R2Sonic2024多波束系統(tǒng)在河道地形測量中的應(yīng)用

馬文喜，任寶學(xué)，張　羽（松遼委水文局黑龍江上游水文水資源中心，黑龍江 黑河164300）

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R2Sonic2024多波束系統(tǒng)在河道地形測量中的應(yīng)用

馬文喜，任寶學(xué)，張羽
（松遼委水文局黑龍江上游水文水資源中心，黑龍江 黑河164300）

［摘要］R2Sonic2024多波束測深系統(tǒng)掃描測量范圍大，采集到的數(shù)據(jù)精度高，能在保證安全的測量距離下對界河黑龍江水下地形進(jìn)行精細(xì)測量。文中介紹了R2Sonic 2024系統(tǒng)的技術(shù)性能，分析了該系統(tǒng)在黑龍江河道地形測量中的應(yīng)用價值，指出了存在的問題及對策。

［關(guān)鍵詞］多波束測深；河道地形；測量；黑龍江

R2Sonic 2024多波束測深系統(tǒng)是一套全覆蓋測深系統(tǒng)，測量精度高，并且具有電子波束旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向功能，可用于2～500 m深水域進(jìn)行水下地形掃描測繪。系統(tǒng)工作頻率在200～400 kHz有21個頻率可調(diào)，對精密測深和目標(biāo)搜索等淺水測量用高頻和高分辨率，較為渾濁的高泥沙水域則采用較低的工作頻率。下文結(jié)合實際測量過程及獲取的資料，探討該系統(tǒng)在河道測量的應(yīng)用情況及存在的問題和對策。

1　R2Sonic2024多波束測深系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)組成

多波束系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成的綜合系統(tǒng)，分為聲學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和外圍輔助設(shè)備。系統(tǒng)硬件包括多波束聲吶、數(shù)據(jù)采集顯示計算機(jī)、GPS、光纖羅經(jīng)及運動傳感器、表層聲速儀、聲速剖面儀以及超便攜船舷安裝架；軟件包括R2Sonic配置軟件、EIVA導(dǎo)航及多波束數(shù)據(jù)采集顯示軟件、Caris多波束數(shù)據(jù)后處理軟件。其中，換能器為多波束的聲學(xué)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)波束的發(fā)射和接收；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成波束的形成和將接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；輔助設(shè)備包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)、船橫搖、縱搖、艏向、升沉等數(shù)據(jù)姿態(tài)傳感器、驗潮儀、聲速剖面儀等。

1.2系統(tǒng)原理

多波束測深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波，利用接收換能器陣列對聲波進(jìn)行波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)指向的正交性形成對水下地形的照射腳印，對這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚恚淮翁綔y就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個甚至更多的水域被測點的水深值，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化，比較可靠地描繪出水域地形的三維特征。發(fā)射信號由探頭一端水聽器組合成256或512道接收陣，接收角為10°～160°在線可選，量程分辨率達(dá)到1.25 cm，對聲源陣中不同基元接收到的信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)南辔换驎r間延遲可實現(xiàn)波束導(dǎo)向。多波束硬件組成原理框圖如圖1所示。

圖1　多波束硬件組成原理框圖

2　R2Sonic 2024多波束測深系統(tǒng)校準(zhǔn)

多波束系統(tǒng)是一個由多個傳感器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，最終測量成果的質(zhì)量不但取決于多波束自身的測量數(shù)據(jù)質(zhì)量，還取決于輔助傳感器測量參數(shù)的精度，因此，系統(tǒng)安裝完成后必須嚴(yán)格測量傳感器之間的相互關(guān)系，使輔助系統(tǒng)能為多波束提供橫搖、縱搖、起伏和船艏向變化的實時補償。此外，根據(jù)多波束系統(tǒng)的使用要求，每次使用前都應(yīng)對多波束系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，內(nèi)容包括GPS時延、船艏向測量和縱搖、橫搖調(diào)教誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。

3　實際應(yīng)用

3.1掃描水域概況

掃描水域選擇黑龍江干流上馬廠水文站測驗斷面至黑河市碼頭約400 m江段進(jìn)行，河道水下地形情況未知，水流平穩(wěn)，水深較淺，水體清澈，泥沙含量低。

3.2多波束系統(tǒng)安裝

根據(jù)測船的實際情況，選取了一處最為合適的安裝位置，多波束換能器采取“船舷抱箍”方式安裝，同時分別在船艏、船尾及船底，利用鋼絲繩和拉緊器將整個船舷安裝架與船體固定，牢固的安裝方式可保證船只在高船速和高縱、橫搖情況下獲取高質(zhì)量的多波束測深數(shù)據(jù)。多波束全系統(tǒng)安裝耗時約1 h。

3.3現(xiàn)場河道地形掃測情況

考慮到掃描江段水域較淺，泥沙含量少，多波速系統(tǒng)掃描時采用波束角0.5°，頻率400 kHz，開角120°，正常普通模式下掃描，每條測線間距邊緣有20%的波束重疊，以保證測線間邊緣部分的高分辨率和精度。實際掃描中，由于江段水深只有3 m左右，限制了掃描寬度，降低了效率。船體的震動，使波束掃描邊緣有變形現(xiàn)象，此時減小頻率為300 kHz，以克服干擾，獲得穩(wěn)定的掃描狀態(tài)和掃面精度。

3.4掃測結(jié)果分析

系統(tǒng)往返共進(jìn)行了20次縱向掃描，形成20條掃描線，2次橫向掃描，用于數(shù)據(jù)處理時獲取Roll和Pitch參數(shù)的校正值和誤差檢驗。掃描數(shù)據(jù)通過縱、橫測線交叉水深重合點統(tǒng)計符合精度要求，交叉水深值符合性良好。掃描數(shù)據(jù)利用Caris多波束后處理軟件進(jìn)行處理，包括：創(chuàng)建船文件，編輯傳感器的空間相對位置；以圖表展示和交互編輯姿態(tài)，GPS，水深條帶數(shù)據(jù)；進(jìn)行聲速剖面改正，修正聲速折射引起的水深數(shù)據(jù)偏差，進(jìn)行數(shù)據(jù)合并處理，得到姿態(tài)改正后的帶地理參考的水深數(shù)據(jù)；使用多波束的校正工具計算多波束安裝偏差，實現(xiàn)不同測線間的數(shù)據(jù)拼接；生成光滑的水深曲面；消除冗余數(shù)據(jù)；處理后的數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)抽稀可選擇不同比例尺的最淺或最深XYZ(東、北、高程)輸出。獲得了相應(yīng)的水下地形圖。

4　結(jié)語

Sonic 2024多波束測深系統(tǒng)具有設(shè)計緊湊、重量輕、運輸及作業(yè)方便等優(yōu)勢，掃描采集到的數(shù)據(jù)具有高分辨率，全覆蓋的特點。Caris后處理軟件能夠輸出完整的水深分布圖、水深等值圖、高程圖和3D水下地形圖。在監(jiān)測河道受洪水沖淤變化時有較高的準(zhǔn)確性和實用性，實際應(yīng)用中要注意，在重復(fù)掃描測量中多波束系統(tǒng)在安裝和校準(zhǔn)時，各次測量條件要盡可能保持一致，以使各次測量數(shù)據(jù)保持一致，克服系統(tǒng)誤差，使結(jié)果更具可比性。同時要有牢固的框架支撐，確保系統(tǒng)工作時橫搖、縱搖處在可控狀態(tài)。船體微小的震動，可通過改變頻率、開角參數(shù)等克服，以獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)圖形。多波束測深系統(tǒng)高精度和高密度掃描數(shù)據(jù)可以分辨水下地形的細(xì)微結(jié)構(gòu)和變化，在水文河道演變及沖淤變化監(jiān)測中將發(fā)揮越來越重要的作用。

［參考文獻(xiàn)］

［1］丁德榮.R2Sonic2024多波束測深系統(tǒng)應(yīng)用探討［J］.機(jī)電技術(shù)，2011（4）：130—132.

［2］王閏成.多波束測深系統(tǒng)的安裝校準(zhǔn)［J］.海洋測繪，2003 （1）：34—37.

［3］李家彪.多波束勘測原理技術(shù)與方法［M］.北京：海洋出版社，1999.

［中圖分類號］TV221.2

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］B

［文章編號］1002－0624（2016）03－0055－02

[收稿日期]2015-07-09