針對單波束測深儀新型比測工具研制及應(yīng)用

□ 張 序

為響應(yīng)“十四五”長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展“1+N”規(guī)劃政策體系，加快長江黃金水道建設(shè)步伐，港口與航道工程建設(shè)項(xiàng)目勢必會(huì)日益增多。水深測量是反映水下地形地貌的重要手段，是工程建設(shè)的重要依據(jù)，而水深測量中測深儀現(xiàn)場比測結(jié)果，是評估水深數(shù)據(jù)可靠性高低的決定性因素之一。目前，長江航道水深測量作業(yè)中常用的比測方式有兩種：一種是以桿測為代表的比測工具，稱為硬式比測；另一種是以坨繩加比測板組合為代表的比測工具，稱為軟式比測。硬式比測，面對復(fù)雜的水下環(huán)境難以實(shí)現(xiàn)共點(diǎn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差較大；軟式比測，容易受水流流速影響，難以獲得高精度數(shù)據(jù)。對此，筆者針對單波束測深儀的新型比測工具，革新常用比測方式，進(jìn)一步減少測深數(shù)據(jù)比測誤差，以提高水深比測工作效率和精度。

一、水深測量比測現(xiàn)狀分析

1.目前使用的水深比測方式

比測工具的選擇并不是固定的，往往根據(jù)外業(yè)作業(yè)環(huán)境和項(xiàng)目要求而定，因地制宜自行選擇比測方式。這既要保證比測工具要垂直于水面，又要保證換能器盡可能地與比測工具平行，實(shí)現(xiàn)共點(diǎn)。外業(yè)常常使用硬式比測和軟式比測兩種工具。硬式比測，采用桿測與水深測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比；軟式比測，采用坨繩和比測板，組裝時(shí)盡可能使坨繩與比測板垂直，進(jìn)行測深時(shí)坨繩和比測板垂直放入水中。

2.存在的問題分析

（1）當(dāng)采用硬式比測也就是使用比測桿進(jìn)行比測時(shí)，如果遇到河床為淤泥（如圖1 所示），那么，比測桿所測得的水深=實(shí)際水深+淤泥厚度（即h1=h0+h泥），而換能器所測得的水深=實(shí)際水深（即h2=h0）。兩組所得測量數(shù)據(jù)由于不在同一水平面上，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不共點(diǎn)，從而出現(xiàn)比測數(shù)據(jù)誤差較大的問題。

圖1 河床有淤泥時(shí)測量

如果遇到所測量地段水下有水生植物（以水草為例，如圖2 所示），比測桿所測得的水深=實(shí)際水深（即h1=h0），而換能器所測得的水深=實(shí)際水深－水草高度（即h2=h0－ h草）?？梢姡谒颅h(huán)境復(fù)雜的情況下，使用比測桿對獲取準(zhǔn)確的比測數(shù)據(jù)存在一定的干擾，所以，在比測數(shù)據(jù)誤差較大的情況下，無法證明所測水深數(shù)據(jù)為高精度數(shù)據(jù)。

圖2 河床有水草時(shí)測量

（2）當(dāng)采用軟式比測即坨繩加比測板進(jìn)行比測時(shí)，如果遇到比測水域流速較大（如圖3 所示），坨繩會(huì)與換能器存在一個(gè)偏角，導(dǎo)致比測板未平行于換能器和比測數(shù)據(jù)不共點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致坨繩所測得的水深不等于換能器所測的水深。

圖3 水域流速較大時(shí)測量

二、針對單波束測深儀的新型比測工具設(shè)計(jì)

1.新型比測工具組成

新型比測工具設(shè)計(jì)將硬式比測工具與軟式比測工具相結(jié)合，由比測桿、合金卡箍、聲波反射板等3 個(gè)基本部分組成，可根據(jù)外業(yè)實(shí)際情況組合優(yōu)化，以適應(yīng)不同水域。

（1）比測桿。比測桿由高強(qiáng)度3 K 碳素管制成。該碳素管具有高強(qiáng)度、高韌性、質(zhì)量輕、壽命長、不易變形耐腐蝕、耐高溫、絕緣電阻高、阻燃性好等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，使比測桿在水流流速較大的地方不變形或變形很小，保證換能器聲波信號有效返回。桿體分為1 米和1.5 米兩種，桿體刻度采用激光標(biāo)刻，并涂抹白色油漆于刻度之上，便于觀讀，可根據(jù)水域需要連接成合適的長度。

（2）合金卡箍。合金卡箍分為固定單口卡箍和“8字型”雙口卡箍，不容易生銹。固定單口合金卡箍用來連接比測桿桿體；“8字型”雙口卡箍由兩個(gè)單口卡箍焊接而成，其中一個(gè)口固定在比測桿桿體上，另一個(gè)口固定在換能器上，這樣有利于換能器與比測桿始終保持平行。

（3）聲波反射板。由環(huán)氧樹脂板材料制作而成，將環(huán)氧樹脂板做鏤空處理，減小入水和在水域中的水流阻力，在作業(yè)時(shí)聲波反射板板面與比測桿和換能器垂直。聲波反射板有圓形、三角形、菱形等3 個(gè)形狀，具體根據(jù)水域需求選擇組合。

2.產(chǎn)品設(shè)計(jì)

針對單波束測深儀的新型比測工具采用組裝式設(shè)計(jì)，可根據(jù)水域情況選擇組件，便于攜帶（設(shè)計(jì)示意圖如圖4 所示）。

圖4 新型比測工具示意圖

3.產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)

針對單波束的新型測深儀比測工具對比傳統(tǒng)的硬式比測和軟式比測，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）通過合金卡扣的設(shè)計(jì)將比測桿與測深儀換能器平行固定，解決了水流流速過大的情況下比測桿無法高度平行于換能器的問題。

（2）通過添加底部聲波反射板解決了水下地形復(fù)雜、存在淤泥或水草致使比測數(shù)據(jù)不在同一水平面上，導(dǎo)致比測數(shù)據(jù)不共點(diǎn)產(chǎn)生的較大誤差。

（3）比測桿使用激光標(biāo)刻刻度后，省去人工二次測量的步驟，節(jié)省了人力，也減小了人為操作誤差。

三、應(yīng)用測試

根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)想完成了新型比測工具的實(shí)物研制（如圖5 所示），并讓新型比測工具在不同水域進(jìn)行應(yīng)用測試。

圖5 新型比測工具

1.第一次在長江上游朝天門至涪陵段航道整治工程施設(shè)階段原型觀測項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用測試

測試時(shí)間為2020 年11 月5 日—9 日，共5 天，比測方式為開工前比測2次，收工前比測2次。在測試過程中，應(yīng)選取流速相對平緩和流速較大的區(qū)域分別進(jìn)行。

通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，5天的水深比測差值均未大于5 厘米，水深比測共20組數(shù)據(jù)，比測水深差值大于0.03 米的占0.00%；比測水深差值小于等于0.03 米大于0.02米的占5.00%；比測水深差值小于等于0.02 米大于0.01米的占35.00%；比測水深差值小于等于0.01 米大于等于0.00 米的占60.00%，精度較高，實(shí)現(xiàn)了水深測量比測誤差的減小，省去了人工二次測量的繁瑣步驟。

2.第二次在長江中游新洲至九江河段航道整治二期工程度汛觀測項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用測試

測試時(shí)間為11 月22 日—26 日，共5 天，比測方式為開工前比測2 次，收工前比測2 次，仍然選擇流速相對平緩和流速較大的區(qū)域分別進(jìn)行。

第二次測試數(shù)據(jù)分析，5 天的水深比測差值均未大于5 厘米，水深比測共20 組數(shù)據(jù)，比測水深差值大于0.03 米的占0.00%；比測水深差值小于等于0.03 米大于0.02 米的占5.00%；比測水深差值小于等于0.02米大于0.01 米的占50.00%；比測水深差值小于等于0.01 米大于等于0.00 米的占45.00%，精度較高。

從2次新型比測工具現(xiàn)場測試情況看，2次測量結(jié)果精度都符合《水運(yùn)工程測量規(guī)范》（JTS 131-2012）。新型比測工具不僅可以很好地適用于不同水域環(huán)境的測區(qū)，適應(yīng)性好，抗干擾性強(qiáng)，而且能有效減小水深比測工作中的誤差，操作簡便。

四、結(jié)語

針對單波束測深儀的新型比測工具是基于長江航道水深測量外業(yè)工作實(shí)際問題所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)優(yōu)化、效果應(yīng)用等方面還有一定的挖掘空間，可以增加其它配件，降低比測工具入水難度，增加固定性。同時(shí)，有待在不同季節(jié)環(huán)境、不同內(nèi)河航道的測試驗(yàn)證，以進(jìn)一步確定新型比測工具的適應(yīng)性和應(yīng)用效果，以此來幫助新型比測工具的迭代和完善，促進(jìn)新型比測工具在水深測量中的推廣應(yīng)用。