，安装牢固不发生晃动，并在采集系统中建立准确的坐标系。

安装好多波束系统后，调试仪器设备工作状态正常后，开往特征区域进行横摇（Roll）、纵摇（Pitch）、艏摇（Yaw）校准数据的采集，以便后期数据处理阶段使用。

在探测过程中需同步进行潮位观测，保证潮位观测时间能完全覆盖多波束探测的时间，后期数据处理阶段需进行潮位改正。除此之外还需在测区进行声速剖面测量，采集的数据用于进行声速改正。

多波束系统采集的数据经处理后，根据探测沉船的面状数据可以清晰的识别出沉船的整体轮廓，船体裸露于海底面之上。可以准确的获取船体的尺寸数据、水深条件，在海底的姿态等信息，可以为后期沉船的打捞提供可靠的依据。具体探测沉船的面状数据如图1所示。

1.2 海洋磁力仪探测

海洋磁力仪需在测量船尾部采用拖曳形式进行探测，海洋磁力仪与测量船保持最佳的拖曳距离，以平衡测量船产生的“噪声”和较高的定位精度，保证磁测数据具有较高的质量。

地球的磁场强度是空间和时间的函数且具有方向性，磁场强度受多种因素影响，在进行海洋磁力探测时，需进行地磁日变观测、船磁校正测量及地磁正常场校正，以最大限度减少“噪声”，准确获得沉船产生的磁异常，来准确识别沉船信息估算沉船质量等。

船磁校正曲线呈三角函数曲线形态，具体如图2所示。从图中可以看出，船磁校正曲线的最大值与最小值分别出现在0°、180°即测量船沿南北方向航行对磁测数据产生最大影响，沿东西方向航行影响最小。在探测过程中可优先考虑沿东西方向布设测线，以最大限度降低船磁影响。

海洋磁力探测数据经处理后，得到沉船产生的磁力异常值，沉船产生的磁力异常三维分布及磁力异常曲线见图3所示，从图中可以看出，沿南北方向磁力异常曲线呈现“峰-谷”的特征，沿东西方向则呈“单峰”或“单谷”的特征。沉船产生的磁力异常值介于-4866nT～8832nT之间，该沉船体量较大。

1.3 探测沉船结果对比分析

通过多波束扫测和海洋磁力探测沉船的结果来看，都可以识别出沉船的位置信息，但也有各自的优缺点，具体如下：

多波束系统可以扫测出裸露于海底面的沉船，且可以较为直观的获得沉船的尺寸、姿态等丰富的细节信息，更有利于指导沉船打捞清障，但对于沉没已久被海底表层沉积物覆盖的沉船，不利于识别寻找。在没有较为可靠的沉船概位信息条件下，多波束扫测的效率相对较低。

海洋磁力探测可以较为准确的探测到沉船产生的磁力异常，通过探测到的磁力异常数据仅能估算沉船的铁磁性物质的质量及确定沉船位置信息，没办法获得沉船比较直观的特征信息，但海洋磁力探测对被海底表层沉积物覆盖的沉船也能进行有效的探测。同时海洋磁力探测的效率相对较高，可以先大范围进行粗略探测，再进行局部精细探测。

2、多种海洋探测手段在沉船清障阶段的应用

根据多波束扫测结果及海洋磁力探测结果，对沉船制定了打捞方案。进行清障工作之后，需要评估清障工作进行的是否到位，是否达到预期要求，因此在清障评估阶段对探测区域再一次进行了多波束扫测和海洋磁力探测。

2.1 多波束扫测结果

经过打捞后，利用多波束系统对探测区进行了第二次扫测，以作为评估清障工作是否达到要求的依据。扫测结果如图4所示。

从图中可以看出，探测区内海底面仍有一处裸露尺寸较大的船体残留物，其余未发现明显残留物。

2.2 海洋磁力探测结果

根据沉船清障前、后所测的磁力数据，绘制了磁力异常平面分布对比图，具体如图5所示。

其中左侧为沉船打捞前磁力异常平面分布图，右侧为打捞后磁力异常平面分布图，可以看出沉船打捞后，测区内的磁力异常值显著减小，但明显可见有两处“峰-谷”组合的特征A处和B处，具体见图6。A处的磁力异常值介于-85.7nT～76.3nT之间，B处磁力异常值介于-38.9nT～38.0nT之间，从图6中还可以看出有几处“峰-谷”特征的分布，可见沉船打捞后，至少存在两处比较明显的船体残留物，其余几处磁力异常特征分布相对较弱，可能尺寸较小或被表层沉积物所覆盖。

2.3 沉船清障探测结果对比分析

根据多波束扫测和磁力探测数据可以看出，多波束系统对于识别裸露于海底面且沉船残留尺寸较大的物体较为有效，存在一定的局限性；海洋磁力仪可以有效识别裸露于海底面及被表层沉积物覆盖的尺寸较大的残留物体；海洋磁力仪对于尺寸较小的残留物识别有限，容易受其他磁力因素影响，常规拖曳式海洋磁力探测的精度较难达到对较小尺寸残留物的探测，对高精度海洋磁力探测提出了要求。此外还对该区域进行了侧扫声呐探测，由于探测时海况条件不佳，且经过打捞后，对海底表面留下了人工“痕迹”对目标物的识别造成了一定程度的干扰，对海底面探测的声呐数据质量不高，仅能有效识别出裸露于海底面尺寸较大的残留物，对于较小的裸露残留物形成高亮的零星区域，但无法清晰识别其尺寸形状。对于被表层沉积物覆盖的残留体同样无法识别。

3、结束语

本次沉船清障工作对海洋磁力探测的精度要求较高，因此采用多种探测手段相结合来评估沉船清障工作是否满足要求，从探测的结果来看，评估工作主要还是依据海洋磁力探测的数据来进行，海洋磁力探测可以发现更多的残留物体信息，但磁力异常特征不明显，磁力探测数据容易受多种因素影响，包含各种“噪声”。目前需要有效的高精度磁力探测方法来解决这一需求。

评估沉船清障工作及寻找沉船零星残留物，可以应用磁力梯度探测的方法来进行，比较常用的有横向梯度仪和纵向梯度仪，还有三维梯度仪但由于仪器体积偏大，价格昂贵实际应用较少。横向梯度仪和纵向梯度仪在使用过程中，为保证探测的精度，需尽量保持磁力仪处于同一高程面，甚至使仪器尽可能的靠近海底面，使数据具有较高的可比性和定量计算分析，但实际应用过程中很难满足这一条件。未来可以借助外部辅助设备来实现这一目的，目前国内还未出现成熟的辅助设备来使用，随着信息通信技术及水下自主航行设备研发制造技术的提高增强，这一使用需求可以很快实现。

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