基于多波束測深系統(tǒng)的航道測量研究

何志敏

摘 要：該文基于筆者多年從事航道測量工程的相關(guān)工作經(jīng)驗，以SEABAT8125多波束測深系統(tǒng)在某航道疏浚工程中的應用為研究對象，探討了多波束測深系統(tǒng)安裝測試方法，定位導航實施方法，及測量步驟與數(shù)據(jù)處理思路，全文是筆者長期工作實踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：多波束測深系統(tǒng) 航道疏浚 數(shù)據(jù)處理 導航

中圖分類號：P229 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（a）-0086-02

1 工程概況

廣東某港30萬t級航道工程是按照已投入使用的25萬t級航道的軸線，進一步浚深，全長54.90 km。外航道設(shè)計底寬310 m，底標高-21.6 m，邊坡1∶5；內(nèi)航道設(shè)計底寬310 m，底標高-21.9 m，邊坡1∶5。

2 多波束測深系統(tǒng)安裝測試

該工程中投入SEABAT8125多波束系統(tǒng)進行測量實施。該系統(tǒng)在引進后就一直都是安裝在固定的測量船的固定位置上，所以系統(tǒng)進行使用都是整體工作的。

多波束測深系統(tǒng)的各部分，按設(shè)計位置進行安裝，并量測DGPS接收機天線，多束換能器、運動傳感器（TTS）、電羅經(jīng)等相對船體坐標系原點的位置關(guān)系。量測各傳感器相對船體坐標原點的偏移量，以便在數(shù)據(jù)處理進行相應的改正。

2.1 電羅經(jīng)傳感器的安裝

電羅經(jīng)的安裝位置有著嚴格的要求，電羅經(jīng)傳感器應安裝在船舶中心附近，電羅經(jīng)指示方向應與船首方向一致，并且要求在船體坐標系的水平面內(nèi)。安裝位置應遠離導磁物質(zhì)或易被磁化的物質(zhì)；電羅經(jīng)與較大的鐵性物體、強電流的電線及電池組至少保持1.3～1.5 m的距離；一些電子設(shè)備（如計算機、電視顯示器、雷達磁控管、擴音器、UPS不間斷電源裝置等）的使用會影響電羅經(jīng)的正常工作，使其測出的方向數(shù)據(jù)失真或干憂，應遠離它們。

2.2 運動傳感器（運動補償儀，TTS）的安裝

運動傳感器應固定安裝，并盡可能與水平面平行；運動傳感器離船舶重心的越遠，船舶縱橫傾幅度越大，產(chǎn)生的測量誤差也越大，所以安裝位置應在船舶的重心或盡可能靠近重心；運動傳感器的安裝具有方向性，其罩殼上的指示方向應與船艏方向一致，否則將產(chǎn)生反向改正，造成嚴重誤差。

2.3 多波束換能器的安裝

多波束換能器的安裝主要取決于船型和船的結(jié)構(gòu)。同時還應考慮多波束測深系統(tǒng)使用的水域，如在內(nèi)河測量，因受風浪的程度較小，可以安裝在船首，而在潮汐河口或近海水域，因受風浪的程度較大，宜采用船舷固定安裝。安裝時要注意固定好，以免測量換能器產(chǎn)生抖動，下沉。此外，還考慮換能器的安全性，以免在靠離碼頭碰撞損壞，建議安裝的換能器，還具有可拆卸或可移動的功能。

2.4 DGPS接收機天線的安裝

DGPS接收機天線應安裝在船舶高處（低于避雷針），視場內(nèi)障礙物的高度角不能超過10°；盡可能遠離船舶主桅桿；盡量遠離大功率的無線電發(fā)射信號源（如雷達、高頻電話天線等）；天線安裝要穩(wěn)固，避免船舶姿態(tài)變化使其產(chǎn)生位移；天線位置應選擇遠離船體大型金屬物體結(jié)構(gòu)，距甲板高度至少在1.5 m以上，減少信號多路徑效應。

系統(tǒng)安裝后，應進行測試，測試可分為通電測試和航行測試。通電測試：在靜態(tài)狀態(tài)下進行，檢查系統(tǒng)各部分電纜連接是否良好牢靠，正確無誤；檢查接地是否正確，牢靠；檢查供電電源輸出電壓是否正常，直流供電的極性是否正確無誤，一切正常后，開始目測系統(tǒng)各部分的通電運行狀況、信號的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的通信情況。

航行測試：要選擇適宜水域設(shè)測多條往返重復測線進行橫傾、縱傾、定位延遲、電羅經(jīng)偏差等系統(tǒng)參數(shù)改正。此外，在測試過程中還要檢查、測試DGPS接收機、聲速剖面儀、電羅徑等是否工作正常。目前，上述各測試項目不僅僅是安裝測試的要求，而且已列為每個航次或承接新測量項目之前，必須要做的工作。

（1）電羅經(jīng)的測試與校準。

電羅經(jīng)安裝后，電羅經(jīng)指向與船舶指向可能存在偏差，這個偏差叫航偏差，因為多波束測深系統(tǒng)發(fā)射的扇形聲波束接收陣列的排列與船艏是相互垂直的，如果電羅經(jīng)的指向與船首航向不一致，將影響換能器陣列的發(fā)射，接收角度，導致覆蓋寬度減少，降低工作效率。更重要的是，這將導致除中央波束外的所有波束定位錯誤，離中央波束越遠，誤差越大，從而導致測量數(shù)據(jù)的錯誤。為此，需要對電羅經(jīng)進行測試與校準。第一次航行時，由于存在電羅經(jīng)誤差的航偏差（角）g，故突出標志物R位置的水深點R1；同樣，第二次航行時，R位置的水深點偏移到了R2，測量R1與R2之間的距離d，航跡與突出標志物點R之間的垂直距離為r，則可按式（1）計算出航偏差角：

（1）

式中，g為航偏差；d為測量R1與R2之間的距離；r為航跡與突出標志物點R之間的垂直距離。

（2）橫傾偏差角，縱傾偏差角測定及校正。

橫傾偏角是換能器與水平面垂直龍骨方向的夾角，縱傾偏差角是換能器與水平面縱向的夾角。它們是多波束測深的兩個關(guān)鍵參數(shù)，這兩個參數(shù)角實際上都包含一個動態(tài)分量和一個靜態(tài)分量。動態(tài)分量是由風、涌、波浪等因素造成的，可以通過運動傳感器（或稱波浪補償儀）予以校正。靜態(tài)分量是由于安裝時造成的，分別稱為橫傾角和縱傾角。

橫傾偏差角校正是針對多波束測深系統(tǒng)的換能器在安裝過程中可能存在的橫向角度誤差而引入的一種校正方法。當換能器橫向安裝角度與理論設(shè)計角存在偏差時，水底地形將受到嚴重彎曲，為此，必須進行橫傾偏差角的測定與校正。

由于定位值延遲和縱傾角（偏差）均造成測點前后位移，因此，橫傾偏差角校正獨立于其他校正，故應予首先進行測定。橫傾偏差角的測定，選擇一處比較平坦的水域布置一測線在風浪較小的狀況下，以正常的航速往返測量，選擇符合要求的兩條測線（航向相反、航跡較直且重復性較好，時間相隔短），然后用多波束測深系統(tǒng)的橫傾模塊，在垂直測線方向截取斷面。通過調(diào)整橫傾偏差角，使兩斷面最佳重合，這時的值就是橫傾偏差角。

3 定位導航

該項目水深測量作業(yè)平面定位擬全部采用RBN-DGPS技術(shù)實施。由于GPS獲取的是WGS-84坐標，而測量成圖所用的坐標系為當?shù)刈鴺讼怠Ｒ虼?，在測量前必須先求取WGS-84到當?shù)刈鴺讼抵g的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)。

WGS-84坐標系至當?shù)刈鴺讼抵g的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)可直接利用業(yè)主控制點（業(yè)主提供或從當?shù)販y繪主管部門購買）中2～3個控制點求取。為檢驗坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)的準確度，使用RBN-DGPS接收機進行坐標比對，利用實測坐標與已知坐標的比對差來檢驗轉(zhuǎn)換參數(shù)的準確性，比對結(jié)果滿足規(guī)范要求方可投入使用。DGPS 信標接收機接收交通部設(shè)立在洲島上定位系統(tǒng)的差分數(shù)據(jù)進行平面定位。

4 測量與數(shù)據(jù)處理

4.1 掃道設(shè)計和測線布設(shè)

4.1.1 掃道方向

在掃道方向設(shè)計時，考慮到多波束測深系統(tǒng)采集的是高密度條帶式水深數(shù)據(jù)，它可以對水下地形進行全覆蓋測深。在正常工作環(huán)境中，只要船速選擇適當，就不會把特殊水深遺漏，因此，掃道方向的設(shè)計順著航道方向布設(shè)。

4.1.2 掃道寬度

Atlas Fansweep20的掃道設(shè)計寬度為W=2D圖tanθ，式中D圖為海圖水深，θ為波束角。在實際操作中，掃道寬度根據(jù)現(xiàn)場水深來確定，是以掃道設(shè)計寬度值為準。另外，考慮到施工時對漲潮水位的充分利用，也可以實際掃側(cè)數(shù)據(jù)填滿屏幕顯示的設(shè)計范圍并有重疊為準。

4.1.3 重疊帶寬度

《水運工程測量規(guī)范》規(guī)定：當測圖比例尺大于1∶5 000 時，測深定位點點位中誤差限值為圖上1.5 mm，定位點記錄中誤差為圖上0.5 mm。

4.2 測量實施和數(shù)據(jù)后處理

多波束測量使用的是PDS2000測量軟件，軟件同步采集DGPS位置數(shù)據(jù)、多波束測深儀水深測量數(shù)據(jù)、波浪補償儀姿態(tài)補償數(shù)據(jù)、電羅經(jīng)數(shù)據(jù)。聲速儀實時采集聲速數(shù)據(jù)確定單波束聲速和多波束的聲速剖面。使用CARIS后處理軟件進行水深點的后處理，除去假水深，在CARIS軟件中錄入潮位信息，自動對水深數(shù)據(jù)進行水位改正。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預處理和成圖兩個部分。預處理主要包括定位數(shù)據(jù)處理，聲速剖面數(shù)據(jù)處理，潮位數(shù)據(jù)處理，姿態(tài)數(shù)據(jù)處理，深度數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)編輯、去噪、合并、清項；成圖處理是對預處理后得到的水深數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化，生成數(shù)字地形模型（DTM），形成海底地形圖。

4.3 成果應用分析

對航槽施工區(qū)段的定期測量，將獲得的數(shù)據(jù)提供給施工船舶進行施工作業(yè)。通過這種方式可以提高施工效率，保證疏浚質(zhì)量。得到的多波束數(shù)據(jù)能很直觀地反映出施工時遺漏的淺點以及疏浚效能的分布。這一點通過單波束測量手段是無法做到的。抽取一次多波束測量后處理得到的航道區(qū)域內(nèi)三維立體效果圖（圖1）和色塊圖（圖2）。從圖1、圖2中可以清晰看到耙吸式挖泥船作業(yè)痕跡和施工效果。

參考文獻

[1] 黃永軍，王閏成.多波束外業(yè)實施研究與探討[J].氣象水文海洋儀器，2006（3）：43-49.

[2] 陳一超.多波束數(shù)據(jù)的智能化處理探析[J].珠江水運，2011（Z2）：55-57.