多波束測深儀在航道測繪中的應(yīng)用分析

張博文 廣東省粵西航道事務(wù)中心湛江航標(biāo)與測繪所

近幾年，伴隨國家經(jīng)濟(jì)水平的提高，“一帶一路”的實(shí)施與海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)行，海洋經(jīng)濟(jì)活動越來越頻繁，航道測繪的作用日益明顯。為了保障經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定、迅速發(fā)展，確保船舶的運(yùn)行安全與海洋工程的要求，需要定時展開航道測繪。其中，多波束測深儀是一種高新測繪系統(tǒng)，在航道測繪方面使用普遍。

1.多波束測深儀介紹

多波束測深儀測繪，是依靠多波束作用而完成水下測繪的。相對于單波束測繪有許多優(yōu)點(diǎn)，大幅度提高了水下地形測繪效率，在測繪時，能夠根據(jù)水下多個測繪點(diǎn)進(jìn)行測繪，獲取相關(guān)的測繪深度值。多波束測深儀是由發(fā)射換能器、接收器和定位、定姿態(tài)輔助器，及處理得到信息的系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)所組成。航道測繪中使用多波束測深儀提高了面化測繪效果，促使航道測繪效率和效果得到了明顯提高，推動了航道建設(shè)的持續(xù)發(fā)展。

1.1 多波束測深儀的構(gòu)成

在現(xiàn)代水中探測方面，多波束測深儀發(fā)展迅速，是該領(lǐng)域的關(guān)鍵新興科技之一，多波束測深儀實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)科技和聲吶系統(tǒng)及與空間測控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的充分結(jié)合。在進(jìn)行水底探測時，其既具備較高密度，并且測繪精度很高。本文探究的多波束測深儀SeaBat 8101，是當(dāng)前世界上精度較高的測深系統(tǒng)之一。其構(gòu)成涉及運(yùn)動傳感儀與OCTANS光纖羅經(jīng)、側(cè)掃圖片處理平臺、聲速剖面器和處置多波束信息平臺及底質(zhì)分類平臺等。

1.2 特征

（1）采取帶狀形式來測繪。多波束測深儀集合了許多先進(jìn)科技，是一種十分先進(jìn)的測繪技術(shù)，具體使用時，基于帶狀形式進(jìn)行測繪。該系統(tǒng)的使用優(yōu)點(diǎn)是，測繪涵蓋范圍較廣，能夠取得全覆蓋水底物體的成效。而且，相對于單波束測繪，該系統(tǒng)可以精確的呈現(xiàn)出水底每種地形細(xì)小的改變。這一特征主要是因?yàn)閱尾ㄊ钦归_點(diǎn)式測繪，但多波束是進(jìn)行面式測繪。測繪水底狀況時，基于帶狀方式測繪，可以全面獲得水底地形的有關(guān)信息。多波束測繪形成等值線的環(huán)節(jié)，該種測繪方式取得了全覆蓋，具備信息量很大，且有良好的穩(wěn)定性。但單波束測繪在操作中會產(chǎn)生信息不全的現(xiàn)象，這就更加突出多波束測深儀的優(yōu)勢。

（2）發(fā)射換能器比較先進(jìn)。水下探深時，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)165°寬的投射涵蓋面，而且接收器還可以把投射波實(shí)現(xiàn)動態(tài)聚焦，也可以實(shí)時的把探測到的信息依靠監(jiān)視器傳輸。

（3）能產(chǎn)生直觀的信息圖。多波束測深儀使用時，除了以上優(yōu)點(diǎn)以外，還能形成直觀的信息圖。該系統(tǒng)內(nèi)處理系統(tǒng)較強(qiáng)大，功能十分完善，能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行不同比例尺的測繪，基于此形成信息圖。而且可以多元化處理信息圖，包含水下測深等直線的有關(guān)信息圖，也可以形成地形模型圖，能產(chǎn)生彩色水深圖等等。

2.多波束測深儀安裝檢測

2.1 設(shè)置電羅經(jīng)傳感儀

電羅經(jīng)的設(shè)置部位具有較高要求，電羅經(jīng)傳感儀要安置于船舶中心周圍，電羅經(jīng)指示角度要和船首方向相同，而且需要在船體坐標(biāo)軸的水平面中。安裝部位要遠(yuǎn)離導(dǎo)磁材料和易被磁化的材料；電羅經(jīng)和很大的鐵性物質(zhì)、強(qiáng)電流的導(dǎo)線和電池組最少維持1.3-1.5米的間距；有些電子產(chǎn)品的應(yīng)用將影響電羅經(jīng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，使之測得的方向信息失真和干擾，要遠(yuǎn)離它們。

2.2 設(shè)置運(yùn)動傳感儀

運(yùn)動傳感儀（TTS）要固定安置，且盡量和水平面平行；TTS離船體重心愈遠(yuǎn)，船體縱橫傾變化越大，形成的測繪偏差也愈大，因此安裝部位要在船體重心或盡量接近重心；TTS的設(shè)置存在方向性，它罩殼上的顯示方位要和船首方向相同，否則就出現(xiàn)反向改正，引起較大偏差。

2.3 設(shè)置多波束換能設(shè)備

多波束換能設(shè)備的設(shè)置重點(diǎn)取決于船型與船舶結(jié)構(gòu)，而且還要考量多波束測深儀應(yīng)用的水域，像在內(nèi)河測繪，由于受風(fēng)浪程度很小，能夠安置于船首，但在潮汐河口和近海水域，由于受風(fēng)浪程度很大，適合采取船舷固定設(shè)置。安置時應(yīng)注意加固，防止測繪換能設(shè)備出現(xiàn)抖動、沉降。另外，還兼顧換能設(shè)備的安全性，防止在靠離碼頭碰撞受損，建議設(shè)置換能器，還存在可拆除和能轉(zhuǎn)移的作用。

2.4 設(shè)置DGPS接收器天線

DGPS接收器天線要設(shè)置在傳播高處，根據(jù)場內(nèi)阻礙物的高度角不得大于10°；盡量遠(yuǎn)離船體主桅桿；盡可能離開大功率的無線電發(fā)射信號源；設(shè)置天線要穩(wěn)定，防止船體姿態(tài)改變使之出現(xiàn)移動；天線部位要選取遠(yuǎn)離船舶重大金屬物體構(gòu)造，離夾板高度最少1.5米之上，降低信號多途徑效應(yīng)。

天線設(shè)置后，要嚴(yán)格測試，測試能夠分成通電測試與航行檢測。通電檢測：在靜態(tài)情況下展開，檢查平臺各部分導(dǎo)線銜接是否正常穩(wěn)定，準(zhǔn)確無誤；檢測接地是否準(zhǔn)確，可靠；檢測配電電源傳輸電壓是否穩(wěn)定，直流配電的極性是否準(zhǔn)確，確認(rèn)正常后，就目測系統(tǒng)每個部位的通電運(yùn)轉(zhuǎn)情況、信號的穩(wěn)固性與信息的通訊狀況。

航行檢測：要選取適合水域設(shè)測多個往返測線展開橫傾、縱傾、定位延緩、電羅經(jīng)誤差等指標(biāo)改正。另外，在測試時也要檢測DGPS接收器、聲速剖面器、電羅經(jīng)等是否運(yùn)行正常。當(dāng)前，以上各檢測項(xiàng)目不只是安裝測試的需要，并且已經(jīng)是各個航次和承接新測繪項(xiàng)目前需要處理的任務(wù)。

3.定位導(dǎo)航

水深測繪工作平面定位采用RBN-DGPS系統(tǒng)處理。因?yàn)镚PS采集的是WGS-84坐標(biāo)，但測繪成圖使用的坐標(biāo)系是當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系。所以，在測繪前要先計(jì)量WGS-84至當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)軸間的坐標(biāo)變換值。

WGS-84坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系間的坐標(biāo)調(diào)換值能夠直接使用2-3個控制點(diǎn)求出。為驗(yàn)證坐標(biāo)調(diào)換值的精準(zhǔn)度，采取RBN-DGPS接收器展開坐標(biāo)比較，依靠實(shí)測坐標(biāo)和已知坐標(biāo)的比較差來驗(yàn)證調(diào)換值的精準(zhǔn)性，比較結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求才能夠投用。DGPS信標(biāo)接收器接收差分信息完成平面定位。

4.測繪和信息處理

4.1 掃道規(guī)劃與測線分布

（1）掃道方位。掃道方位規(guī)劃時，兼顧到多波束測深儀收集的屬于高密度條帶式水深信息，其能夠?qū)λ椎匦螌?shí)現(xiàn)全覆蓋探測。在正常操作環(huán)境下，只需船速選取合理，就不會漏掉特別水深，所以，掃道方位規(guī)劃沿著航道方向分布。

（2 ）掃道道寬。Atlas Fansweep20 的掃道規(guī)劃寬度是W=2D圖tanθ（D圖指海圖水深，θ指波束角）。具體操作過程，掃道道寬按照場地水深來決定，主要以掃道規(guī)劃寬度值為基礎(chǔ)。此外，兼顧到施工過程對漲潮水位的合理使用，也能以實(shí)際掃側(cè)信息填充屏幕呈現(xiàn)的規(guī)劃范圍且有重合為準(zhǔn)。

（3）重合帶寬度。在《多波束測深系統(tǒng)測量技術(shù)要求》JT/T 790-2010中提出：主測深線的間距應(yīng)不大于有效測深寬度的80%，在重要航行水域，測深線的間距應(yīng)不大于有效測深寬度的50%。

4.2 測繪實(shí)施與信息后處理

多波束測繪選擇的是PDS2000測繪系統(tǒng)，系統(tǒng)同步收集DGPS位置信息、多波束測深儀水深測繪信息、波浪補(bǔ)償器姿態(tài)補(bǔ)償信息、電羅經(jīng)信息。聲剖器實(shí)時收集聲速信息明確單波束聲速與多波束聲速剖面。選擇CARIS后處理系統(tǒng)展開水深點(diǎn)后處置，剔除了假水深，于CARIS系統(tǒng)內(nèi)記錄潮位數(shù)據(jù)，智能對水深信息完成水位改正。信息處理涉及信息預(yù)處理與成圖兩點(diǎn)，預(yù)處理包含定位信息處理，聲速剖面信息處理，潮位信息處理，姿態(tài)信息處理，深度信息處理與信息編輯、除噪、兼并、清項(xiàng)；成圖是對預(yù)處理后獲得的水深信息實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化，形成DTM，制定水下地形圖。