多波束系統(tǒng)在長(zhǎng)江航道測(cè)量中的應(yīng)用分析

舒升元　程龍

摘 要：多波束作為一種高新測(cè)量技術(shù)，在當(dāng)前水運(yùn)航道測(cè)量中應(yīng)用廣泛。本文介紹了多波束系統(tǒng)的組成及工作原理，對(duì)其布設(shè)要求和方法進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)以后類(lèi)似的工程有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：多波束；長(zhǎng)江航道；測(cè)量；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：U675.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）09-0046-02

長(zhǎng)江干線航道全長(zhǎng)1200多公里，相關(guān)單位也在大力建設(shè)和推廣長(zhǎng)江電子航道圖，這些信息技術(shù)給貨船航行帶了極大便利。航道測(cè)量是制作電子航圖的基本工作，其重要意義不言而喻。多波束系統(tǒng)憑借高分辨率、高精度性等特點(diǎn)在當(dāng)前長(zhǎng)江航道測(cè)量工作中得到廣泛應(yīng)用。

1 多波束系統(tǒng)組成及工作原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)也被稱(chēng)作多波束測(cè)深聲吶，設(shè)計(jì)初衷是為了提高海底地形的測(cè)量效率。與傳統(tǒng)單波束測(cè)深系統(tǒng)一次只能測(cè)量一個(gè)點(diǎn)相比，多波束系統(tǒng)可一次獲得一個(gè)條帶索覆蓋區(qū)域多個(gè)海底點(diǎn)的深度值，實(shí)現(xiàn)了“由點(diǎn)-線”到“由線-面”的進(jìn)步，效率成倍提高。

多波束測(cè)深系統(tǒng)主要包括三大子系統(tǒng)：①多波束發(fā)射接收換能器陣及信號(hào)控制處理系統(tǒng)；②輔助設(shè)備，包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)（提供大地坐標(biāo)）、船體運(yùn)行狀態(tài)測(cè)量?jī)x器、聲速剖面儀等；③相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件。

多波束測(cè)深系統(tǒng)能夠有效得到水下地形，得到精度較高的水下三維地形圖。該系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射器陣列向水底發(fā)射一定寬度的扇形覆蓋聲波，利用聲波遇到障礙物反射原理對(duì)其進(jìn)行收集，通過(guò)這“一放一收”過(guò)程來(lái)對(duì)水底地形照射腳印，之后對(duì)這些信息進(jìn)行信號(hào)處理就能得到成百上千個(gè)被測(cè)點(diǎn)的深度值，這樣就可以制作出精確的水底三維地形圖。

2 多波束測(cè)線布置的具體要求

由多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理可知：只要聲波能覆蓋到的范圍，均可以納入測(cè)量范圍，測(cè)量工作與測(cè)量船體的航行狀態(tài)無(wú)關(guān)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，受限于航行安全、測(cè)量精度、經(jīng)濟(jì)成本等多方面因素，必須要根據(jù)航道的實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)布置測(cè)線，既要保證航道覆蓋面，又要盡可能使測(cè)點(diǎn)均勻分布。

多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)線布置主要應(yīng)滿足以下兩個(gè)原則：①要求技術(shù)上科學(xué)合理，且系統(tǒng)可靠；②力求測(cè)量成本較低，有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。測(cè)線布置的疏密程度應(yīng)符合測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，若過(guò)密則造成很多測(cè)線數(shù)據(jù)不能發(fā)揮作用，浪費(fèi)資源；測(cè)線過(guò)疏則會(huì)造成有盲區(qū)存在。多波束系統(tǒng)在測(cè)量水運(yùn)航道時(shí)，應(yīng)遵循“利于作業(yè)展開(kāi)和地形顯示，且要求對(duì)障礙物進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量”，具體要求有以下幾點(diǎn)：

（1）測(cè)線要求平行布設(shè)。區(qū)域內(nèi)的測(cè)線應(yīng)為彼此平行關(guān)系，且走向也要符合航道底部等深線走向，這樣布置可盡量擴(kuò)大測(cè)線范圍，提高覆蓋率。由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知：長(zhǎng)江航道為典型的“U”型橫斷面，航道水深由中間向兩側(cè)減小，因此長(zhǎng)江航道的等深線走向基本和航道走向一致，因此布設(shè)測(cè)線時(shí)也盡量沿航道設(shè)計(jì)布設(shè)（見(jiàn)圖1所示）。

（2）各個(gè)測(cè)線測(cè)量范圍應(yīng)有重疊。航道測(cè)深是建設(shè)航道、保證行船安全的基礎(chǔ)，不得存在半點(diǎn)盲區(qū)，因此要求測(cè)線網(wǎng)可將測(cè)區(qū)航道全面覆蓋。多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量模式是“由點(diǎn)到面”，雖然可大幅度提高測(cè)深效率，但是也存在信號(hào)干擾區(qū)。由下圖2可知：在位于測(cè)深系統(tǒng)中心下部某一范圍，其反射信號(hào)清晰，探測(cè)效果也很好；而位于邊緣的反射波由于散射明顯，很多反射波都不能被接收器有效接收，因此得到的有效波較少，信號(hào)質(zhì)量存在較大干擾。因此要求相鄰測(cè)線的探測(cè)范圍必須要有一定的重疊區(qū)，以保證每一區(qū)域的信號(hào)清晰、可靠為標(biāo)準(zhǔn)。

（3）主測(cè)線長(zhǎng)度應(yīng)稍大于測(cè)區(qū)范圍。多波束測(cè)深系統(tǒng)雖然具有效率高、精度好等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在系統(tǒng)復(fù)雜、受干擾因素多等缺點(diǎn)。由于該系統(tǒng)安設(shè)于船體之上，而船體在行駛中的轉(zhuǎn)彎、搖晃、速度變化等因素均可造成探測(cè)誤差。所以測(cè)量船體應(yīng)提前進(jìn)行測(cè)線測(cè)量，在航行中由巡警提前開(kāi)道，為保持勻速直線航行創(chuàng)造條件。在布設(shè)主測(cè)線時(shí)應(yīng)保證其長(zhǎng)度稍大于測(cè)區(qū)范圍，這樣測(cè)量船可提早上線，可有效保證多波束測(cè)深系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

（4）測(cè)線總長(zhǎng)度不得過(guò)大。長(zhǎng)江航道水深呈現(xiàn)“中間大，兩邊小”的特點(diǎn)，因此在布置測(cè)線時(shí)可適當(dāng)加密邊緣航道測(cè)線，而航道中間測(cè)線可適當(dāng)稀疏（但不得超過(guò)有效測(cè)寬的80%），這樣可合理分配測(cè)深資源。測(cè)線條數(shù)越少，相應(yīng)的系統(tǒng)復(fù)雜性也越低，得到的測(cè)量數(shù)據(jù)也越清晰準(zhǔn)確，后續(xù)處理工作也變得較為容易。

（5）布置一定數(shù)量的檢查測(cè)線。檢查測(cè)線的作用是檢驗(yàn)測(cè)深系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，垂直于主測(cè)線均勻布置。檢查側(cè)線布置位置在于平坦區(qū)，數(shù)量不得過(guò)少，要求檢查測(cè)線總長(zhǎng)度大于主測(cè)線總長(zhǎng)度的5%。測(cè)檢測(cè)線可采用單波束或多波束測(cè)線，但當(dāng)采用后者時(shí)，其只收集回波清晰區(qū)數(shù)據(jù)即可。

（6）復(fù)雜區(qū)應(yīng)加密測(cè)線。測(cè)線的布置密度和測(cè)量精度呈正比關(guān)系，因此在航道復(fù)雜區(qū)應(yīng)加大采樣點(diǎn)密度，以提高對(duì)該區(qū)域水底地形分辨率。若在測(cè)深作業(yè)中發(fā)現(xiàn)了沉船、巖礁等障礙物，應(yīng)以障礙物為中心布設(shè)“井”字型加密測(cè)線，多方向、多角度獲取障礙物的詳細(xì)信息。

3 長(zhǎng)江航道多波束測(cè)線布設(shè)方法分析

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，相關(guān)部門(mén)多次組織了長(zhǎng)江航道測(cè)深工作，日常每隔一段時(shí)間的測(cè)深屬于維護(hù)性測(cè)量，因此可充分利用前期的測(cè)量成果，“先驗(yàn)水深”測(cè)量法在長(zhǎng)江航道測(cè)深工作中得到廣泛應(yīng)用。

3.1 布設(shè)思路分析

有幾何圖形計(jì)算可知：多波束測(cè)線系統(tǒng)的一次測(cè)寬D由水深H和多波束入射角θ決定，三者關(guān)系式如（3-1）。根據(jù)之前資料測(cè)得的航道寬度、水深等，可以適當(dāng)調(diào)整多波束入射角θ，在保證測(cè)線的全覆蓋和重疊率的前提下，最大限度地減少測(cè)線數(shù)量。

3.2 多波束測(cè)深系統(tǒng)布設(shè)流程分析

多波束測(cè)線布設(shè)方法一般是“由中間向兩端”延伸，第一條測(cè)線布設(shè)于最深處，并估算出該測(cè)線的測(cè)寬，之后根據(jù)其測(cè)寬值來(lái)確定相鄰測(cè)線位置，直到測(cè)線系統(tǒng)覆蓋整個(gè)航道。具體流程如下：①根據(jù)以往資料估算航道各段水深，為后續(xù)測(cè)線布置打下基礎(chǔ)；②找出測(cè)區(qū)中最大水深的大致位置，并布設(shè)主測(cè)線和調(diào)整入射角度；③完成上述兩步驟后，按照?qǐng)D3進(jìn)行多波束測(cè)線系統(tǒng)的布設(shè)。

3.3 與“等距布設(shè)法”的對(duì)比分析

為了驗(yàn)證“先驗(yàn)水深”測(cè)量的優(yōu)越性，在此將其與“等距布設(shè)法”進(jìn)行對(duì)比分析，分別選取了長(zhǎng)江航道中的三段，側(cè)身區(qū)域涵蓋了錨地、淺點(diǎn)區(qū)、深水航道等。在對(duì)比試驗(yàn)中保證了測(cè)量船運(yùn)行狀態(tài)、溫度、大氣等因素相近，分別從測(cè)線數(shù)、測(cè)線總長(zhǎng)、耗時(shí)、盲區(qū)點(diǎn)等及各方面進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，詳見(jiàn)下表1所示。

由上表1可知：針對(duì)同一航道，“先驗(yàn)水深法”在測(cè)線數(shù)、側(cè)線總長(zhǎng)、測(cè)量耗時(shí)等方面與“等距布設(shè)法”相比均具有較大優(yōu)勢(shì)，可靠性和準(zhǔn)確性也會(huì)明顯提高。這兩種方法的盲區(qū)點(diǎn)均能做到0個(gè)，所以只要測(cè)深數(shù)據(jù)精確，完全可滿足實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)江航道對(duì)于發(fā)展內(nèi)陸沿江帶經(jīng)濟(jì)意義重大，測(cè)深是建設(shè)航道的基礎(chǔ)，而且由于水運(yùn)航道不確定因素多，受雨水影響大，且底部地形復(fù)雜，因此為保證航行安全必然需頻繁測(cè)深。多波束測(cè)深系統(tǒng)作為目前應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，在布設(shè)時(shí)的要求和流程較多，技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格遵守。

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