側掃聲吶和多波束測深系統(tǒng)在內河航道養(yǎng)護中的應用分析

徐媛媛 高上

摘 要 本文介紹了側掃聲吶與多波束測深的原理與技術特點，以湘江航道實際應用的案例，分析兩種設備在內河航道養(yǎng)護中的作業(yè)方式的優(yōu)缺點及適用范圍。

關鍵詞 側掃聲吶;多波束測深系統(tǒng);水下測量;航道掃床

引言

航道測量是航道養(yǎng)護工作的一項重要工作，也是維護和運行數(shù)字化、智慧化航道系統(tǒng)的重要基礎工作。航道掃床是清障、查找沉船、沉標的重要手段，傳統(tǒng)航道掃床屬于靠經驗盲掃，運用側掃聲吶，可快速獲取河床聲吶圖像數(shù)據，從而直觀了解到航道狀況，但由于側掃聲吶不能直接獲取航道水深數(shù)據，所以側掃已無法完全滿足我單位在航道測繪上的需求。我局配置了多波束測深系統(tǒng)，多波束不僅可以準確獲取目標物空間數(shù)據，而且可實現(xiàn)水下三維成圖，具有測量范圍廣、速度快、精度高的特點。側掃聲吶和多波束測深系統(tǒng)在湘江航道養(yǎng)護中的配合應用為長沙航道實現(xiàn)高質量發(fā)展注入強勁動力。

1側掃聲吶

1.1 基本原理

側掃聲吶的工作原理是通過左右兩側的換能器陣，向兩側發(fā)射聲脈沖，聲波以球面波方式向外傳播，碰到水底或水中物體會形成反射波或者反向散射波（回波），回波會按原傳播路線返回，近距離的回波先到達換能器，遠距離的回波后到到達換能器，通過接收水下物體的回波來發(fā)現(xiàn)目標。

不同硬度、粗細和高度的河床底質，回波強度是不同的，河床粗糙、堅硬、凸起的區(qū)域，回波較強;河床平滑、軟底，凹陷的區(qū)域，回波較弱;在聲波被遮擋的區(qū)域不產生回波，形成“陰影區(qū)”;距離聲吶越遠的區(qū)域回波越弱。利用聲吶處理單元和工作站對這一系列脈沖進行數(shù)字化處理，并顯示在顯示器上，每一點顯示的位置與回波接收到時刻對應，每一點的亮度和回波的強度有關。

將每一發(fā)射周期的接收數(shù)據一線接一線地縱向排列，在顯示器上顯示就構成了二維河床地貌聲圖。聲圖平面和海底平面成逐點映射關系，聲圖的亮度包涵了河床的特征。

1.2 主要性能指標

我局目前使用的中海達iSide4900側掃聲吶，其主要性能指標為400kHz和900kHz雙頻同時工作、最大量程150m、水平波束角0.2°垂直波束角50°、脈寬1～4ms、沿航跡分辨率0.003h（h代表量程），垂直航跡分辨率1.25cm等，這些指標不是獨立的，它們存在聯(lián)系：工作頻率決定了量程大小，頻率越大，量程越小，反之。在同一工作頻率下，設置量程越大，其測量覆蓋的范圍越大，掃測效率越高。脈寬直接影響垂直航跡分辨率，脈寬越小，垂直航跡分辨率越高，反之。水平波束開角和航速直接影響沿航跡分辨率，垂直波束開角影響側掃聲吶的覆蓋寬度，開角越大，覆蓋范圍就越大。

1.3 側掃聲吶系統(tǒng)組成

一套完整的側掃聲吶系統(tǒng)主要由五個部分組成;

（1）拖魚：聲學收發(fā)系統(tǒng);側掃聲吶魚是一個流線型穩(wěn)定拖曳體，拖魚由左右換能器線列陣、電子艙、尾翼、拖曳鉤及殼體組成;

（2）拖纜、數(shù)據線纜及絞盤：用來拖曳拖魚以及聲吶信號傳輸;

（3）甲板單元：用來控制拖魚發(fā)射接收聲波信號;

（4）定位設備：用于輸出定位信息;

（5）工作站：運行相關軟件來控制整套系統(tǒng)，可顯示、記錄，存儲和處理鑲嵌側掃數(shù)據。

1.4 側掃聲吶的優(yōu)缺點

優(yōu)點：①垂直航跡分辨較高，可獲得河床高精度的二維聲吶圖像;②可利用河床回波強度的信息，對河床底質進行定性分析;③相比于多波束測深系統(tǒng)，側掃價格便宜，設備安裝連接簡單;④側掃無需固定安裝，搬運方便，可攜帶至側掃地點，用于應急掃床;

缺點：側掃聲吶不能精準地測量水深，不能獲取直觀的三維地形圖，在測繪方向的應用受到限制[1]。

2多波束測深系統(tǒng)

多波束測深系統(tǒng)是高性能計算機數(shù)據處理技術、水聲學聲吶探測技術、組合慣導技術和高精度數(shù)字化輔助傳感器技術的高度集成。多波束測深儀打破了單波束測深儀“以點成線”的工作方式，實現(xiàn)了“以線成面”的全覆蓋、立體化成圖，智能化、高效率點云數(shù)據處理的工作模式。其工作原理是多波束甲板單元控制發(fā)射換能器基陣產生一定覆蓋角度的扇形聲波，利用接收換能器陣列對觸碰到海底的回波進行窄波束接收，通過發(fā)射、接收扇區(qū)的“十字交叉”形成了海底地形的“波束腳印”，運用組合慣導和表面聲速傳感器對各個“波束腳印”的空間位置進行歸算處理，從而可精確、快速地測出沿航線一定寬度內水下目標的大小、形狀以及河床起伏變化情況。

我局使用的中海達iBeam 8120固定式安裝多波束測深系統(tǒng)，其性能指標為頻率200kHz，條帶覆蓋角度30～140°，波束角1.5°× 1.5°，波束數(shù)目512個，測深范圍0.5～300m，水深分辨率1cm，最大Ping率60Hz，實時橫/縱搖精度0.01°。

2.1 多波束換能器及IMU安裝

本文介紹的多波束測深儀換能器和慣性測量單元（IMU）采用固定安裝方式。換能器采用豎井月池安裝，換能器和升級支架固定后，采用自動升降裝置實現(xiàn)升降，為防止紊流層的干擾，測量前會將換能器下降至龍骨下20cm處再進行跑線，其余時間可以將換能器收回月池，保護換能器。IMU固定安裝在豎井附近，開機后實時提供高精度姿態(tài)、定位、航向數(shù)據。固定式安裝的好處是，只需要第一次安裝或者移動拆卸設備后進行設備偏距的量取和校準，簡化測量流程，提高測量效率。

2.2 組合慣導GNSS天線安裝

GNSS天線安裝在船頂，固定式安裝且不存在遮擋，基線距離為2m，慣導的實時艏向精度可達0.03°。

2.3 甲板單元、UPS及電腦主機連接

多波束甲板單元、慣導甲板單元、UPS、電腦主機及顯示器安裝在測量室內工作臺，方便測量人員進行操作。

2.4 偏移量量取

多波束測量系統(tǒng)屬于高精度測量設備，設備固定后需要量取IMU和換能器，IMU和GNSS天線之間的偏距。

2.5 多波束校準

為保證校準效果，校準線測量時一定要保證條帶之間重疊率到達50%以上。校準的先后順序為Roll（橫搖）、Pitch（縱搖）、Yaw（艏搖）。

橫搖校準（Roll）：選擇平坦區(qū)域、一條往返測線、垂直于航向選擇區(qū)域;

縱搖校準（Pitch）：選擇高低起伏變化區(qū)域、一條往返測線，平行于測線選擇區(qū)域;

艏搖校準（Yaw）：選擇高低起伏變化區(qū)域，兩條平行測線，平行于測線中間區(qū)域。

使用HiMax MBE多波束軟件校準數(shù)據，按照橫搖、縱搖、艏搖的順序進行校準后，根據剖面圖，可以看到校準效果條帶間數(shù)據重合程度高以后方可開展測量。

2.6 多波束測深系統(tǒng)優(yōu)缺點

優(yōu)點：①測深精度高，波束角小會在河床形成的波束腳印就極小，多波束測深系統(tǒng)采集水深數(shù)據的同時也會記錄船體姿態(tài)數(shù)據及表面聲速，考慮到溫鹽深的變化需做聲速剖面測量，使各種因素對多波束水深數(shù)據的影響降低了最低;②地物識別能力強，多波束采用全覆蓋的測量方式，每Ping可形成幾百個水深點，高頻率形成的點云數(shù)據可以真實的反映整體河床三維地形;③采集軟件具有實時生成三維地形圖功能，可以直觀地看到水下的地形起伏以及護岸工程的效果，便于指揮決策和重點監(jiān)測;④多波束后處理軟件可對點云數(shù)據進行多種成圖處理，可生成等深線圖、三維立體圖、斷面剖面圖等，同時可對同一測區(qū)不同測次進行比較以及土方計算等;⑤多波束測深系統(tǒng)可拓展側掃圖像、水柱數(shù)據顯示以及河床底質后向散射等功能，具有更多的應用方向和更廣闊的應用前景。缺點：①系統(tǒng)采集的數(shù)據量極大，由于聲吶技術、水體水質等原因，往往會產生噪點，需要對點云數(shù)據進行自動濾波處理和人為干涉處理，后處理工作量較大;②系統(tǒng)的條帶覆蓋寬度與水深成正比關系，由于測量船吃水深度大，極淺水區(qū)域和岸邊區(qū)域，多波束作業(yè)效率低，甚至考慮到多波束換能器安全性因素無法施測;③采用固定式安裝，雖然省略了安裝校準時間但由于測量船機動性差，其跨度覆蓋區(qū)域往往受限，測繪應急能力被削弱[2]。

3側掃聲吶與多波束測深系統(tǒng)的在內河航道實際適用范圍

3.1 在湘江航道中，結合側掃聲吶的優(yōu)缺點建議可應用于

（1）河床沖刷研究，圖1為湘江航道河床的沙波，由于水流沖刷形成。

（2）航道障礙物掃測，圖2為湘江中長沙某自來水取水管道。

（3）內河救助搜尋，圖3為湘江某航段的沉船。

3.2 結合多波束測深系統(tǒng)優(yōu)缺點可應用于

（1）躉船移位選址。項目案例：湘江某航段5公里長、0.3公里寬的水域測量，面積1.5平方公里。建立格網模型，生成TIF影像圖，也可生成等深線圖。

（2）航道應急搶通項目工程量計算及驗收。航道應急搶通前對所在航道進行多波束掃測，完成后再次對相同區(qū)域進行測量，因為多波束可輸出三維地形圖，可直觀地分析搶通航段的變化，也可以計算航道整治工程前后的土方量。

（3）可以應用到航道河床演變對比、水下的地形起伏、護岸工程及長河段測量等需要數(shù)據精度較高的測量項目[3]。

4結束語

綜上所述，側掃聲吶設備量程較大，能快速完成湘江航道河床礙航物的定位、救助搜尋、水下建筑物位置分布的調查等各項工作。側掃聲吶的應用揭開了內河航道水下地貌的神秘面紗，首開湖南航道水下測量的先河。多波束測深系統(tǒng)可應用于內河航道淺灘航槽沖淤變化的分析、航道河床演變對比、護岸工程、航道應急搶通項目工程量計算及長河段測量等需要高精度數(shù)據的測量項目。兩種測量設備各有優(yōu)勢，在具體工作中根據實際情況需要配合使用，可更大地提高工作效率。

參考文獻

[1] 別偉平，郭志勇，于永寬.多波束與側掃聲吶在水下障礙物探測中的綜合應用[J].港工技術，2019，56（S1）：157-159.

[2] 陳正榮，王正虎.多波束和側掃聲吶系統(tǒng)在海底目標探測中的應用[J].海洋測繪，2013，33（4）：51-54.

[3] 沈蔚，程國標，龔良平，等.C3D測深側掃聲吶探測系統(tǒng)綜述[J].海洋測繪，2013，33（4）：79-82.