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精海三号和精海虹号无人艇无人水面艇在岛礁测绘中的应用

background 精海三号和精海虹号无人艇无人水面艇在岛礁测绘中的应用 精海三号和精海虹号无人艇无人水面艇在岛礁测绘中的应用

无人水面艇(简称USV)是指在海洋环境下自主规划、自主航行,无人化、智能化的完成各项任务的小型水面运动平台,具有吃水浅、机动性强、安全高效等特点,在军事领域以及海洋科考方面极具发展潜力,应用前景广阔。因此近年来世界各国竞相开展对无人艇的研究,特别是欧美等国家已将无人艇的发展提升到战略高度。

无人艇在军事领域应用历史已久,早在二战期间美军利用无人艇来远程作战,但在海洋勘探以及海洋资源开发利用方面起步较晚。国内研发的海洋无人水面艇主要有上海大学“精海”系列无人水面艇、珠海云洲智能科技有限公司研发的“领航者”号海洋测绘船以及中海达IBOATBM1、BS2系列智能无人测量船等。

2006年,在第六届珠海航展上亮相的“闪电”XG-3高速探测无人水面艇,可在较恶劣条件下进行特定区域的探测、侦察甚至是小目标攻击;2008年,中国航天科工集团所属航天新光公司自主研发中国第一艘无人驾驶海上探测船“天象一号”,填补了中国海上气象监测的空白;2013年,原上海海事局、上海大学与青岛北海船舶重工有限责任公司三方联合开发、自行设计研制的我国第一艘“无人艇”——水面无人智能测量平台工程样机正式诞生,它实现了遥控与自主导航航行、路径规划、路径跟踪、水面及水下障碍的自主避障避碰、远距离自主航行等功能;

同年2月,上海大学的“精海1号”搭载在中国海巡166 轮上,对南海各岛礁和军港附近的海域进行测量;2017年,云州无人艇对青藏高原湖泊群进行湖底地形图的绘制,水体参数进行测量。本次广州海洋地质调查局与上海大学合作,开展无人艇对岛礁的水下测量作业为海岸带陆海统筹综合地质调查提供了切实可行的技术方法,高精度地形地貌调查数据可为近岸开发规划提供有力的科学依据。

一、调查工区

随着海洋战略的地位不断提升,岛礁成为重要的堡垒和基站。准确测量岛礁地形、地质构造数据是构建“数字海洋”的基础工作之一。目前适用于浅滩、岛礁海域的物探技术主要有单波束测深、多波束测深、侧扫声呐以及浅地层剖面等,这些设备搭载在大船作业在近岸、浅滩、岛礁及一些危险区域,存在测量盲区,且作业效率较低,数据精度不高。随着海洋智能设备的不断完善,岛礁海域的探测方法也从传统的大船人工探测过渡到当下的无人水面艇自主探测。

精海三号和精海虹号无人艇无人水面艇在岛礁测绘中的应用插图1

图1 无人艇调查测量的工区-东瑁洲岛

本次无人艇调查作业的工区位于海南三亚市近海海域-东瑁洲岛,该岛只有0.83km2的土地面积,但该岛区海浪破坏作用小,海水交换充分,浅水区大,有机质含量丰富,基质坚硬,适宜珊瑚的生长繁殖,是珊瑚礁国家级自然保护区(见图1)。本次作为无人艇的母船-粤霞渔90215船吃水4m,根本没法入岛礁5m以深水域作业,而参与此次测绘调查的精海3号和精海虹号无人艇吃水分别只有0.9m和0.3m,适用于岛礁、近海等复杂海域地质调查及珊瑚礁的结构特征和生态环境研究。

二、精海三号和精海虹号无人艇

广州海洋地质调查局与上海大学无人艇工程研究院合作,投入“精海3号”和“精海虹号”两条无人艇,以应对不同水深需求。其中“精海3号”为大型无人艇,长6.3m,宽2.8m,吃水0.9m,主要用于2m以深水域的调查。船首配置了1080P高清且带有三维云台的高清摄像头,可以随时调整角度和焦距,这样便可感知周围环境;船体水上部分配备一个激光测距仪,水下部分配备一个前视声呐,两者都起到了探测障碍物的作用,前者是精确感知水面障碍物,而后者起到了水下避障的作用;船体内部主要搭载的是海洋物探声学设备,包括多波束测深系统、侧扫声呐、前视声呐、浅地层剖面仪以及ADCP;配置RTK-DGPS定位系统,同时配备北斗定位系统作为冗余终端,在数据链中断的情况下,仍可通过北斗基站获得无人艇的位置,具备全时全天候的海上精确定位能力。

“精海虹号”是精海系列的第八代产品,船长1.5m,吃水只有0.3m,相比于精海3号,它体积小、机动性高,配合“精海3号”进行更浅水区域(2m以浅水域)测量,受其体积所限,搭载设备有高精度单波束测深仪、CTD、水下摄像机等。

精海系列无人艇利用模块化、标准化技术实现了灵活高效的遥控与自主导航航行、任务航迹点动态实时设定、高精度航迹跟踪、自动避障避碰、远距离自主航行、高可靠的数据传输等智能数据存储等功能;并实现控制设备和测绘设备远程管理,根据任务需求实现所需设备的上电或断电操作,达到保护设备、节省能源、实现超长距离作业的目的;同时通过一大一小无人艇相互配合作业,可以高效、安全、全面的完成对近岸岛礁浅水区域的测量调查(见图2)。

精海三号和精海虹号无人艇无人水面艇在岛礁测绘中的应用插图3

a精海3号;b精海三号控制单元;c精海虹号手动控制单元;d精海虹号

图2 精海系列无人艇及其控制单元

三、多波束和侧扫声呐海底探测的特点

多波束测深系统(multi-beam bathymetric system)与侧扫声呐(side scan sonar)都是能够实现海底全覆盖扫测的水声设备,都能够获得几倍于水深的覆盖范围(见图3)。

精海三号和精海虹号无人艇无人水面艇在岛礁测绘中的应用插图5

图3 多波束海底探测和侧扫声呐海底探测示意图

它们具有相似的工作原理,以一定的角度倾斜向海底发射声波脉冲,接收海底反向散射回波,从海底反向散射回波中提取所需要的海底几何信息。其中多波束系统在获取水深信息的同时,提取的是海底地形图像信息,其图像位置精度较高但分辨率较低;侧扫声呐提取的是高分辨率海床地貌图像信息,但位置精度较差。

在近岸岛礁测量调查中,多波束和侧扫声呐是主要的探测手段,两者在位置和分辨率上有着很好的补充作用,这样便能够直观的获得这个岛礁周边全覆盖的的地形地貌数据。本次搭载在精海三号无人艇内部的多波束系统是Kongsber公司的EM2040,侧扫声呐是klein公司的UUV3500,前者的发射频率是300kHz,后者是双频发射接收(100kHz和400kHz),两者在接收信号时彼此影响较小,对获得的图像信息影响不明显。

四、精海三号和精海虹号对东瑁洲岛礁区的海底探测

海底地形地貌探测是海洋地质调查的基础,也是近岸岛礁测量重要组成部分。本次使用无人艇对东瑁洲岛礁区测量作业主要应用的调查设备就是搭载在精海三号上的多波束系统和侧扫声呐系统,实现工区2m以深水域的全覆盖测量,然后应用搭载在精海虹号上的单波束系统和水下摄像系统对2m以浅水域进行测量。

⒈精海三号无人艇的测量过程

本次调查精海三号主要使用Kongsber的EM2040型多波束系统和klein的350 0型侧扫声呐系统,作业时通过在母船上远程控制设备的上线和下线,测线布设采用现场设计的方法,原则上测线平行等深线方向,同时根据作业需求和海况条件,重叠覆盖率≥10%。

作业时首先由人工手动操控精海三号驶进东瑁洲岛礁区,然后在海图显示界面上在进行自主规划测线进行自主测量,并通过远端实时数据回传监控海面环境和资料的质量。EM2040系统通过软件–SIS(SeafloorInformation System)系统进行现场监控,包括通过实时覆盖图形(graphical window)、条幅水深剖面图(crosstrackwindwon)、条幅彩色水深图(waterfall window)、波束质量(Beam intensity window)以及外部设备数据显示等对数据质量、声速校正以及全覆盖状况等进行实时检查与监控(见图4)。Klein3500系统根据测线间距通过调整量程来实现数据的全覆盖,探测时声呐高低频同时发射的模式,保证获取最佳分辨率的图像效果(见图4)。

精海三号和精海虹号无人艇无人水面艇在岛礁测绘中的应用插图7

图4 多波束和侧扫声呐实时采集和监控界面

⒉精海虹号无人艇的测量过程

2m以浅的水域调查是由精海虹号完成,由于船体小,精海虹号只能搭载单波束测深系统和水下摄像系统来进行海底探测。水下摄像系统作为一种海底可视化调查手段,在水下微地貌、底质识别和珊瑚礁生态环境监测等方面有着重要意义。

通过安装在精海虹号的高清HDMI080P摄像头采集的视频影像(见图5)分析,东瑁洲岛近岸2m以浅的微地貌主要是以礁石区为主,海水悬浮体含量高,海草、珊瑚等生物表面以及礁石表面均覆盖了一层细粒沉积物,因此该海域珊瑚等海生生物大面积死亡,其生长处于退化消亡阶段。

精海三号和精海虹号无人艇无人水面艇在岛礁测绘中的应用插图9

图5 水下摄像拍摄到的近岸礁石区

⒊数据处理及分析

精海三号在岛礁调查过程中按照实际情况分区域逐步完成(见图6左),测线间距由水深和覆盖宽度确定,东瑁洲全覆盖区域保证测线间条幅重叠在10%以上。

精海三号和精海虹号无人艇无人水面艇在岛礁测绘中的应用插图11

图6 精海三号无人艇调查航迹图(左)及多波束预处理(右)

利用AML水下声速剖面仪可以精确地测出水中的剖面声速,并对水深数据声速剖面改正,原始水深数据经过声速剖面改正后,已经将(波束角+声传播时间)格式的数据转成(相对船的水平位置+相对安装的深度)值,确保水深数据的准确性(yuanhongfei无人测量船在水下地形中的应用)。在多波束基于Caris后处理过程中,通过数据转化、合并数据、计算每个水深点的总传播误差、建立地域图表、用CUBE技术生成网格化水深地形曲面,在网格化地形曲面上运用数据监测和数据过滤,重新计算水深地形曲面,最后生成光滑水深曲面。

声呐图像中深色的回声和白色的阴影斑纹表现出海底目标的凸起和凹陷,在图7中声呐探测到的珊瑚礁石反射了一个强的回声信号,在记录中产生了一个浅色的标记,强反射信号后面是黑色声学阴影,这种显示模式就是探测到的岛礁区凸起的礁石,这在精海虹号水下摄像中也有清晰的显示(见图7)。

精海三号和精海虹号无人艇无人水面艇在岛礁测绘中的应用插图13

上:声呐图像显示;下:水下摄像显示

图7 无人艇扫测到的珊瑚礁石群

因此这种声呐图像显示模式可以识别出东瑁洲岛周边底质情况,北部主要为沙质底,而岛的南部主要是珊瑚礁区,遍布礁石。在无人艇侧扫声呐图像中也可以辨别其他特征目标物,比如东瑁洲岛上的码头,四周堆满杂乱的石头;还有东瑁洲东海岸平坦的沙坡中发现了沉没海底的小渔船(见图8),在图像中清晰分辨其轮廓——长约10m,宽3m的小渔船。

精海三号和精海虹号无人艇无人水面艇在岛礁测绘中的应用插图15

图8 无人艇扫测到的码头(上)以及沉没的渔船(下)

五、结语

无人水面艇具有吃水浅、机动性强、安全高效等特点,在军事领域以及海洋科考方面极具发展潜力,应用前景广阔。无人艇在军事领域应用历来已久,早在二战期间美军利用无人艇来远程作战,但在海洋勘探以及海洋资源开发利用方面起步较晚。

在近岸岛礁测量调查中,多波束和侧扫声呐是主要的探测手段,两者在位置和分辨率上有着很好的补充作用。本次搭载在精海三号无人艇内部的多波束系统和侧扫声呐系统,精海虹号搭载了单波束测深系统和水下摄像系统,获得东瑁洲岛周边全覆盖的地形地貌数据。

【作者简介】本文作者/单晨晨温明明冯强强,均来自广州海洋地质调查局。第一作者单晨晨,男,1980年出生,广东广州人,硕士,从事地质构造研究。本文为基金项目,深海关键技术与装备专项“近海底高精度水合物探测技术”。文章来自《科技创新导报》(2019年第11期),参考文献略,用于学习与交流,版权归作者及出版社共同拥有,转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。

精海三号和精海虹号无人艇无人水面艇在岛礁测绘中的应用认证作者,无人机行业知名站长,知乎无人机专栏创作者。
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