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摘 要：由于长江中下游为砂质河床，泥沙下淤埋的沉船沉物难以被探测。本文介绍了多种不同探测技术在泥沙下沉船沉物水下探测中应用的情况，分析了不同技术应用的效果及优缺点。
关键词：历史沉船;磁探仪;浅地层剖面仪;多频三维合成孔径声呐;三维高分辨率多道缆地层剖面系统
中图分类号：TB52 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）01-0075-04
1引言
在整个地球上，陆地仅占地球表面积的29%，而海洋却覆盖着整个地球面积的71%，它蕴藏着极其丰富的资源可供人类使用。但早期由于科学条件的限制，人们对于海洋的认识是相当不够的，无法对其进行大规模的开发利用。随着社会经济的发展、人口的膨胀和陆地资源的逐渐匾乏，人类已将资源的勘探、开发和利用深入到海洋领域。二十一世纪，开发和利用海洋的这一使命变得越来越迫切，人们有一个普遍的共识，本世纪是人类开发和利用海洋的世纪，而海洋测绘是一切海洋开发活动的基础[1]。
海洋测绘是海洋测量和海圖绘制的总称，其任务是对海洋及其邻近陆地和江河湖泊进行测量和调查，获取海洋基础地理信息，编制各种海图和航海资料，为航海、国防建设、海洋开发、管理和海洋研究服务、海洋测绘的主要内容有海洋大地测量、水深测量、海洋工程测量、海底地形测量、障碍物探测、水文要素调查、海洋重磁探测量，各种海洋专题测量和海区资料调查，以及各种海图、海图集、海洋资料的编制和出版，海洋地理信息的分析、处理及应用。从信息的角度出发，囊括了海洋基础信息的获取、管理和应用。近20年来，随着科学技术的发展，海洋测绘在仪器、技术和理论方面均取得了飞速的发展，尤其是现代高精度卫星定位技术和水下GPS定位技术、船载扫测技术（如多波束、高精度高分辨率测深侧扫声呐）、海洋遥感技术、ADCP技术和目前的研究热点水下自治机器人（AUV）集成海洋测绘系统、电子海图技术和海洋GIS技术，这些现代海洋测控技术极大地推进了海洋测绘的发展，使现代海洋测绘呈现空间立体信息获取、信息自动存储和快速准确应用的态势，基本满足了海洋调查、开发和研究的需求[2]。
当前，长江经济带的建设与发展已上升为国家战略。作为横贯中国东中西部的黄金水道，长江及其重要的航运资源，在长江经济带的科学发展中具有极其重要的作用和地位。2019年长江干线货运量达29.3亿吨，同比增长8.9%，再次刷新世界内河航运纪录。长江航道是航运事业发展的基础与前提。据有关部门统计，长江航道内不同时期未打捞沉船近500艘。由于诸多原因造成这些沉船放弃处置，为了防止沉船对通航安全造成的潜在威胁，常规处置方法是在牺牲航道尺度的前提下，通过调整航标将沉船放到航道外，暂时消除安全隐患。但是沉船未打捞，对航道的影响就会一直存在。因此，为确保长江航道安全畅通，有力地支撑长江经济带的建设与发展，建议尽早开展对长江航道内历史沉船的清除工作。
由于长江中下游为砂质河床，淤沙严重，很多沉船沉物陷入泥沙下难以被传统的探测手段发现，造成长江历史沉船打捞难度非常大。近年来随着科技发展，国内外发明了许多新的水下探测技术，对泥沙下目标的探测中逐步应用了磁探仪、浅地层剖面仪、多频三维合成孔径声呐和三维高分辨率多道缆地层剖面系统探测法，取得了一定的应用效果。
2泥沙下沉船沉物水下探测技术方法
2.1磁探仪探测技术
2.1.1工作原理
磁探仪利用富含质子氢的液体产生旋进信号。它使用的液体可以提供非常高的氢密度，并且在操作时没有危险。让极化直流电流通过绕在富含质子氢液体探头的线圈上，便会产生100高斯的辅助磁通密度。质子被极化至较强的净磁化强度，与较强的磁通密度达到热平衡。当辅助磁通终止时，被“极化”的质子即发生旋进而重排恢复为正常的磁通密度状态。对质子旋进的测量必须按序进行，即先有一个初始极化，接着进行频率测量，然后这个循环不断重复[3]。磁探仪的应用范围很广，除了科研方面的常规物理调查外，在工程应用越来越广泛，如海底油气管线、海底光缆及通讯电缆调查、水下沉船探测、水下污染沉积物调查等等。磁探仪主要有三个性能指标：灵敏度、分辨率、漂移。
2.1.2探测方法
根据磁探仪的工作原理，可以进行底质调查工作，更适用于特殊金属物或沉船的寻找探测。一般情况下，进行初步探测时底质调查布线间隔为50-100m，甚至更大。特殊金属物的寻找应根据金属物的大小及重量合理布设测线。沉船探测测线间隔可以为50-150m。当磁探探测仪经过能被地球磁场磁化的物体附近时，导致交变磁场的频率发生变化，从而引起磁场强度的异常变化，据此判定目标物的存在。磁化物体重量、磁异常大小、物体与磁探仪的距离三者之间的关系有一定规律，但是，影响磁探仪的因素很多，如果不进行多次的重复测量可能会造成误判。若发现疑似点，可通过加密测线获得更精确的数据。
2.1.3优缺点
磁探仪探测水下沉船沉物是已经经过实践验证的方法，也是目前常规使用的技术手段，例如在2000年马当沉船打捞中采用该探测方法发现了多处疑似沉船沉物位置，最后都成功发现沉船目标。但是磁探仪对金属感应非常敏感，对作业环境要求很高，如果在通航区域，附近航行的金属船舶将对磁场影响很大，并且沉船沉物附近金属物质也将影响探测效果，引起误判。
2.2浅地层剖面仪探测技术
2.2.1工作原理
浅地层剖面仪是在测深仪基础上发展起来的，只不过其发射频率更低，声波信号通过水体穿透床底后继续向底床更深层穿透，结合地质解释，可以探测到海底以下浅部地层的结构和构造情况[4]。浅地层剖面探测是利用声波的传播和反射特性来探测底床浅部地层结构和构造。浅地层剖面仪的应用领域主要包括：近岸海域泥砂资源[5-6]和浅层气调查，地质环境调查，工程地质调查，海底管道检测等[7]。
浅地层剖面探测在地层分辨率（一般为数十厘米）和地层穿透深度（一般为近百米）方面有较高的性能，并可以任意选择扫频信号组合，现场实时设计调整工作参量，可以在航道勘测中测量海底浮泥厚度，也可以勘测海上油田钻井平台基岩深度。浅地层剖面仪采用的技术主要包括压电陶瓷式、声参量阵式、电火花式和电磁式4种。其中，压电陶瓷式主要分为固定频率和线性调频（Chirp）两种;电火花式主要利用高电压在海水中的放电产生声音原理;声参量阵式利用差频原理进行水深测量和浅地层剖面勘探;电磁式通常多为各种不同类型的Boomer，穿透深度及分辨率适中。
2.2.2探测方法
搜寻探测一般都采用变频脉冲技术，并配有标准Proven技术工艺的高分辨率浅剖系统。探测时，其布设测线宽度取决于工作目的，底质调查一般为50-300m。水下目标物寻找应根据概位进行合理布设，一般采用交叉布线，测线间隔一般为15-50m。根据浅剖图像判断底质和目标物的位置。不同的地质类型，在浅剖图像上显示的特征不同，当有错层或断层、特殊地物时，在浅剖图像上能清晰地显示出来。但是，由于底质的不同构成或底质图像的差别变化，可能会造成误判。
2.2.3优缺点
浅地层剖面仪在泥沙下沉船沉物探测中也有一些应用案例，该方式可以精确的探测到沉船沉物位于河床面下的位置，为打捞方案制定提供了重要参数。但是该方式仅能获得断面数据，对沉船沉物的判断要求拥有非常丰富的经验及地层地质分析能力。该方法适用于已经确定了沉船沉物目标大概位置，获取沉船沉物在泥沙下的深度。
2.3多頻三维合成孔径声呐
2.3.1工作原理
多频三维合成孔径声呐，综合采用多频、三维合成孔径声呐技术，可实现对悬浮、沉底和掩埋目标的实时成像，满足用户水下环境探查、水下目标搜索、航道整治复勘、护堤结构复勘、桥墩监测、救捞、应急、油气管线路由勘察、光缆电缆勘察（路由+埋深+地层等功能）、三维精细地层结构、水下其它各类成像等多种使命任务的需求，为用户提供水下悬浮、沉底和掩埋目标的高清影像、目标位置、目标埋设深度、以及水下高精度三维地层等多种信息[8]。在国外的应用中，合成孔径系统在海洋地形地貌的测量上有了长足的进展，应用于各项海洋探查实践[9]。
2.3.2探测方法
多频三维合成孔径声呐一般可固定安装在船舷，探测时，根据目标的大小，可以合理布置测线宽度，大范围搜寻是适合20m—100m，精确搜寻时测线宽度可以按照5m—20m测线进行布设。该设备也可以根据搜寻的要求，现场灵活组合，实现下视、侧视等多种工作模式，满足不同的任务场景需求，以及挂船安装、船底安装、ROV安装和AUV安装等多种安装需求。
2.3.3优缺点
多频三维合成孔径声呐是近年来新开发技术，可实现泥沙下目标的三维显示，相对于传统的磁探仪和浅地层剖面仪等方式更加直观，易于判断。该方式作业范围受限，目前仅能探测泥沙下10m以内的目标。
2.4三维高分辨率多道缆地层剖面系统探测法
2.4.1工作原理
三维高分辨率多道缆地层剖面系统由电源箱、震源、水听器缆、采集单元这几个主要部分组成。完整的系统可以应用于淡水或海水环境下获取高分辨率三维地震数据，穿透能力可达到湖/河床下面约300m的深度，这种对地层的穿透能力是浅地层剖面仪所不能达到的，在对剖深和分辨率有更高要求时，绝大多数使用者都会选择利用电火花剖面系统来进行工作.
不同于普通浅水电火花系统，三维电火花地层剖面系统能够提供的是三维底层沉积及掩埋物体图像[10]。该功能主要针对的是对埋在水底下面的目标的探测，例如管道、锚链、铁锚及沉船等。因为该类目标在实时二维图像中，往往需要多年的经验进行判断，或者只有在进行了多条测线的测量后，才能够通过某些特定软件进行数据处理，得到相对确定的判断。但是三维电火花剖面系统，能够帮助没有多年经验的使用者，得到直观的水底埋藏目标的图像。
该系统可以应用于湖泊与江河勘测、港口勘测、水利工程，桥梁、路由管道、风电项目勘察，掩埋砾石清理，航道危险障碍物调查等项目中。
2.4.2探测方法
三维电火花系统要求船只至少有25-35m长和6-8m宽。船只尾部固定两个伸出船侧的支架，支架需要约6m长，具体长度根据船只情况确定。船只运行时的噪音与运行时的动力成正比，因此建议使用低功率，一台低转速推进器。为了方便布放地震缆绞车和两个震源，船只后甲板应有最少25-30m2空间。2台高压电源箱、2台采集系统和地震缆定位系统需要在测量室内留出约20m2空间。
2.4.3优缺点
三维电火花系统相较于以上的水下电视系统和三种声呐系统，最大的特点就是能够穿透地层，对江底地层一定深度行程三维图形，通过切片分析可以清楚的探知淤埋的沉船沉物情况。相较于国内目前的二维电火花系统，成像立体，精确度更高，更容易分辨目标物。是目前国内外唯一能够对地层三维成像的设备。
三维电火花的缺点是安装组装复杂，设备布放空间要求高，仅能在开阔水域作业，并且设备采购价格高昂，作业难度大，数据后处理工作量大。
3结语
根据沉船沉物所处的作业环境不同，可以实施的水下探测技术也不同，检测单位可以根据检测需要采用不同的泥沙下探测技术。在长江泥沙下沉船沉物探测中，在上游山区河段的流速较大区域，适合采用无人直升机载磁探仪方法探测，在中下游河段首推多频三维合成孔径声呐。如果在海上进行泥沙下沉船沉物探测，可以考虑三维高分辨率多道缆地层剖面系统探测法。
参考文献：
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[4]杨仁辉.浅地层剖面仪在障碍物探测中的应用[J].城市建筑，2014（14）：395-396.
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