無人水面艇（簡稱USV）是指在海洋環(huán)境下自主規(guī)劃、自主航行，無人化、智能化的完成各項任務(wù)的小型水面運(yùn)動平臺，具有吃水淺、機(jī)動性強(qiáng)、安全高效等特點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域以及海洋科考方面極具發(fā)展?jié)摿?，?yīng)用前景廣闊。因此近年來世界各國競相開展對無人艇的研究，特別是歐美等國家已將無人艇的發(fā)展提升到戰(zhàn)略高度。

無人艇在軍事領(lǐng)域應(yīng)用歷史已久，早在二戰(zhàn)期間美軍利用無人艇來遠(yuǎn)程作戰(zhàn)，但在海洋勘探以及海洋資源開發(fā)利用方面起步較晚。國內(nèi)研發(fā)的海洋無人水面艇主要有上海大學(xué)“精?！毕盗袩o人水面艇、珠海云洲智能科技有限公司研發(fā)的“領(lǐng)航者”號海洋測繪船以及中海達(dá)IBOATBM1、BS2系列智能無人測量船等。

2006年，在第六屆珠海航展上亮相的“閃電”XG-3高速探測無人水面艇，可在較惡劣條件下進(jìn)行特定區(qū)域的探測、偵察甚至是小目標(biāo)攻擊；2008年，中國航天科工集團(tuán)所屬航天新光公司自主研發(fā)中國第一艘無人駕駛海上探測船“天象一號”，填補(bǔ)了中國海上氣象監(jiān)測的空白；2013年，原上海海事局、上海大學(xué)與青島北海船舶重工有限責(zé)任公司三方聯(lián)合開發(fā)、自行設(shè)計研制的我國第一艘“無人艇”——水面無人智能測量平臺工程樣機(jī)正式誕生，它實(shí)現(xiàn)了遙控與自主導(dǎo)航航行、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、水面及水下障礙的自主避障避碰、遠(yuǎn)距離自主航行等功能；

同年2月，上海大學(xué)的“精海1號”搭載在中國海巡166?輪上，對南海各島礁和軍港附近的海域進(jìn)行測量；2017年，云州無人艇對青藏高原湖泊群進(jìn)行湖底地形圖的繪制，水體參數(shù)進(jìn)行測量。本次廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局與上海大學(xué)合作，開展無人艇對島礁的水下測量作業(yè)為海岸帶陸海統(tǒng)籌綜合地質(zhì)調(diào)查提供了切實(shí)可行的技術(shù)方法，高精度地形地貌調(diào)查數(shù)據(jù)可為近岸開發(fā)規(guī)劃提供有力的科學(xué)依據(jù)。

一、調(diào)查工區(qū)

隨著海洋戰(zhàn)略的地位不斷提升，島礁成為重要的堡壘和基站。準(zhǔn)確測量島礁地形、地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)是構(gòu)建“數(shù)字海洋”的基礎(chǔ)工作之一。目前適用于淺灘、島礁海域的物探技術(shù)主要有單波束測深、多波束測深、側(cè)掃聲吶以及淺地層剖面等，這些設(shè)備搭載在大船作業(yè)在近岸、淺灘、島礁及一些危險區(qū)域，存在測量盲區(qū)，且作業(yè)效率較低，數(shù)據(jù)精度不高。隨著海洋智能設(shè)備的不斷完善，島礁海域的探測方法也從傳統(tǒng)的大船人工探測過渡到當(dāng)下的無人水面艇自主探測。

圖1 無人艇調(diào)查測量的工區(qū)-東瑁洲島

本次無人艇調(diào)查作業(yè)的工區(qū)位于海南三亞市近海海域-東瑁洲島，該島只有0.83km2的土地面積，但該島區(qū)海浪破壞作用小，海水交換充分，淺水區(qū)大，有機(jī)質(zhì)含量豐富，基質(zhì)堅硬，適宜珊瑚的生長繁殖，是珊瑚礁國家級自然保護(hù)區(qū)（見圖1）。本次作為無人艇的母船-粵霞漁90215船吃水4m，根本沒法入島礁5m以深水域作業(yè)，而參與此次測繪調(diào)查的精海3號和精海虹號無人艇吃水分別只有0.9m和0.3m，適用于島礁、近海等復(fù)雜海域地質(zhì)調(diào)查及珊瑚礁的結(jié)構(gòu)特征和生態(tài)環(huán)境研究。

二、精海三號和精海虹號無人艇

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局與上海大學(xué)無人艇工程研究院合作，投入“精海3號”和“精海虹號”兩條無人艇，以應(yīng)對不同水深需求。其中“精海3號”為大型無人艇，長6.3m，寬2.8m，吃水0.9m，主要用于2m以深水域的調(diào)查。船首配置了1080P高清且?guī)в腥S云臺的高清攝像頭，可以隨時調(diào)整角度和焦距，這樣便可感知周圍環(huán)境；船體水上部分配備一個激光測距儀，水下部分配備一個前視聲吶，兩者都起到了探測障礙物的作用，前者是精確感知水面障礙物，而后者起到了水下避障的作用；船體內(nèi)部主要搭載的是海洋物探聲學(xué)設(shè)備，包括多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶、前視聲吶、淺地層剖面儀以及ADCP；配置RTK-DGPS定位系統(tǒng)，同時配備北斗定位系統(tǒng)作為冗余終端，在數(shù)據(jù)鏈中斷的情況下，仍可通過北斗基站獲得無人艇的位置，具備全時全天候的海上精確定位能力。

“精海虹號”是精海系列的第八代產(chǎn)品，船長1.5m，吃水只有0.3m，相比于精海3號，它體積小、機(jī)動性高，配合“精海3號”進(jìn)行更淺水區(qū)域（2m以淺水域）測量，受其體積所限，搭載設(shè)備有高精度單波束測深儀、CTD、水下攝像機(jī)等。

精海系列無人艇利用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了靈活高效的遙控與自主導(dǎo)航航行、任務(wù)航跡點(diǎn)動態(tài)實(shí)時設(shè)定、高精度航跡跟蹤、自動避障避碰、遠(yuǎn)距離自主航行、高可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎悄軘?shù)據(jù)存儲等功能；并實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備和測繪設(shè)備遠(yuǎn)程管理，根據(jù)任務(wù)需求實(shí)現(xiàn)所需設(shè)備的上電或斷電操作，達(dá)到保護(hù)設(shè)備、節(jié)省能源、實(shí)現(xiàn)超長距離作業(yè)的目的；同時通過一大一小無人艇相互配合作業(yè)，可以高效、安全、全面的完成對近岸島礁淺水區(qū)域的測量調(diào)查（見圖2）。

a精海3號；b精海三號控制單元；c精海虹號手動控制單元；d精海虹號

圖2 精海系列無人艇及其控制單元

三、多波束和側(cè)掃聲吶海底探測的特點(diǎn)

多波束測深系統(tǒng)（multi-beam bathymetric system）與側(cè)掃聲吶（side scan sonar）都是能夠?qū)崿F(xiàn)海底全覆蓋掃測的水聲設(shè)備，都能夠獲得幾倍于水深的覆蓋范圍(見圖3)。

圖3 多波束海底探測和側(cè)掃聲吶海底探測示意圖

它們具有相似的工作原理，以一定的角度傾斜向海底發(fā)射聲波脈沖，接收海底反向散射回波，從海底反向散射回波中提取所需要的海底幾何信息。其中多波束系統(tǒng)在獲取水深信息的同時，提取的是海底地形圖像信息，其圖像位置精度較高但分辨率較低；側(cè)掃聲吶提取的是高分辨率海床地貌圖像信息，但位置精度較差。

在近岸島礁測量調(diào)查中，多波束和側(cè)掃聲吶是主要的探測手段，兩者在位置和分辨率上有著很好的補(bǔ)充作用，這樣便能夠直觀的獲得這個島礁周邊全覆蓋的的地形地貌數(shù)據(jù)。本次搭載在精海三號無人艇內(nèi)部的多波束系統(tǒng)是Kongsber公司的EM2040，側(cè)掃聲吶是klein公司的UUV3500，前者的發(fā)射頻率是300kHz，后者是雙頻發(fā)射接收（100kHz和400kHz），兩者在接收信號時彼此影響較小，對獲得的圖像信息影響不明顯。

四、精海三號和精海虹號對東瑁洲島礁區(qū)的海底探測

海底地形地貌探測是海洋地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)，也是近岸島礁測量重要組成部分。本次使用無人艇對東瑁洲島礁區(qū)測量作業(yè)主要應(yīng)用的調(diào)查設(shè)備就是搭載在精海三號上的多波束系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工區(qū)2m以深水域的全覆蓋測量，然后應(yīng)用搭載在精海虹號上的單波束系統(tǒng)和水下攝像系統(tǒng)對2m以淺水域進(jìn)行測量。

⒈精海三號無人艇的測量過程

本次調(diào)查精海三號主要使用Kongsber的EM2040型多波束系統(tǒng)和klein的350 0型側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，作業(yè)時通過在母船上遠(yuǎn)程控制設(shè)備的上線和下線，測線布設(shè)采用現(xiàn)場設(shè)計的方法，原則上測線平行等深線方向，同時根據(jù)作業(yè)需求和海況條件，重疊覆蓋率≥10%。

作業(yè)時首先由人工手動操控精海三號駛進(jìn)東瑁洲島礁區(qū)，然后在海圖顯示界面上在進(jìn)行自主規(guī)劃測線進(jìn)行自主測量，并通過遠(yuǎn)端實(shí)時數(shù)據(jù)回傳監(jiān)控海面環(huán)境和資料的質(zhì)量。EM2040系統(tǒng)通過軟件–SIS（SeafloorInformation System）系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，包括通過實(shí)時覆蓋圖形（graphical window）、條幅水深剖面圖（crosstrackwindwon）、條幅彩色水深圖（waterfall window）、波束質(zhì)量（Beam intensity window）以及外部設(shè)備數(shù)據(jù)顯示等對數(shù)據(jù)質(zhì)量、聲速校正以及全覆蓋狀況等進(jìn)行實(shí)時檢查與監(jiān)控（見圖4）。Klein3500系統(tǒng)根據(jù)測線間距通過調(diào)整量程來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全覆蓋，探測時聲吶高低頻同時發(fā)射的模式，保證獲取最佳分辨率的圖像效果（見圖4）。

圖4 多波束和側(cè)掃聲吶實(shí)時采集和監(jiān)控界面

⒉精海虹號無人艇的測量過程

2m以淺的水域調(diào)查是由精海虹號完成，由于船體小，精海虹號只能搭載單波束測深系統(tǒng)和水下攝像系統(tǒng)來進(jìn)行海底探測。水下攝像系統(tǒng)作為一種海底可視化調(diào)查手段，在水下微地貌、底質(zhì)識別和珊瑚礁生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等方面有著重要意義。

通過安裝在精海虹號的高清HDMI080P攝像頭采集的視頻影像（見圖5）分析，東瑁洲島近岸2m以淺的微地貌主要是以礁石區(qū)為主，海水懸浮體含量高，海草、珊瑚等生物表面以及礁石表面均覆蓋了一層細(xì)粒沉積物，因此該海域珊瑚等海生生物大面積死亡，其生長處于退化消亡階段。

圖5 水下攝像拍攝到的近岸礁石區(qū)

⒊數(shù)據(jù)處理及分析

精海三號在島礁調(diào)查過程中按照實(shí)際情況分區(qū)域逐步完成（見圖6左），測線間距由水深和覆蓋寬度確定，東瑁洲全覆蓋區(qū)域保證測線間條幅重疊在10%以上。

圖6 精海三號無人艇調(diào)查航跡圖（左）及多波束預(yù)處理（右）

利用AML水下聲速剖面儀可以精確地測出水中的剖面聲速，并對水深數(shù)據(jù)聲速剖面改正，原始水深數(shù)據(jù)經(jīng)過聲速剖面改正后，已經(jīng)將（波束角＋聲傳播時間）格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成（相對船的水平位置＋相對安裝的深度）值，確保水深數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性(yuanhongfei無人測量船在水下地形中的應(yīng)用)。在多波束基于Caris后處理過程中，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、合并數(shù)據(jù)、計算每個水深點(diǎn)的總傳播誤差、建立地域圖表、用CUBE技術(shù)生成網(wǎng)格化水深地形曲面，在網(wǎng)格化地形曲面上運(yùn)用數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)過濾，重新計算水深地形曲面，最后生成光滑水深曲面。

聲吶圖像中深色的回聲和白色的陰影斑紋表現(xiàn)出海底目標(biāo)的凸起和凹陷，在圖7中聲吶探測到的珊瑚礁石反射了一個強(qiáng)的回聲信號，在記錄中產(chǎn)生了一個淺色的標(biāo)記，強(qiáng)反射信號后面是黑色聲學(xué)陰影，這種顯示模式就是探測到的島礁區(qū)凸起的礁石，這在精海虹號水下攝像中也有清晰的顯示（見圖7）。

上：聲吶圖像顯示；下：水下攝像顯示

圖7 無人艇掃測到的珊瑚礁石群

因此這種聲吶圖像顯示模式可以識別出東瑁洲島周邊底質(zhì)情況，北部主要為沙質(zhì)底，而島的南部主要是珊瑚礁區(qū)，遍布礁石。在無人艇側(cè)掃聲吶圖像中也可以辨別其他特征目標(biāo)物，比如東瑁洲島上的碼頭，四周堆滿雜亂的石頭；還有東瑁洲東海岸平坦的沙坡中發(fā)現(xiàn)了沉沒海底的小漁船（見圖8），在圖像中清晰分辨其輪廓——長約10m，寬3m的小漁船。

圖8 無人艇掃測到的碼頭（上）以及沉沒的漁船（下）

五、結(jié)語

無人水面艇具有吃水淺、機(jī)動性強(qiáng)、安全高效等特點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域以及海洋科考方面極具發(fā)展?jié)摿?，?yīng)用前景廣闊。無人艇在軍事領(lǐng)域應(yīng)用歷來已久，早在二戰(zhàn)期間美軍利用無人艇來遠(yuǎn)程作戰(zhàn)，但在海洋勘探以及海洋資源開發(fā)利用方面起步較晚。

在近岸島礁測量調(diào)查中，多波束和側(cè)掃聲吶是主要的探測手段，兩者在位置和分辨率上有著很好的補(bǔ)充作用。本次搭載在精海三號無人艇內(nèi)部的多波束系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，精海虹號搭載了單波束測深系統(tǒng)和水下攝像系統(tǒng)，獲得東瑁洲島周邊全覆蓋的地形地貌數(shù)據(jù)。

【作者簡介】本文作者/單晨晨溫明明馮強(qiáng)強(qiáng)，均來自廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局。第一作者單晨晨，男，1980年出生，廣東廣州人，碩士，從事地質(zhì)構(gòu)造研究。本文為基金項目，深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備專項“近海底高精度水合物探測技術(shù)”。文章來自《科技創(chuàng)新導(dǎo)報》（2019年第11期），參考文獻(xiàn)略，用于學(xué)習(xí)與交流，版權(quán)歸作者及出版社共同擁有，轉(zhuǎn)載也請備注由“溪流之海洋人生”微信公眾平臺整理。